DQ-90型頂部驅動系統(tǒng)自動化控制研究

1、題目：DQ-90型頂部驅動系統(tǒng)自動化控制研究一、一、課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述(一一)、課題意義：、課題意義：頂驅鉆井系統(tǒng)可節(jié)省鉆井時間(20-25)，并可預防譬鉆事故的發(fā)生，用于鉆斜井，鉆高難度的定I以井時經(jīng)濟效果尤為顯著。，很多石油生產(chǎn)商甚至國外用戶拒絕購買自動化程度較高的鉆機產(chǎn)品，究其原因，既有價格上的考慮，同時也是因為目前的產(chǎn)品還存在一定的不足，無法滿足用戶需求。智能控制系統(tǒng)的應用和完善，為未來無人值班技術、無人鉆井作業(yè)的發(fā)展奠定基礎。誰率先掌握了該技術，誰就贏得未來的鉆機市場。目前設計的結構體積和自身質量較大，對頂驅的效率和成本是一個制約條件，而對于頂驅

2、的PLC控制也同樣影響著頂驅的效率和成本，因此，對頂驅的自動化控制的研究顯得尤為重要。CanRig于1986年制造的第1臺頂驅在使用21年之后，仍然在繼續(xù)作業(yè)。CanRig頂驅具有很好的可靠性，其頂驅上安裝了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以計算機控制、數(shù)字矢量變頻傳動控制及數(shù)字直流傳動的混合控制方案和網(wǎng)絡技術為基礎的系統(tǒng)結構，絞車采用高精度4臺電動機負荷分配控制，該系統(tǒng)能確認頂驅零件是否需要更換或維修、或一般維修。當用戶遇到維修問題時，CanRig會向用戶提供一些信息以便他們能夠快速地解決問題。(二二)、國外研究現(xiàn)狀、國外研究現(xiàn)狀目前，該公司在世界各地大約有80臺頂驅裝有遠程監(jiān)控系統(tǒng)，有不同級別的服務監(jiān)控器。

3、監(jiān)控器的等級差異主要取決于各種報警的種類和丁作數(shù)據(jù)的多少。系統(tǒng)能自動發(fā)送一個郵件到鉆井承包商的維護工程師。此外，用戶可通過鐙陸一個安全網(wǎng)絡監(jiān)控服務器來隨時觀察頂驅的工作狀態(tài)。英國BP石油公司委托美國PAT公司研制了一種輕型自動化鉆井系統(tǒng)(LADS)，其新式鉆機的重量不到常規(guī)鉆機的一半，僅需1人即可在計算機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wirth公司、美國NOV公司、挪威MH公司、拿大Tesco公司等分別推出了一系列絞車及自動送鉆裝置、頂部驅動鉆井裝置、鉆井管柱自動化操作裝置、一體化司鉆控制系統(tǒng)等地面自動化鉆井裝備。(三三)、國內(nèi)研究現(xiàn)狀、國內(nèi)研究現(xiàn)狀在實施國產(chǎn)項驅產(chǎn)業(yè)

4、化攻關項目伊始，北石廠便開始了與世界一流的自動化系統(tǒng)解決方案提供商西門子公司的長期合作關系，共同開發(fā)石油鉆機交流變頻頂部驅動裝置，為北石廠提供西門子頂驅電控系統(tǒng)解決方案。目前西門子已順利交付上百套DQ70BS型、DQ90BSC型和DQ40BSC型交流頂部驅動裝置的電控系統(tǒng)。二、課題研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關二、課題研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關鍵性問題鍵性問題(一一)、課題研究目標：、課題研究目標：本課題是以實現(xiàn)頂驅的操作安全方便，生產(chǎn)效率高的機電一體化為目標，采用西門子SIMATIC S7-300 可編程控制器（PLC）和profibus現(xiàn)場總線（ 光、電網(wǎng)絡）等電氣先進技術，從而控制頂

