CN219622674U - 自动送钻控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动送钻控制系统，用于控制驱动钻机的钻头的上提或下放的电机的转速，该系统包括：转速闭环控制单元，接收测量的电机的实际转速和设定转速，并输出与实际转速和设定转速之差对应的设定电流；电流闭环控制单元，连接到转速闭环控制单元的输出端和外部输入以接收电机的设定电流和测量的实际电流，并输出与电流差对应的电机端电压及频率，电机端电压及频率用于调整电机的转速；该系统还包括：钻压闭环控制单元，其包括连接到第二和第三外部输入以接收钻头的给定钻压和计算的实际钻压并输出钻压差的第一加法器和将钻压差随时间积分并生成与钻压差对应的设定转速的比例积分控制器，以实现在钻进期间保持钻压恒定的技术效果。

Description

自动送钻控制系统

技术领域

本申请涉及钻机送钻领域，更具体地，涉及使用无传感器的三环反馈控制来实现钻机自动送钻的自动送钻控制系统。

背景技术

在例如油气勘探开发的钻机钻进过程中，为了实现钻机的送钻，通常由司钻手动控制绞车刹把，使钻机的钻头逐步下降。具体来说，司钻需要肉眼监控绞车死绳上的拉力传感器101’(如图1所示)的示数，根据绳拉力来控制绞车刹把给进，从而控制钻头的下放。然而，在这种情况下，钻头上的钻压主要取决于司钻的经验，不准确的钻压将极大地增加钻头与岩石间的磨损，导致钻头的服务寿命将被缩短。另一方面，不间断的人工操作容易导致司钻疲劳，而且人工操作使得钻头难以保持恒定的穿进速度，从而影响生产进展。

实用新型内容

本申请鉴于上述问题而提出，本申请的主要目的在于提供一种自动送钻控制系统，以至少解决现有技术中难以在钻机钻进过程中保持钻头处的钻压恒定的技术问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种自动送钻控制系统，用于控制电机的转速，所述电机用于驱动钻机的钻头的上提或下放，所述自动送钻控制系统包括：转速闭环控制单元，所述转速闭环控制单元的输入端接收测量的电机的实际转速和所述电机的设定转速，所述转速闭环控制单元的输出端输出与所述设定转速和所述实际转速之差相对应的设定电流；电流闭环控制单元，所述电流闭环控制单元的输入端连接到所述转速闭环控制单元的输出端和第一外部输入以接收所述设定电流和测量的所述电机的实际电流，所述电流闭环控制单元的输出端输出与所述设定电流和所述实际电流之差相对应的电机端电压及频率，所述电机端电压及频率用于调整所述电机的转速；其中，所述自动送钻控制系统还包括钻压闭环控制单元，所述钻压闭环控制单元包括：第一加法器，所述第一加法器的输入端连接到第二外部输入和第三外部输入以接收所述钻头的给定钻压和计算的所述钻头的实际钻压，所述第一加法器输出所述给定钻压和所述实际钻压之间的钻压差；以及第一比例积分控制器，所述第一比例积分控制器的输入端连接到所述第一加法器的输出端以接收所述钻压差，所述第一比例积分控制器将所述钻压差随时间积分并生成与所述钻压差相对应的所述电机的所述设定转速，并经由输出端将生成的所述电机的所述设定转速输出到所述转速闭环控制单元的输入端。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述钻压闭环控制单元还包括：第一限幅器，所述第一限幅器的输入端连接到所述第一比例积分控制器的输出端以接收所述电机的所述设定转速，所述第一限幅器对所述设定转速进行限幅以使限幅后的所述设定转速不超过所述电机的最大允许转速，并经由输出端将限幅后的所述设定转速输出到所述转速闭环控制单元的输入端。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述自动送钻控制系统还包括：光电编码器，设置在所述电机的输出轴上以用于测量所述电机的所述实际转速，所述光电编码器的输出端连接到所述转速闭环控制单元的输入端。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述钻头的实际钻压根据所述电机的测量的实际电压、测量的所述实际电流、所述实际转速、所述钻头的深度、以及所述钻机的钻杆重量来计算，并且所述钻头的给定钻压是一预设值。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述第二外部输入包括来自外部存储器的输入，所述第三外部输入包括来自外部计算单元的输入，所述第一加法器的输入端包括正输入端和负输入端，所述正输入端连接到所述第二外部输入以接收由外部存储器输出的所述钻头的给定钻压，所述负输入端连接到所述第三外部输入以接收从所述外部计算单元输出的所述钻头的实际钻压。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述第一外部输入包括来自电流传感器的输入，所述电流传感器被配置为测量所述电机的所述实际电流。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述转速闭环控制单元包括：第二加法器，所述第二加法器的输入端连接到所述钻压闭环控制单元的输出端以接收所述电机的设定转速，所述第二加法器的输入端还接收测量的所述电机的实际转速，所述第二加法器计算所述电机的设定转速和测量的所述电机的实际转速之间的转速差；第二比例积分控制器，所述第二比例积分控制器的输入端连接到所述第二加法器的输出端以接收所述转速差，所述第二比例积分控制器对接收的所述转速差随时间积分并生成与所述转速差相对应的设定转矩；第二限幅器，所述第二限幅器的输入端连接到所述第二比例积分控制器的输出端以接收所述设定转矩，所述第二限幅器对所述设定转矩进行限幅以使限幅后的所述设定转矩不超过所述电机的最大允许转矩；以及观测器，所述观测器的输入端连接到所述第二限幅器的输出端以接收限幅后的所述设定转矩，所述观测器将限幅后的所述设定转矩转换为对应的所述设定电流，所述观测器的输出端作为所述转速闭环控制单元的输出端输出所述设定电流。

