張國山，叢萬生

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

1 系統(tǒng)概況

隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，自動送鉆技術(shù)在鉆機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。自動送鉆系統(tǒng)按控制方式可分為機(jī)械式、氣動式、液動式、電動式、計(jì)算機(jī)式。按控制鉆進(jìn)參數(shù)可分為恒鉆壓控制，恒鉆速控制，恒扭矩控制，鉆壓、鉆速乘積值控制，其中計(jì)算機(jī)式恒鉆壓控制由于具有軟件編程的靈活性，控制算法可優(yōu)化選擇，能不斷提高控制品質(zhì)等特點(diǎn)，成為自動送鉆技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。某公司自2002年以來在變頻系列鉆機(jī)上開發(fā)應(yīng)用了自動送鉆系統(tǒng)，該系統(tǒng)均采用單電機(jī)自動送鉆模式，而在ZJ90/6750DB鉆機(jī)自動送鉆系統(tǒng)上充分考慮到絞車總體的對稱性，改變了以往單電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)的模式，采用雙電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)任何一套單電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套單電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余性、可靠性及安全性。該系統(tǒng)由一臺上位工控機(jī)、一臺控制器、兩臺變頻器、兩臺變頻電機(jī)、鉆井參數(shù)傳感變送器及電纜等附件組成，通過對鉆壓和鉆具扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行自動鉆井，有效地提高了鉆井速度及井身質(zhì)量，減少了鉆頭磨損，并可監(jiān)測鉆進(jìn)過程的鉆壓、鉆速、游車位置、泵壓等參數(shù)；系統(tǒng)設(shè)有自動報(bào)警，當(dāng)雙電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可切換為手動人工送鉆控制，從而保證了鉆井的連續(xù)性及可靠性；系統(tǒng)還具有防碰功能，自動控制游車減速和軟停，緊急故障剎車等功能，有效地防止鉆機(jī)溜鉆、卡鉆等事故的發(fā)生；此外系統(tǒng)還具有控制精度準(zhǔn)確、操作方便、鉆井效率高、運(yùn)行安全可靠及安裝簡單等特點(diǎn)，并能完成鉆機(jī)自動/手動送鉆、起放井架、應(yīng)急提升和活動鉆具等功能。

2 系統(tǒng)工作原理及過程

（1）自動送鉆系統(tǒng)工作原理

圖1 自動送鉆工作原理圖

如圖1所示為自動送鉆系統(tǒng)工作原理圖。在鉆井過程中，鉆壓變化信號通過死繩固定器作用于壓力傳感器，輸出液壓變化信號，通過壓力變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，該信號再通過選擇單元進(jìn)行判斷，正常范圍內(nèi)的鉆壓信號采樣值與鉆壓給定值進(jìn)行比較按一定的控制方法進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制量信號，控制變頻調(diào)速單元，既而控制送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過傳動裝置最終控制大鉤下放快慢，完成恒鉆壓閉環(huán)控制。如果采樣后的鉆壓信號經(jīng)選擇單元后為異常鉆壓信號，則由選擇單元自動給定一個(gè)下放速度，直接輸入到速度控制單元進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制。直到鉆壓重新恢復(fù)正常。當(dāng)送鉆控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)還可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)由自動送鉆切換到手動送鉆，送鉆系統(tǒng)仍能繼續(xù)正常工作，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

該系統(tǒng)增設(shè)了測速編碼器構(gòu)成的局部負(fù)反饋回路，將反映送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號反饋到速度控制單元的輸入端。速度反饋回路有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的非線性，提高送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度。

此外該系統(tǒng)具有上位工控機(jī)監(jiān)控功能。通過對鉆壓、鉆具扭矩、鉆具轉(zhuǎn)速、泥漿泵泵壓和游車位置進(jìn)行監(jiān)控，可以顯示、貯存、打印鉆井的各項(xiàng)參數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)報(bào)警及緊急制動等功能。

（2）自動送鉆系統(tǒng)工作過程［1]

