DQ型頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制研究

1、題目：DQ-90型頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制研究一、一、課題意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述(一一)、課題意義：、課題意義：頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)可節(jié)省鉆井時(shí)間(20-25)，并可預(yù)防譬鉆事故的發(fā)生，用于鉆斜井，鉆高難度的定I以井時(shí)經(jīng)濟(jì)效果尤為顯著。，很多石油生產(chǎn)商甚至國(guó)外用戶(hù)拒絕購(gòu)買(mǎi)自動(dòng)化程度較高的鉆機(jī)產(chǎn)品，究其原因，既有價(jià)格上的考慮，同時(shí)也是因?yàn)槟壳暗漠a(chǎn)品還存在一定的不足，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)需求。智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用和完善，為未來(lái)無(wú)人值班技術(shù)、無(wú)人鉆井作業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。誰(shuí)率先掌握了該技術(shù)，誰(shuí)就贏得未來(lái)的鉆機(jī)市場(chǎng)。目前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體積和自身質(zhì)量較大，對(duì)頂驅(qū)的效率和成本是一個(gè)制約條件，而對(duì)于頂驅(qū)

2、的PLC控制也同樣影響著頂驅(qū)的效率和成本，因此，對(duì)頂驅(qū)的自動(dòng)化控制的研究顯得尤為重要。CanRig于1986年制造的第1臺(tái)頂驅(qū)在使用21年之后，仍然在繼續(xù)作業(yè)。CanRig頂驅(qū)具有很好的可靠性，其頂驅(qū)上安裝了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)控制、數(shù)字矢量變頻傳動(dòng)控制及數(shù)字直流傳動(dòng)的混合控制方案和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，絞車(chē)采用高精度4臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷分配控制，該系統(tǒng)能確認(rèn)頂驅(qū)零件是否需要更換或維修、或一般維修。當(dāng)用戶(hù)遇到維修問(wèn)題時(shí)，CanRig會(huì)向用戶(hù)提供一些信息以便他們能夠快速地解決問(wèn)題。(二二)、國(guó)外研究現(xiàn)狀、國(guó)外研究現(xiàn)狀目前，該公司在世界各地大約有80臺(tái)頂驅(qū)裝有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，有不同級(jí)別的服務(wù)監(jiān)控器。

3、監(jiān)控器的等級(jí)差異主要取決于各種報(bào)警的種類(lèi)和丁作數(shù)據(jù)的多少。系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)送一個(gè)郵件到鉆井承包商的維護(hù)工程師。此外，用戶(hù)可通過(guò)鐙陸一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器來(lái)隨時(shí)觀察頂驅(qū)的工作狀態(tài)。英國(guó)BP石油公司委托美國(guó)PAT公司研制了一種輕型自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)(LADS)，其新式鉆機(jī)的重量不到常規(guī)鉆機(jī)的一半，僅需1人即可在計(jì)算機(jī)控制室完成所有鉆井、起下鉆及鉆桿排放等作業(yè)。此外還有德國(guó)wirth公司、美國(guó)NOV公司、挪威MH公司、拿大Tesco公司等分別推出了一系列絞車(chē)及自動(dòng)送鉆裝置、頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置、鉆井管柱自動(dòng)化操作裝置、一體化司鉆控制系統(tǒng)等地面自動(dòng)化鉆井裝備。(三三)、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在實(shí)施國(guó)產(chǎn)項(xiàng)驅(qū)產(chǎn)業(yè)

4、化攻關(guān)項(xiàng)目伊始，北石廠便開(kāi)始了與世界一流的自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案提供商西門(mén)子公司的長(zhǎng)期合作關(guān)系，共同開(kāi)發(fā)石油鉆機(jī)交流變頻頂部驅(qū)動(dòng)裝置，為北石廠提供西門(mén)子頂驅(qū)電控系統(tǒng)解決方案。目前西門(mén)子已順利交付上百套DQ70BS型、DQ90BSC型和DQ40BSC型交流頂部驅(qū)動(dòng)裝置的電控系統(tǒng)。二、課題研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性二、課題研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問(wèn)題問(wèn)題(一一)、課題研究目標(biāo)：、課題研究目標(biāo)：本課題是以實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)的操作安全方便，生產(chǎn)效率高的機(jī)電一體化為目標(biāo)，采用西門(mén)子SIMATIC S7-300 可編程控制器（PLC）和profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（ 光、電網(wǎng)絡(luò)）等電氣先進(jìn)技術(shù)，從而控制頂

5、驅(qū)系統(tǒng)完成旋扣、上卸扣、鉆進(jìn)、管子處理、IBOP（內(nèi)防噴器）的遙控控制和井噴時(shí)應(yīng)急快速操作等作業(yè)，以達(dá)到頂驅(qū)自動(dòng)化控制。 (二二)、研究?jī)?nèi)容：、研究?jī)?nèi)容：A）計(jì)算并選擇系統(tǒng)動(dòng)力配置，其輸出特性、控制操作和保護(hù)功能滿(mǎn)足9000米頂驅(qū)配套額定載荷及其作業(yè)需求。B）根據(jù)頂驅(qū)工作原理所需的電傳動(dòng)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)由一套西門(mén)子6SR70系列全數(shù)字矢量電壓型交流變頻裝置驅(qū)動(dòng)一臺(tái)交流變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)裝置的無(wú)級(jí)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。C）操作回路的設(shè)計(jì)。以PLC為控制核心，通過(guò)Profibus-DP的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)裝置和鉆井 參數(shù)的采集、處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通訊、監(jiān)事和控制，實(shí)現(xiàn)鉆井參數(shù)和電傳動(dòng)參數(shù)一體化。此