5、驅系統(tǒng)完成旋扣、上卸扣、鉆進、管子處理、IBOP（內(nèi)防噴器）的遙控控制和井噴時應急快速操作等作業(yè)，以達到頂驅自動化控制。 (二二)、研究內(nèi)容：、研究內(nèi)容：A）計算并選擇系統(tǒng)動力配置，其輸出特性、控制操作和保護功能滿足9000米頂驅配套額定載荷及其作業(yè)需求。B）根據(jù)頂驅工作原理所需的電傳動系統(tǒng)要求，設計由一套西門子6SR70系列全數(shù)字矢量電壓型交流變頻裝置驅動一臺交流變頻電機，實現(xiàn)頂驅裝置的無級調(diào)速和正反轉。C）操作回路的設計。以PLC為控制核心，通過Profibus-DP的現(xiàn)場總線控制技術，實現(xiàn)對系統(tǒng)裝置和鉆井 參數(shù)的采集、處理、遠程數(shù)據(jù)傳輸通訊、監(jiān)事和控制，實現(xiàn)鉆井參數(shù)和電傳動參數(shù)一體化。此

6、項為其研究的核心部分。(三三)、擬解決的關鍵性問題、擬解決的關鍵性問題頂驅自動化控制系統(tǒng)設計所解決的關鍵問題就是研究內(nèi)容里的核心部分。其細分如下： 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、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)通過光纖和本子站進行連接，與其他子站通過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研究設計。B）根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的界面需求對其界面組態(tài)的設計。監(jiān)控系統(tǒng)界面主畫面需分工具欄、顯示區(qū)、報警欄、狀態(tài)欄四個區(qū)域。通過單擊工具欄上的按鈕可以進入對應的監(jiān)控畫面，本系統(tǒng)主要有

7、如下監(jiān)控畫面：系統(tǒng)幫助畫面、電源系統(tǒng)畫面、網(wǎng)絡結構畫面、頂驅系統(tǒng)畫面、控制狀態(tài)畫面、報警記錄畫面、趨勢畫面、系統(tǒng)登錄畫面、退出系統(tǒng)畫面。C）PLC程序設計PLC控制器可以實現(xiàn)設備的數(shù)據(jù)采集及通過執(zhí)行器執(zhí)行工控房的各項命令，PLC 程序設計實際上就是將對象的控制條件和動作要求轉為PLC可以識別的指令的過程，以完成系統(tǒng)的溫度、液壓、功率、電流等的檢測，同時實現(xiàn)鉆井平臺各種設備的狀態(tài)監(jiān)控。PLC程序設計流程圖如下：三、擬采取的研究方法、技術路線、試驗方案及三、擬采取的研究方法、技術路線、試驗方案及其可行性分析其可行性分析(一一)、研究方法：、研究方法：A）根據(jù)頂驅的工作原理所需控制系統(tǒng)的目標，借鑒國

8、內(nèi)外先進頂驅裝置設計一套總體方案。B）對各個部件所要完成的工作進行分區(qū)研究設計，然后再結合在一起進行整體關聯(lián)設計。C）整體關聯(lián)設計完后，進行試驗。運用PLC仿真模擬軟件，以測試所編程序，最終確定其設計合理與否，而后進一步修改優(yōu)化。(二二)、技術路線：、技術路線：(四四)、可行性分析：、可行性分析：A）隨著現(xiàn)代化科學技術逐漸運用到頂驅裝置系統(tǒng)中，國內(nèi)外鉆井機械生產(chǎn)公司對頂驅產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)日益先進，已經(jīng)推出了一系列性能優(yōu)良的高科技自動化控制頂驅產(chǎn)品了。B）隨著機電液一體化的控制技術、變流變頻、PLC程序控制技術的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代鉆井技術要求的不斷提高，國內(nèi)外鉆機生產(chǎn)對頂驅的結構、控制系統(tǒng)功能提出了新的要求。改進鉆機頂驅裝置的設計以達到機電液一體化標準，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)在的輔助設計工具齊全，可以利用PLC模擬仿真技術軟件，對其進行優(yōu)化設計。四、課題的創(chuàng)新性四、課題的創(chuàng)新性A）應用WinCC 作為工控房監(jiān)控軟件，運用PLC 作為頂驅現(xiàn)場工業(yè)終端，WinCC 和PLC 之間通過PROFIBUS 通訊電纜進行通信。研究設計過程中以PLC模擬仿真為中心，已達到控制最優(yōu)。B）頂部驅動系統(tǒng)是自發(fā)明轉盤鉆機以來，旋轉鉆井方法中最重要的技術革新之一，結構復雜