电动钻机转盘柔性扭矩控制系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，包括触摸屏或带显示屏的操作面板，它与可编程控制器ＰＬＣ电连接，用于设定转盘速度给定值、启动／停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；可编程控制器ＰＬＣ，计算并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速，从而调节转盘的扭矩。该系统能够使转盘电机的转速随粘滑扭矩的大小做实时的调整，有效地降低了转盘扭矩的变化频率和粘滑扭矩的振幅，减少了钻柱的疲劳破坏程度，降低了因钻柱疲劳发生井下事故的概率。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于(石油)钻井
，具体涉及钻井作业时钻 柱发生粘滑扭矩振动后所采用的钻机转盘柔性扭矩控制系统。技术背景 目前，在石油电动钻机的转盘控制系统中，转盘的速度依据钻井工艺要求设定后，钻柱的扭矩多依靠司钻的经验，调节钻头的下放速度来控制 钻压达到调节钻柱扭矩的目的，这样操作钻柱的扭矩调节实时性差，容易引起 跳钻、卡钻等现象，加剧了钻柱的疲劳程度，甚至造成钻柱或下部钻具扭断的 后果。钻井过程中，钻柱的振动是不可避免的，轻微的横向、轴向及扭矩振动 不影响钻井正常作业，而对于大位移井直井段或直井所产生的粘滑扭矩振动， 不仅影响钻井速度，还容易使钻柱疲劳，加速钻具破坏程度，甚至诱发钻井事 故。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种当发生粘滑振动时，利用实时检测 的转盘扭矩，作为负反馈去扰动转盘的速度给定，以达到减小、消除钻柱粘滑 振动的电动钻机转盘柔性扭矩控制系统。为实现上述目的，本技术釆取的技术方案是一种实现上述电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的系统，其特征在于该系统 包括一个触摸屏或者一个带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动/停 止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器PLC电连接，用 于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；一个可编程控制器PLC，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板 (AI)采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实际值，计算出n次转盘扭矩 实际值的算术平均值，其中10《n《20;并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比 较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为 转盘调速器的速度给定信号；一个转盘调速器，包括速度调节器、扭矩调节器和功率转换器，它接收来 自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速；一个转盘主电机，在转盘调速器的控制下升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；一个速度反馈编码器，安装在转盘主电机轴上，向可编程控制器PLC实时 反馈转盘主电机的实际转速。本技术提供的上述电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，当钻柱发生粘滑 扭矩振动时，能够使转盘电机的转速随粘滑扭矩的大小做实时的调整，有效地 降低了转盘扭矩的变化频率和粘滑扭矩的振幅，减少了钻柱的疲劳破坏程度， 降低了因为钻柱疲劳发生井下事故的概率。附图说明 图l为电动钻机转盘柔性扭矩控制系统实施例的结构示意框图具体实施方式如图1所示，该电动钻机转盘柔性扭矩控制系统主要由触摸 屏(或操作面板)、可编程控制器PLC 204、转盘调速器、扭矩传感器208、速 度反馈编码器209及转盘主电机210组成。为实现转盘柔性扭矩控制功能，触摸屏上设置了速度给定键201、启动/停止转盘柔性控制按钮202、粘滑振动量 输出域203;可编程控制器PLC 204,接收来自触摸屏上的速度给定键201、启 动/停止转盘柔性控制按钮202的指令，计算并显示粘滑振动量数值；安装在转 盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧的扭矩传感器208，实时采集转盘扭矩的实 际值；通过可编程控制器PLC计算出钻柱粘滑振动量和转盘调速器速度给定， 分别输出给触摸屏和速度调节器205;安装在转盘主电机210轴上的速度编码器 209，实时反馈电机的实际转速；转盘调速器内部有速度调节器205、扭矩调节 器206以及功率转换器207，转盘调速器既可以是直流调速器，也可以是交流调 速器。通过可编程控制器PLC运算出的转盘调速器速度给定和速度编码器209 组成速度外环；转盘调速器中的速度调节器的输出和扭矩传感器208组成扭矩 内环，实时地调整调制波的频率，结合载波特性，有序地向功率转换器207中 的功率器件发出通和断的动作指令，使电机的电源的频率和幅值实时 调整，以实现转盘主电机210的调速，达到减少和消除钻柱粘滑扭矩振动的目 的。功率转换器207是转盘调速器(直流调速器或者交流调速器)的功率器件， 且集成在转盘调速柜中。