CN210222208U - 一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统 - Google Patents

Abstract

一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统。实验系统主要由主控制单元、运行控制单元和动力机组组成；主控制单元作为整个系统上位机，运行控制单元主要包括可编程控制器和两台变频器，动力机组主要由主电机、负载电机、刹车装置、减速装置、扭矩传感器和编码器组成。主控制单元通过运行控制单元对动力机组的主电机实施角度双向扭转或扭矩双向扭转控制，可编程控制器实时采集系统运行参数，主要包括双向扭转速度、扭转角度及扭转扭矩等反馈信号，形成角度或扭矩扭转控制闭环。本实用新型方法简便可行，最大程度地模拟了现场电动转盘传动系统的结构；主控制单元与可编程控制器具有低成本、高可靠性和通讯速率高，保证系统控制精度。

Description

一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统

技术领域：

本实用新型涉及石油工程技术领域，尤其是一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统。

背景技术：

转盘是石油钻机的重要部件，俗称钻机八大件之一。钻井过程中，转盘驱动钻柱、井底钻具及钻头等旋转破岩，以实现油气井建井，是钻机的重要动力源。随着钻井装备的技术进步，近年来，钻机转盘普遍由机械驱动发展为电机独立驱动，电机独驱转盘具有结构简单、控制方便等优势。

在长水平段水平井、大位移井钻井定向滑动钻进过程中，钻柱不旋转，仅依靠井底动力钻具带动钻头旋转破岩，实现钻井进尺。通过滑动导向工具改变井眼的井斜角和方位角，从而控制井眼轨迹，但由于钻柱不旋转，钻柱与井壁之间为静摩擦，摩阻值高，容易托压，导致钻进效率低、作业风险大。随着井斜和位移的增加，滑动钻进的弊端越加明显。

为此，利用动摩擦比静摩擦摩擦系数低的原理，国内外相继开展了滑动钻进钻柱双向扭转自动控制技术，通过精确控制钻柱双向扭转幅度，达到既不影响井下工具面，又尽可能降低摩阻的效果，从而提高钻井效率，降低钻井成本。

中国专利CN102022083B公开了一种《旋转导向钻井工具》，包括旋转心轴、上轴承、感应线圈、测斜短节及控制单元、不旋转外套、液压控制系统模块、肋板、下轴承和下接头；旋转心轴包括本体和外凸台，外凸台与本体自上而下固定在一起，本体的上端外侧与上轴承的内侧固定安装在一起，本体的下端外侧与下接头的上端内侧固定安装在一起，下接头的上端外侧与下轴承的内侧固定安装在一起，不旋转外套包括上套体、下套体和外径大于上套体的中套体，上套体、中套体和下套体自上而下依序固定在一起，上套体的上端内侧与上轴承的外侧固定安装在一起，下套体的内侧与下轴承的外侧固定安装在一起，在上套体与本体之间有空腔，感应线圈和测斜短节及控制单元自上而下安装在空腔内，在中套体内腔里固定安装有液压控制系统模块，在中套体上间隔分布有与中套体内腔相连通的长开口，在长开口所对应的中套体内腔内铰接有能被液压控制系统模块顶住而向外转动的肋板，在旋转心轴内有与空腔相连通的液压油孔，在液压油孔内有导线并与感应线圈电连接在一起，感应线圈通过导线与测斜短节及控制单元电连接在一起，在中套体上有连通空腔和中套体内腔的液压油孔，测斜短节及控制单元和液压控制系统模块通过液压油孔和导线电连接在一起。上述液压控制系统模块可包括液压泵、联轴器、电机、平衡柱塞和伸缩柱塞；液压泵的上端安装有能顶在内凸头中心线外侧并能使挡板向外侧移动的伸缩柱塞。上述测斜短节及控制单元可包括测斜本体、控制电路、整流电路和测斜模块，在测斜本体上安装有控制电路、整流电路和测斜模块。该实用新型通过旋转钻进的方式对水平井、大延伸井和大斜度井进行钻进，并能有效导向，因此钻进效率得到了极大地提高，设备成本也得到了降低。