进一步地，根据本申请的一个实施例，所述电流闭环控制单元包括：第三加法器，所述第三加法器的输入端连接到所述转速闭环控制单元的输出端和所述第一外部输入以接收所述设定电流和测量的所述电机的所述实际电流，所述第三加法器计算所述设定电流和测量的所述电机的实际电流之间的电流差；和第三比例积分控制器，所述第三比例积分控制器的输入端连接到所述第三加法器的输出端以接收所述电流差，所述第三比例积分控制器对接收的所述电流差随时间积分并生成与所述电流差相对应的所述电机端电压及频率，第三比例积分控制器的输出端连接到所述电机以输出所述电机端电压及频率。

在本申请实施例中，提供了一种自动送钻控制系统，该自动送钻控制系统用于控制电机的转速，电机用于驱动钻机的钻头的上提或下放，自动送钻控制系统包括：转速闭环控制单元，所述转速闭环控制单元的输入端接收测量的电机的实际转速和所述电机的设定转速，所述转速闭环控制单元的输出端输出与所述设定转速和所述实际转速之差相对应的设定电流；电流闭环控制单元，所述电流闭环控制单元的输入端连接到所述转速闭环控制单元的输出端和第一外部输入以接收所述设定电流和测量的所述电机的实际电流，所述电流闭环控制单元的输出端输出与所述设定电流和所述实际电流之差相对应的电机端电压及频率，所述电机端电压及频率用于调整所述电机的转速；其中，所述自动送钻控制系统还包括钻压闭环控制单元，所述钻压闭环控制单元包括：第一加法器，所述第一加法器的输入端连接到第二外部输入和第三外部输入以接收所述钻头的给定钻压和计算的所述钻头的实际钻压，所述第一加法器输出所述给定钻压和所述实际钻压之间的钻压差；以及第一比例积分控制器，所述第一比例积分控制器的输入端连接到所述第一加法器的输出端以接收所述钻压差，所述第一比例积分控制器将所述钻压差随时间积分并生成与所述钻压差相对应的所述电机的所述设定转速，并经由输出端将生成的所述电机的所述设定转速输出到所述转速闭环控制单元的输入端，以至少解决现有技术中难以实现在钻机钻进过程中保持钻头处的钻压恒定的问题，从而实现在钻进过程中保持钻头处的钻压恒定，从而极大地提高钻进生产率，延长钻头服务寿命，同时减轻司钻操作负担的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中人工操作的钻机的提升系统的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的自动送钻控制系统的结构框图；以及