自動送鉆工作過程如圖2所示。

假設(shè)自動送鉆的工作點(diǎn)為M點(diǎn)。當(dāng)鉆壓信號減少時(shí)，指重表壓力傳感器輸出增大，而壓力變送器的輸出信號也隨之增大，通過與給定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，控制單元輸出信號增大，從而使工作點(diǎn)由M點(diǎn)移到了A點(diǎn)；由于控制單元輸出信號增大，控制變頻器輸出信號也增大，使得送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，滾桶加快旋轉(zhuǎn)，加快了送鉆速度，這樣速度反饋?zhàn)兓啃盘栞敵鲈龃螅沟霉ぷ鼽c(diǎn)由A點(diǎn)移到了B點(diǎn)；與此同時(shí)，由于送鉆轉(zhuǎn)速加快，使鉆壓信號增大，壓力傳感變送器信號也隨之減小，通過與給定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，控制單元輸出信號減小，使得工作點(diǎn)由B點(diǎn)移到了C點(diǎn)；由于輸出控制信號減小，使得送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，造成速度反饋?zhàn)兓盘栞敵鰷p小，從而使工作點(diǎn)由C點(diǎn)移到了M點(diǎn)。這樣就完成了恒鉆壓自動送鉆的基本過程（MABCM）。同理，當(dāng)鉆壓信號增大時(shí)，也可以完成恒鉆壓自動送鉆的基本過程（MDEFM）。當(dāng)然四邊形MABC（或MDEF）越小越好。這樣鉆壓的波動小，鉆井精度也會提高。

圖2 自動送鉆工作過程

3 系統(tǒng)主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

①主控參數(shù)：鉆壓（KN） 100KN-300KN

鉆速（m/h） 0.1m/h-36m/h

②副控參數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速 4 r/min-1500r/min

③恒鉆壓送鉆精度：給定鉆壓±2.5KN

④恒鉆速送鉆精度：給定轉(zhuǎn)速±0.02%

⑤電源電壓與頻率：380VAC±15%50HZ±6%

⑥環(huán)境溫度：-35℃—+50℃

⑦工作方式：系統(tǒng)具有兩組變頻器及變頻電機(jī)互為冗余，并具有自動/手動切換功能，從而提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性。

⑧系統(tǒng)具有觸摸屏或鍵盤輸入功能，可對控制參數(shù)及給定值等進(jìn)行調(diào)整。

⑨系統(tǒng)具有顯示與記錄功能，并對鉆壓、鉆具扭矩、鉆具轉(zhuǎn)速、泥漿泵泵壓及游車位置超限進(jìn)行報(bào)警（聲、光報(bào)警）和緊急制動功能。

⑩系統(tǒng)具有大屏幕彩色顯示，全圖形人機(jī)操作界面。

4 系統(tǒng)控制方法［2]

目前自動送鉆控制系統(tǒng)采用的控制方法一般均為傳統(tǒng)的PID控制方法。但是由于該系統(tǒng)的控制對象（鉆壓）受地質(zhì)構(gòu)造、巖石性能、泥漿性質(zhì)、井壁阻力等因素影響，井下諸多已知或未知因素給建立合理的數(shù)學(xué)模型帶來較大困難。

同時(shí)鉆機(jī)工作本身也存在一定的非線性，因此自動送鉆系統(tǒng)屬于一個(gè)時(shí)滯、時(shí)變的非線性系統(tǒng)，要獲得精確的數(shù)學(xué)模型很困難，因此采用傳統(tǒng)的PID控制方法會造成很大的難度。而模糊控制方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，它是把人的經(jīng)驗(yàn)定量化即數(shù)字化，使之能準(zhǔn)確模擬人的思維進(jìn)行操作。該控制器結(jié)構(gòu)上采用二維模糊控制器即以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化作為輸出量。其控制方法原理圖如圖3所示。

首先控制器根據(jù)采樣所獲得的信號計(jì)算出輸入信號的誤差及誤差的變化。再將這兩種信號進(jìn)行模糊化處理，把精確量變成模糊量，然后根據(jù)模糊輸入量和模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理合成輸出控制量（模糊量），最后將輸出控制量非模糊化為精確量加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上對被控對象進(jìn)行控制作用。

圖3 控制方法原理圖

5 系統(tǒng)工藝過程

自動送鉆系統(tǒng)工藝過程如圖4所示。

圖4 自動送鉆系統(tǒng)工藝過程圖

6 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)由信號傳感變送單元、控制單元、變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元和上位工控機(jī)等構(gòu)成。