但目前该技术都是基于顶驱进行研究，尚没有在电动转盘上开展攻关。因此，在研究基于电动转盘的滑动钻进钻柱双向扭转控制技术过程中，需要建立一套模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，并开展转盘电机扭转控制方法的研究，经实验系统测试满足现场应用条件后，方可在现场试验并推广应用。

实用新型内容：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，在此实验系统上，便于开展电动转盘电机扭转控制测试，从而达到提高研发效率，缩短研发周期的目的。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，主要由主控制单元、运行控制单元和动力机组组成；运行控制单元主要由可编程控制器和1#变频器和2#变频器组成；动力机组主要由1#电机、2#电机、刹车装置、减速装置、扭矩传感器和编码器组成。在动力机组中，1#电机与刹车装置的输入端连接，刹车装置的输出端与扭矩传感器的输入端连接，扭矩传感器的输出端与减速装置输入轴的一端连接，编码器安装于减速装置输入轴的另一端，减速装置的输出轴与2#电机连接，且1#电机和2#电机的旋转方向相反。

运行控制单元主回路主要包括总电源、总断路器、分断路器、可编程控制器及传感器回路、1#电机散热风机回路、2#电机散热风机回路、1#变频器及1#电机回路、2#变频器及2#电机回路。

可编程控制器主要由电源模块、CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和计数器模块组成。

编码器为增量式光电编码器，1#电机和2#电机同为交流变频调速电机，减速装置可为齿轮减速装置、链条减速装置或其它减速装置中的任意一种。

该模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统及，具有以下优点：

(1)在动力机组中采用双电机对扭的思路，来模拟电动转盘驱动及井下负载，方法简便可行，一台电机模拟电动转盘的主电机，另一台电机模拟钻柱在钻进过程中的负载。同时加入了减速装置、刹车装置等，最大程度地模拟了现场电动转盘传动系统的结构；

(2)在实验系统中，移动服务器作为上位机，可编程控制器作为下位机，上位机与下位机之间采用以太网通信，以太网通信是最通用的通信协议标准，具有低成本、高可靠性和通讯速率高的优势；可编程控制器实时采集扭矩传感器和编码器的反馈信号，形成扭矩扭转和角度扭转控制闭环，保证了实验系统具有较高的控制精度。

附图说明：

图1为本实用新型的模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统组成示意图。

图2为本实用新型运行控制单元的控制回路图。

图3为本实用新型运行控制单元的主回路图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2、附图3和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例1：

一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，主要由主控制单元1、运行控制单元2和动力机组3组成；运行控制单元2主要由可编程控制器4和1#变频器5和2#变频器6组成；动力机组3主要由1#电机7、2#电机8、刹车装置9、减速装置10、扭矩传感器11和编码器12组成。

在动力机组3中，1#电机7与刹车装置9的输入端连接，刹车装置9的输出端与扭矩传感器11的输入端连接，扭矩传感器11的输出端与减速装置10输入轴的一端连接，编码器12安装于减速装置10输入轴的另一端，减速装置10的输出轴与2#电机8连接。

实施例2：

在实施例1的基础上，进一步包括：

运行控制单元2主回路主要包括总电源21、总断路器22、分断路器23、可编程控制器及传感器回路24、1#电机散热风机回路25、2#电机散热风机回路26、1#变频器及1#电机回路27、2#变频器及2#电机回路28。

可编程控制器4主要由电源模块13、CPU模块14、数字量输入模块15、数字量输出模块16、模拟量输入模块17、模拟量输出模块18和计数器模块19组成。

编码器12为增量式光电编码器，1#电机7和2#电机8同为交流变频调速电机，且1#电机7和2#电机8的旋转方向相反，减速装置10可为齿轮减速装置、链条减速装置或其它减速装置中的任意一种。