图3是根据本申请实施例的自动送钻控制系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

101’： 拉力传感器

100： 自动送钻控制系统

110： 转速闭环控制单元

111： 第二加法器

112： 第二比例积分控制器

113： 第二限幅器

114： 观测器

120： 电流闭环控制单元

121： 第三加法器

122： 第三比例积分控制器

130： 钻压闭环控制单元

131： 第一加法器

132： 第一比例积分控制器

133： 第一限幅器

140： 测速单元

141： 光电编码器

150： 电压频率控制单元

160： 励磁控制单元

210： 电机

IN1： 第一外部输入

IN2： 第二外部输入

IN3： 第三外部输入

具体实施方式

为使需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本申请。

本申请的目的在于提供一种用于钻机的自动送钻控制系统，该系统用于控制钻机钻头的钻压自动维持在合理作业的钻压水平，从而解放了人力操作的劳动强度并提高了钻进效率。具体地，该系统能够在无需钻头处的钻压传感器和绞车死绳处的拉力传感器的情况下，利用三环反馈控制来精确地控制连接到钻头的电机的转速，以使钻头钻压维持在合理水平，从而提高钻进生产率，延长钻头服务寿命，同时减轻司钻的操作负担。

在本申请中，电机通过驱动钻机的绞车的上提或下放来驱动钻机的钻杆及钻头的上提或下放。电机的转速包括旋转速率和旋转方向。例如，顺时针旋转可以对应于钻头的下放，此时，逆时针旋转可以对应于钻头的上提。旋转方向可以由自动送钻控制系统输出的电压的相序来表示。

图2是根据本申请实施例的自动送钻控制系统的结构框图。如图2所示，自动送钻控制系统100包括：转速闭环控制单元110，其输入端接收测量的电机的实际转速和电机的设定转速，其输出端输出与设定转速和实际转速之差相对应的设定电流；电流闭环控制单元120，其输入端连接到转速闭环控制单元110的输出端和第一外部输入以接收该设定电流和测量的电机的实际电流，其输出端输出与设定电流和实际电流之差相对应的电机端电压及频率，该电机端电压及频率用于调整电机的转速；以及钻压闭环控制单元130，其输入端连接到第二外部输入和第三外部输入以接收钻头的给定钻压和计算的钻头的实际钻压，其输出端连接到转速闭环控制单元的输入端以输出与给定钻压和实际钻压之差相对应的电机的设定转速。

以此方式，自动送钻控制系统100可以作为关于送钻电机的三环自动控制系统。在三环自动控制中，内环为转速闭环控制单元和电流闭环控制单元，外环为新增的钻压闭环控制单元。利用三环闭环控制，可以通过控制电机端电压和频率来控制电机的转速(电机转速V由电机频率F决定，根据φ＝U/F，φ为磁通，其是一预设值，电机频率F由电机电压U决定，因此控制了电机端电压和/或频率就控制了电机的转速)。电机的转速又决定了钻杆及钻头的上提或下放，其进而可以决定钻头处的钻压。

根据本申请的自动送钻控制系统100除了经由第二外部输入预先获取给定钻压外，在控制时还经由第三外部输入实时地获取计算的钻头的实际钻压，经由光电编码器实时地获取测量的电机的实际转速，并经由第一外部输入实时地获取测量的电机的实际电流。通过对这些信号进行实时的三环自动控制，电机的转速可被控制为使得钻头的给定钻压和计算的实际钻压之差趋于0。即，钻头处的实际钻压维持在以给定钻压为中心的合理范围内，由此提高钻进生产率、延长钻头服务寿命、并减轻人力负担。