所述扭矩传感器208也可以由电流传感器代替，只是由电流传感器实时采 集转盘电流实际值，可编程控制器PLC通过其模拟量输入模板AI采集由转盘电 流传感器传递来的转盘电流实际值，计算出n次转盘电流实际值的算术平均值; 并比较转盘电流实际值和平均值，将比较后的偏差AI进一步转化为转盘扭矩偏 差值，作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号。其中-直流调速器中，AT二CmO)A:^CmXKfAIXAI^kAI2，式中k=CmKf， Cm为转矩常数，①为磁通，Kf为磁通系数；交流调速器中，AT= CmOAIcos^kAI，式中k-Cm①cosp， Cm转矩常数， ①为磁通，^电机转子功率因数角。上述电动钻机转盘柔性扭矩控制系统的工作过程为(1) 由扭矩传感器208实时收集转盘扭矩实际值，传递给可编程控制器PLC 204，由可编程控制器PLC 204计算出粘滑振动量并显示，粘滑振动量 =(Tmax-Tmin) /Tave，式中Tmax是最近采集的15个扭矩值数据中的最大值， Tmin为最近采集的15个扭矩值数据中的最小值，Tave为最近采集的15个扭矩 值数据的平均值。(2) 根据地质底层的特性， 一般当触摸屏中粘滑振动量的显示值》15%后， 再过10秒，如果粘滑振动量仍大于15%,系统给出是否启动转盘柔性扭矩控 制功能的信息，司钻根据当时的作业工况，适时按动触摸屏上的启动/停止转 盘柔性控制按钮202，将转盘柔性扭矩控制功能投入转盘控制系统中。(3) 启动转盘柔性扭矩控制功能后，扭矩传感器208将采集到的转盘扭矩 的实际值传递给可编程控制器PLC 204。(4) 可编程控制器PLC 204通过模拟量模板(AI)采集扭矩传感器发来的 转盘扭矩实际值Tact，每个扫描周期采集一次转盘扭矩实际值Tact，实时采集 启动转盘柔性控制功能后的最近10次数据，求算术平均值Tave。(5) 可编程控制器PLC 204计算本次扫描周期内采集的转盘扭矩实际值Tact 和计算的转盘扭矩平均值Tave的偏差值AT，计算出转盘速度给定rw与转盘扭 矩偏差值AT的差值，赋给转盘调速器速度给定n' ^，转盘调速器接收转盘调 速器速度给定n' f，分别由速度调节器205和扭矩调节器206实时地调节转盘主电机的速度和扭矩值。(6)当粘滑振动量小于15%后，再过10秒，如果粘滑振动量仍小于15%， 按下启动/停止转盘柔性控制按钮，停止转盘柔性扭矩控制功能。否则，重复循 环以上步骤。以上所述的仅是本技术的优选实施例。应当指出对于本领域的普通技 术人员来说，在本技术所提供的技术启示下，还可以做出其它等同变型和 改进，也应视为本技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，其特征在于该系统包括：　一个触摸屏或带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动／停止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器ＰＬＣ电连接，用于设定转盘速度给定值、启动／停止转盘柔性控制功 能以及显示粘滑振动量；　一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；　一个可编程控制器ＰＬＣ，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板（ＡＩ）采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实 际值，计算出ｎ次转盘扭矩实际值的算术平均值，其中１０≤ｎ≤２０；并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号；　一个转盘调速器，包括速度调节器、扭矩调节 器和功率转换器，它接收来自可编程控制器ＰＬＣ发出的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速；　一个转盘主电机，在转盘调速器的控制下升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；　一个速度反馈编码器，安装在转盘主电机轴上，向可编程控制器ＰＬＣ实时 反馈转盘主电机的实际转速。...

【技术特征摘要】
1.一种电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，其特征在于该系统包括一个触摸屏或带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动/停止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器PLC电连接，用于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；一个可编程控制器PLC，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板(AI)采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实际值，计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值，其中10≤n≤20；并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯忠奎，朱奇先，马双富，张振中，张建成，
申请(专利权)人：天水电气传动研究所有限责任公司，
类型：实用新型
国别省市：62[中国|甘肃]