实施例3：

针对实施例2的模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统的控制方法如下：

a.动力机组3中，1#电机7模拟转盘的主电机，是扭转控制对象，2#电机8为负载电机，模拟钻进过程中的井下扭矩负载，该实验系统中设置2#电机8的输出扭矩与旋转圈数成正比，刹车装置9模拟转盘离合器惯刹，减速装置10模拟转盘链条箱；主控制单元1通过运行控制单元2对动力机组3的1#电机7进行双向扭转控制，包括角度双向扭转控制和扭矩双向扭转控制；扭转控制过程中，可编程控制器4采集扭矩传感器11、编码器12的信号进行逻辑运算和输出，实现双向扭转的精确闭环控制。

b.主控制单元1为模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统的上位机，不仅是系统运行数据的存取、显示单元，同时通过人机界面的交互，实现对运行控制单元2控制指令的下达。

c.可编程控制器4为实验系统的下位机，通过CPU模块14与主控制单元1通过以太网进行通讯；CPU模块14通过RS485端口与1#变频器5进行通讯，并通过1#变频器5对1#电机7进行转速控制；数字量输入模块15采集刹车装置9的刹车信号、1#变频器5和2#变频器6的故障信号；数字量输出模块16控制接触器20的通断；模拟量输入模块17分别从1#变频器5和2#变频器6采集1#电机7和2#电机8的电流，同时采集扭矩传感器11的扭矩信号；模拟量输出模块18输出扭矩信号，通过2#变频器6对2#电机8进行扭矩控制；计数器模块19采集编码器12的速度和角度信号。

d.模拟转盘电机双向扭转控制的实验步骤，按照角度双向扭转控制和扭矩双向扭转控制，分别阐述如下：

(a)角度双向扭转控制：

Ⅰ.接通总电源21，闭合总断路器22和分断路器23，系统上电，可编程控制器4完成初始化。

Ⅱ.在主控制单元1人机交互软件中，设置1#电机7角度扭转控制运行参数，主要是双向扭转速度和扭转角度，双向扭转角度是指顺时针旋转最大角度θ1和逆时针旋转最大角度θ2，按下启动按钮，可编程控制器4通过数字量输出模块16控制接触器20闭合，使1#电机散热风机回路25、2#电机散热风机回路26、1#变频器及1#电机回路27、2#变频器及2#电机回路28开始运行。1#电机7首先以顺时针旋转开始，当顺时针旋转到最大角度值θ1时，1#电机7停止顺时针旋转，然后反向开始逆时针旋转，逆时针旋转到最大角度值θ2时，1#电机7停止逆时针旋转，再反向开始顺时针旋转，就这样一直按照设置好的角度值双向扭转。

Ⅲ.1#电机7按照设定好的角度扭转参数运行，计数器模块19实时采集编码器12的角度和速度信号，形成扭转角度和速度控制闭环，保证控制精度，模拟量输入模块17实时采集1#变频器5及2#变频器6的电流信号，所有数据均在人机交互软件中实时显示并存储；

Ⅳ.1#电机7按角度扭转运行中，若手动操作刹车装置9的手柄，数字量输入模块15检测到刹车信号，系统自动停机；数字量输入模块15在检测到1#变频器5或2#变频器6故障信号时，系统也自动停机；

Ⅴ.若角度双向扭转控制测试完成，在主控制单元1人机交互软件中，按下停止按钮，系统停机，然后依次关掉主控制单元1、分断路器23、主断路器22和总电源21，角度双向扭转控制实验结束。