具体地，第一外部输入可以是来自电流传感器的输入。电流传感器实时地测量电机的实际电流并将其输出到电流闭环控制单元的输入端(具体为其中的加法器的负输入端)。第二外部输入可以是来自外部存储器的输入或来自外部用户界面的输入。即给定钻压可以预先存储在外部存储器中，或由用户经由外部用户界面输入。例如，可以由用户经由外部用户界面输入诸如50bar的给定钻压。

第三外部输入可以是来自外部计算单元(即钻压计算单元)的输入。该钻压计算单元实现对实际钻压的实时计算。钻压计算单元根据电机的测量的实际电压、测量的实际电流、测量的实际转速、钻头的深度、以及钻机的钻杆重量，利用特定算法计算钻头处的实时钻压。在示例性实施例中，钻头的实际钻压可以是钻机的钻具的总重减去钻具在钻井中的浮力、再减去绞车的拉力所得的值。钻压计算单元可以在可编程逻辑控制器(PLC)或工业控制计算机(IPC)中实现。

由于实际钻压是根据电机的测量的实际作电压、测量的实际电流、测量的实际转速、钻头的深度、以及钻机的钻杆重量通过实时计算得出，因此无需使用昂贵的传感器测量钻头处的实际钻压，也无需使用传感器通过测量绞车死绳的拉力来估算钻头的实际钻压。因此可以降低由传感器带来的成本，并简化自动送钻控制系统组成。

根据本申请的自动送钻控制系统可以以变频器实现。

图3是根据本申请实施例的自动送钻控制系统的结构示意图。图3示出了图2所示的自动送钻控制系统100的拓扑图。以下将参考图2和图3对自动送钻控制系统100的结构及操作进行详细描述。

如图3所示，钻压闭环控制单元130包括：第一加法器131，其输入端连接到第二外部输入和第三外部输入以接收钻头的给定钻压和计算的钻头的实际钻压，第一加法器131计算给定钻压和实际钻压之间的钻压差并输出该钻压差；以及第一比例积分控制器132，其输入端连接到第一加法器的输出端以接收该钻压差，第一比例积分控制器132将钻压差随时间积分并生成与钻压差相对应的电机的设定转速，并将生成的电机的设定转速输出到转速闭环控制单元110的输入端。

在本申请实施例中，由第一比例积分控制器132生成的电机的设定转速与钻压差相对应。更具体地，电机的设定转速与钻压差成正比。例如，当实际钻压为0时，此时钻压差为最大值(即给定钻压)，第一比例积分控制器生成的设定转速也为最大值。

在本申请实施例中，钻压闭环控制单元130还可以包括第一限幅器133。第一限幅器133连接在第一比例积分控制器132的输出端和转速闭环控制单元110的输入端之间，第一限幅器133对从第一比例积分控制器132接收的设定转速进行限幅以使限幅后的设定转速不超过电机的最大允许转速，并且将限幅后的设定转速输出到转速闭环控制单元110的输入端。

具体地，第一限幅器133可以根据预先设定的电机的最大正向(例如对应于钻头的上提方向)转速和最大反向(例如对应于钻头的下放方向)转速，将设定转速限制在电机的允许转速范围内，以保证电机安全。