6.1 信號傳感變送單元

該單元由指重/鉆壓、鉆具扭矩、鉆具轉(zhuǎn)速、泥漿泵泵壓和游車位置傳感變送器組成。其中指重/鉆壓、鉆具扭矩、泥漿泵泵壓傳感變送器輸出為模擬4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，而鉆具轉(zhuǎn)速和游車位置傳感變送器輸出信號為數(shù)字脈沖信號。

6.2 控制單元

控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)鉆機(jī)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)的采集和顯示，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來控制鉆機(jī)的運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)可選用PLC S7-300作為控制器。

6.3 變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元

變頻器采用45kW變頻器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用37kW交流變頻防爆電機(jī)。

由控制單元輸出4-20mA的電流信號進(jìn)入變頻器，控制變頻器輸出電壓為0-400V、頻率為0-100Hz的信號對鉆機(jī)送鉆電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，使電機(jī)輸出一定的轉(zhuǎn)速來控制送鉆速度。

6.4 上位工控機(jī)單元

該單元硬件基本配置為：P4/2.4G，內(nèi)存512M，硬盤40G以上，上位機(jī)操作系統(tǒng)采用WindowXP以及各種監(jiān)控輔助軟件。其主要功能為顯示鉆機(jī)工作所需要的各種運(yùn)行參數(shù)及工作狀態(tài)，對鉆機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、參數(shù)設(shè)置、資料查詢和打印等功能。

7 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)流程

自動送鉆系統(tǒng)軟件程序主要包括：主程序、顯示子程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序、速度控制子程序、模糊化子程序、模糊算法推理子程序、報(bào)警及緊急制動子程序等。其主程序流程框圖如圖5所示。

8 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

首先將可靠性及安全性放在首位。采用經(jīng)過鉆井實(shí)踐證明先進(jìn)、實(shí)用的電氣產(chǎn)品及先進(jìn)技術(shù)。系統(tǒng)操作簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，維修方便。符合國家有關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)和鉆機(jī)生產(chǎn)工藝要求。系統(tǒng)具有完善的安全聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)施，保證鉆井作業(yè)和設(shè)備的安全高效運(yùn)行。

9 技術(shù)難點(diǎn)及解決問題的方法

由于采用精確數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論難以對自動送鉆這個(gè)時(shí)滯、時(shí)變的非線性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。因而采用模糊控制方式以求獲得良好的控制效果。

近幾年來，在7000m（含7000m）以下系列交流變頻鉆機(jī)上采用的自動送鉆均為單電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)，而ZJ90DB鉆機(jī)采用的是雙電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)，該系統(tǒng)與單電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)相比，要求系統(tǒng)中的兩臺電機(jī)在工作中必須保持同步性，而單電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)不存在這個(gè)問題，這就對雙電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)在控制方面提出了更高的要求。解決這一問題的方法是對雙電機(jī)采用主從控制方法，首先要保證兩臺送鉆電機(jī)具有相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)負(fù)載率及轉(zhuǎn)矩均衡。

10 結(jié)論

智能自動送鉆系統(tǒng)是鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化發(fā)展的一個(gè)重要方面。本方案將模糊控制及主從控制應(yīng)用于自動送鉆系統(tǒng)中，除具備一般自動送鉆的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)。

（1）將模糊控制算法應(yīng)用于該控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PID控制算法相比，在一定程度上改善了系統(tǒng)控制效果，其快速性、精確性及穩(wěn)定性都有所加強(qiáng)。

（2）通過可編程處理器作為控制系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了微機(jī)對控制過程的自檢、監(jiān)控、顯示、參數(shù)設(shè)置及修改、數(shù)據(jù)處理及安全報(bào)警等功能，并且具有操作簡單，可視化顯著等特點(diǎn)。

（3）系統(tǒng)由兩組變頻器及送鉆電機(jī)互為冗余，并具有自動/手動切換功能，能夠?qū)崿F(xiàn)手動與自動之間的切換，從而提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性。

圖5 主程序流程框圖

［1] 張連山.國內(nèi)外自動送鉆裝置現(xiàn)狀與發(fā)展［J] .國外石油機(jī)械，1996，（3）：1-8.

［2] 李士勇.模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用［M] .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.