(b)扭矩双向扭转控制：

Ⅰ.接通总电源21，闭合总断路器22和分断路器23，系统上电，可编程控制器4完成初始化；

Ⅱ.在主控制单元1人机交互软件中，设置1#电机7的双向扭转速度，以及2#电机8的双向扭转扭矩值，即顺时针旋转最大扭矩值T1和逆时针旋转最大扭矩值T2，按下启动按钮，可编程控制器4通过数字量输出模块16控制接触器20闭合，使1#电机散热风机回路25、2#电机散热风机回路26、1#变频器及1#电机回路27、2#变频器及2#电机回路28运行；1#电机7首先以顺时针旋转开始，当顺时针旋转到2#电机8输出最大扭矩值T2时，1#电机7停止顺时针旋转，然后反向开始逆时针旋转，逆时针旋转到2#电机8输出最大扭矩值T1时，1#电机7停止逆时针旋转，再反向开始顺时针旋转，就这样一直按照设置好的扭矩值双向扭转。

Ⅲ.1#电机7按扭矩控制双向扭转过程中，模拟量输入模块17实时采集扭矩传感器11的扭矩信号，1#变频器5及2#变频器6的电流信号，所有数据均在人机交互软件中实时显示并存储；并通过采集的扭矩传感器11的扭矩反馈信号，形成扭矩控制闭环，保证控制精度。

Ⅳ.1#电机7按扭矩扭转控制运行中，若手动操作刹车装置9的手柄，数字量输入模块15检测到刹车信号，系统自动停机；数字量输入模块15在检测到1#变频器5或2#变频器6故障信号时，系统也自动停机；

Ⅴ.若扭矩双向扭转控制测试完成，在主控制单元1人机交互软件中，按下停止按钮，系统停机，依次关掉主控制单元1、分断路器23、主断路器22和总电源21，扭矩双向扭转控制实验结束。

本实用新型的模拟实验系统采用双电机对扭的思路，来模拟电动转盘驱动及井下负载，方法简便可行，动力机组中加入减速装置、刹车装置，最大程度地模拟了现场电动转盘传动系统的结构；主控制单元与可编程控制器采用以太网通信，具有低成本、高可靠性和通讯速率高的优势，同时使用高精度扭矩传感器和编码器，保证了系统控制精度。

Claims (5)

1.一种模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，其特征在于：主要由主控制单元(1)、运行控制单元(2)和动力机组(3)组成；所述运行控制单元(2)主要由可编程控制器(4)和1#变频器(5)和2#变频器(6)组成；所述动力机组(3)主要由1#电机(7)、2#电机(8)、刹车装置(9)、减速装置(10)、扭矩传感器(11)和编码器(12)组成；其中，1#电机(7)与刹车装置(9)的输入端连接，刹车装置(9)的输出端与扭矩传感器(11)的输入端连接，扭矩传感器(11)的输出端与减速装置(10)输入轴的一端连接，编码器(12)安装于减速装置(10)输入轴的另一端，减速装置(10)的输出轴与2#电机(8)连接，且1#电机(7)和2#电机(8)的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，其特征在于：所述可编程控制器(4)主要由电源模块(13)、CPU模块(14)、数字量输入模块(15)、数字量输出模块(16)、模拟量输入模块(17)、模拟量输出模块(18)和计数器模块(19)组成。

3.根据权利要求1或2所述的模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，其特征在于：所述运行控制单元(2)还包括主回路，主要由总电源(21)、总断路器(22)、分断路器(23)、可编程控制器及传感器回路(24)、1#电机散热风机回路(25)、2#电机散热风机回路(26)、1#变频器及1#电机回路(27)、2#变频器及2#电机回路(28)组成。

4.根据权利要求1或2所述的模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，其特征在于：所述编码器(12)为增量式光电编码器，1#电机(7)和2#电机(8)同为交流变频调速电机，减速装置(10)包括齿轮减速装置或链条减速装置。

5.根据权利要求3所述的模拟转盘电机双向扭转控制的实验系统，其特征在于：所述编码器(12)为增量式光电编码器，1#电机(7)和2#电机(8)同为交流变频调速电机，减速装置(10)包括齿轮减速装置或链条减速装置。

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