在本申请实施例中，转速闭环控制单元110包括顺序连接的第二加法器111、第二比例积分控制器112、第二限幅器113、以及观测器114。第二加法器111的输入端作为转速闭环控制单元110的输入端，并且观测器114的输出端作为转速闭环控制单元110的输出端。具体地，第二加法器111的输入端包括正输入端和负输入端。第二加法器111的正输入端接收由钻压闭环控制单元130的第一限幅器133输出的电机210的设定转速，且负输入端接收由测速单元140输出的测量的电机的实际转速。第二加法器111的输出端连接到第二比例积分控制器112，并向其输出设定转速和实际转速之间的转速差。第二比例积分控制器112对接收的转速差随时间进行积分，生成与转速差相对应的设定转矩，并将生成的设定转矩输出到第二限幅器113。第二限幅器113对设定转矩进行限幅，以限制设定转矩不超过电机的最大允许转矩。第二限幅器113的输出端连接到观测器114的输入端。观测器114接收限幅后的设定转矩，将限幅后的设定转矩转换为对应的设定电流，并将转换后的设定电流输出到电流闭环控制单元120的输入端。具体地，观测器114将限幅后的设定转矩除以电机的磁通，以得到对应的电机的设定电流。

在本申请实施例中，电流闭环控制单元120包括顺序连接的第三加法器121和第三比例积分控制器122。第三加法器121的输入端作为电流闭环控制单元120的输入端，第三比例积分控制器122的输出端作为电流闭环控制单元的输出端。第三加法器121的正输入端接收来自观测器114的设定电流，负输入端连接到第一外部输入以接收测量的电机的实际电流。第三加法器121将电机的设定电流与电机的实际电流之间的电流差输出到第三比例积分控制器122。第三比例积分控制器122对接收的电流差随时间积分，并生成与电流差相对应的电机端电压及频率。电机端电压及频率用于调整电机的转速。

在本申请实施例中，自动送钻控制系统100还可以包括电压频率控制单元150和励磁控制单元160。从电流闭环控制单元120输出的电机端电压及频率表示针对电机转速的调整。电压频率控制单元150用于将该电机端电压叠加在电机的工作电压上，相应地将电机频率叠加在电机的工作频率上，并将最终的电机端电压和频率提供给电机210。励磁控制单元160用于控制电机的励磁，以使电机气隙磁通一直处于电机效率最高区间。电压频率控制单元150和励磁控制单元160可在现有技术的变频器中实现，其具体操作在此不再赘述。

在本申请实施例中，自动送钻控制系统还包括测速单元140。测速单元140可以包括光电编码器141及对应的计数器和计算器。光电编码器141设置在电机210的输出轴上以用于测量电机210的实际转速，光电编码器141的输出端连接到转速闭环控制单元110的输入端。

具体地，光电编码器141在电机210旋转时输出与电机转速对应的脉冲信号。计数器的输入端连接到光电编码器141的输出端以对特定时间内从光电编码器输出的脉冲个数进行计数。计算器接收计数器的输出，通过计算单位时间内从光电编码器141输出的脉冲个数来得到电机的实际转速，并将测量的实际转速输出到转速闭环控制单元110的输入端。另外，测速单元140还将测量的电机210的实际转速从另一路输出，以用于进行电机的相位偏差校正(如图3中的测速单元140右侧的连接结构所示)。

在本申请实施例中，电机可以是三相电机。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本申请的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。本专利申请中关于人的名词和代词不限于具体性别。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.自动送钻控制系统，用于控制电机(210)的转速，所述电机用于驱动钻机的钻头的上提或下放，其特征在于，所述自动送钻控制系统(100)包括：

转速闭环控制单元(110)，所述转速闭环控制单元的输入端接收测量的所述电机(210)的实际转速和所述电机(210)的设定转速，所述转速闭环控制单元的输出端输出与所述设定转速和所述实际转速之差相对应的设定电流；

电流闭环控制单元(120)，所述电流闭环控制单元的输入端连接到所述转速闭环控制单元(110)的输出端和第一外部输入以接收所述设定电流和测量的所述电机的实际电流，所述电流闭环控制单元的输出端输出与所述设定电流和所述实际电流之差相对应的电机端电压及频率，所述电机端电压及频率用于调整所述电机的转速；

钻压闭环控制单元(130)，包括：

第一加法器(131)，所述第一加法器的输入端连接到第二外部输入和第三外部输入以接收所述钻头的给定钻压和计算的所述钻头的实际钻压，所述第一加法器(131)输出所述给定钻压和所述实际钻压之间的钻压差；