6、項(xiàng)為其研究的核心部分。(三三)、擬解決的關(guān)鍵性問(wèn)題、擬解決的關(guān)鍵性問(wèn)題頂驅(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是研究?jī)?nèi)容里的核心部分。其細(xì)分如下： A）監(jiān)控系統(tǒng)硬件的組成，PLC系統(tǒng)和子站的鏈接以及通訊方式。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由工控機(jī)、電源系統(tǒng)、大屏幕顯示裝置、PLC控制柜、控制電纜等幾大部分組成。示意圖如下： PLC系統(tǒng)通過(guò)光纖和本子站進(jìn)行連接，與其他子站通過(guò)Profibus通訊電纜連接。系統(tǒng)的具體硬件連接和通訊方式需仔細(xì)研究設(shè)計(jì)。B）根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的界面需求對(duì)其界面組態(tài)的設(shè)計(jì)。監(jiān)控系統(tǒng)界面主畫(huà)面需分工具欄、顯示區(qū)、報(bào)警欄、狀態(tài)欄四個(gè)區(qū)域。通過(guò)單擊工具欄上的按鈕可以進(jìn)入對(duì)應(yīng)的監(jiān)控畫(huà)面，本系統(tǒng)主要有

7、如下監(jiān)控畫(huà)面：系統(tǒng)幫助畫(huà)面、電源系統(tǒng)畫(huà)面、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)畫(huà)面、頂驅(qū)系統(tǒng)畫(huà)面、控制狀態(tài)畫(huà)面、報(bào)警記錄畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面、系統(tǒng)登錄畫(huà)面、退出系統(tǒng)畫(huà)面。C）PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制器可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及通過(guò)執(zhí)行器執(zhí)行工控房的各項(xiàng)命令，PLC 程序設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將對(duì)象的控制條件和動(dòng)作要求轉(zhuǎn)為PLC可以識(shí)別的指令的過(guò)程，以完成系統(tǒng)的溫度、液壓、功率、電流等的檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)各種設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。PLC程序設(shè)計(jì)流程圖如下：三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線(xiàn)、試驗(yàn)方案及其三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線(xiàn)、試驗(yàn)方案及其可行性分析可行性分析(一一)、研究方法：、研究方法：A）根據(jù)頂驅(qū)的工作原理所需控制系統(tǒng)的目標(biāo)，借鑒國(guó)

8、內(nèi)外先進(jìn)頂驅(qū)裝置設(shè)計(jì)一套總體方案。B）對(duì)各個(gè)部件所要完成的工作進(jìn)行分區(qū)研究設(shè)計(jì)，然后再結(jié)合在一起進(jìn)行整體關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。C）整體關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)完后，進(jìn)行試驗(yàn)。運(yùn)用PLC仿真模擬軟件，以測(cè)試所編程序，最終確定其設(shè)計(jì)合理與否，而后進(jìn)一步修改優(yōu)化。(二二)、技術(shù)路線(xiàn)：、技術(shù)路線(xiàn)：(四四)、可行性分析：、可行性分析：A）隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)逐漸運(yùn)用到頂驅(qū)裝置系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)外鉆井機(jī)械生產(chǎn)公司對(duì)頂驅(qū)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已經(jīng)日益先進(jìn)，已經(jīng)推出了一系列性能優(yōu)良的高科技自動(dòng)化控制頂驅(qū)產(chǎn)品了。B）隨著機(jī)電液一體化的控制技術(shù)、變流變頻、PLC程序控制技術(shù)的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代鉆井技術(shù)要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)生產(chǎn)對(duì)頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)功能提出了新的要求。改進(jìn)鉆機(jī)頂驅(qū)裝置的設(shè)計(jì)以達(dá)到機(jī)電液一體化標(biāo)準(zhǔn)，使其鉆井能力、可靠性、可操作性和安全性都有顯著的提高。C）現(xiàn)在的輔助設(shè)計(jì)工具齊全，可以利用PLC模擬仿真技術(shù)軟件，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。四、課題的創(chuàng)新性四、課題的創(chuàng)新性A）應(yīng)用WinCC 作為工控房監(jiān)控軟件，運(yùn)用PLC 作為頂驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)終端，WinCC 和PLC 之間通過(guò)PROFIBUS 通訊電纜進(jìn)行通信。研究設(shè)計(jì)過(guò)程中以PLC模擬仿真為中心，已達(dá)到控制最優(yōu)。B）頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是自發(fā)明轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī)以來(lái)，旋轉(zhuǎn)鉆井方法中最重要的技術(shù)革新之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