第一比例积分控制器(132)，所述第一比例积分控制器的输入端连接到所述第一加法器(131)的输出端以接收所述钻压差，所述第一比例积分控制器(132)将所述钻压差随时间积分并生成与所述钻压差相对应的所述电机的所述设定转速，并经由输出端将生成的所述电机的所述设定转速输出；以及

第一限幅器(133)，所述第一限幅器的输入端连接到所述第一比例积分控制器(132)的输出端以接收所述电机(210)的所述设定转速，所述第一限幅器对所述设定转速进行限幅以使限幅后的所述设定转速不超过所述电机的最大允许转速，并经由输出端将限幅后的所述设定转速输出到所述转速闭环控制单元(110)的输入端；

其中，所述转速闭环控制单元(110)包括：

第二加法器(111)，所述第二加法器的输入端连接到所述钻压闭环控制单元(130)的输出端以接收所述电机的设定转速，所述第二加法器的输入端还接收测量的所述电机的实际转速，所述第二加法器计算所述电机的设定转速和测量的所述电机的实际转速之间的转速差；

第二比例积分控制器(112)，所述第二比例积分控制器的输入端连接到所述第二加法器的输出端以接收所述转速差，所述第二比例积分控制器对接收的所述转速差随时间积分并生成与所述转速差相对应的设定转矩；

第二限幅器(113)，所述第二限幅器的输入端连接到所述第二比例积分控制器的输出端以接收所述设定转矩，所述第二限幅器对所述设定转矩进行限幅以使限幅后的所述设定转矩不超过所述电机的最大允许转矩；以及

观测器(114)，所述观测器的输入端连接到所述第二限幅器的输出端以接收限幅后的所述设定转矩，所述观测器将限幅后的所述设定转矩转换为对应的所述设定电流，所述观测器的输出端作为所述转速闭环控制单元(110)的输出端输出所述设定电流；

其中，所述电流闭环控制单元(120)包括：

第三加法器(121)，所述第三加法器的输入端连接到所述转速闭环控制单元(110)的输出端和所述第一外部输入以接收所述设定电流和测量的所述电机的所述实际电流，所述第三加法器计算所述设定电流和测量的所述电机的实际电流之间的电流差；和

第三比例积分控制器(122)，所述第三比例积分控制器的输入端连接到所述第三加法器的输出端以接收所述电流差，所述第三比例积分控制器对接收的所述电流差随时间积分并生成与所述电流差相对应的所述电机端电压及频率，所述第三比例积分控制器的输出端连接到所述电机以输出所述电机端电压及频率。

2.根据权利要求1所述的自动送钻控制系统，其特征在于，所述自动送钻控制系统(100)还包括：

光电编码器(141)，设置在所述电机(210)的输出轴上以用于测量所述电机的所述实际转速，所述光电编码器的输出端连接到所述转速闭环控制单元(110)的输入端。

3.根据权利要求1所述的自动送钻控制系统，其特征在于，

所述钻头的实际钻压根据所述电机的测量的实际电压、测量的所述实际电流、所述实际转速、所述钻头的深度、以及所述钻机的钻杆重量来计算，并且所述钻头的给定钻压是一预设值。

4.根据权利要求1所述的自动送钻控制系统，其特征在于，所述第二外部输入包括来自外部存储器的输入，所述第三外部输入包括来自外部计算单元的输入，

所述第一加法器的输入端包括正输入端和负输入端，所述正输入端连接到所述第二外部输入以接收由外部存储器输出的所述钻头的给定钻压，所述负输入端连接到所述第三外部输入以接收从所述外部计算单元输出的所述钻头的实际钻压。

5.根据权利要求1所述的自动送钻控制系统，其特征在于，所述第一外部输入包括来自电流传感器的输入，所述电流传感器被配置为测量所述电机的所述实际电流。