【正文】 盤剎鉆機自動送鉆系統(tǒng)的研究摘 要：自動送鉆系統(tǒng)是根據(jù)石油鉆井工藝要求而開發(fā)的一種新型的控制系統(tǒng)。使用自動送鉆系統(tǒng)不僅能夠降低司鉆工人的勞動強度，而且還可以提高鉆井速度、降低鉆井成本。本文首先介紹了自動送鉆的發(fā)展?fàn)顩r以及石油鉆機工藝，而后闡述了以西門子s7300PLC為中心的控制系統(tǒng)。本文描述的自動送鉆系統(tǒng)是一套基于液壓盤式剎車的系統(tǒng)，即通過控制盤式剎車的剎車力，來維持鉆頭處的鉆壓基本穩(wěn)定，實現(xiàn)自動送鉆。在工程實際中，需控制的系統(tǒng)常常存在著不確定性、高度非線性、時變、時滯等特性，要建立精確的數(shù)學(xué)模型往往是比較困難的，鉆井過程就具有這樣的性質(zhì)。因此，智能控制應(yīng)運而生。其中以基于模糊規(guī)則、建立在模糊邏輯基礎(chǔ)上的模糊控制在理論上較為成熟，在應(yīng)用中行之有效。本文將模糊控制應(yīng)用于石油鉆井的自動送鉆系統(tǒng)，以求獲得良好的計算機實時控制效果。本文最后簡要介紹了自動送鉆監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面設(shè)計，設(shè)計宗旨是簡單、明了、易操作。關(guān)鍵詞：自動送鉆，PLC，模糊控制， Abstract：The autodriller is a kind of new control system according to the technology of oildrilling .The working violence of worker during operating driller can be reduced ,the velocity of oildrilling can be improved and the cost of oildrilling can also be reduced if we use the autodriller system to drill oil .In this paper ,I described development of the autodriller system and the technique of driller ,then the posing of control system that as the center to siemens s7300PLC is described .The autodriller system which the paper described is based on the disc brake ,the skid strength from the disc brake can maintain the press of the drill ,thus the drilling can operated at approximately a constant press .For many engineering control projects it is difficult to obtain a precise mathematical model of the system because the system is very plex ,nonlinear and uncertain ,drilling has this Characteristics .In order to overe these difficulties ,intelligent control emerge as times require as basis of the intelligent automation .The theory of fuzzy control ,including fuzzy rules and fuzzy logic ,is relatively mature ,and used effectively .This paper proposes to use adaptive fuzzy control in field of autodriller system to obtain favorable real time control effect .At the last of the paper ,I described the HMI of the autodriller system ,the aim of the design is simple ,clear and easy to operate .Keywords: Autodriller PLC Fuzzy control 目錄1 緒論 1 課題背景 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4 我國自動送鉆系統(tǒng)存在的問題及改進意見 5 本論文的主要內(nèi)容 62 石油鉆機的設(shè)備和工藝 7 石油鉆機設(shè)備 7 概述 7 鉆機的組成 7 鉆機工作原理 9 鉆井過程簡述 93 鉆機控制系統(tǒng)設(shè)計 10 控制系統(tǒng)概述 10 控制系統(tǒng)硬件組成 12 控制系統(tǒng)監(jiān)控點數(shù)統(tǒng)計 13 主要硬件設(shè)備選型 15 工控機的選用 15 觸摸屏的選用 16 PLC的選用 17 主要傳感器的選用 18 手把電位器 22 滾筒編碼器 224 系統(tǒng)控制算法 24 概述 24 絞車控制算法 24 鉆壓控制原理 24 自動送鉆策略 25 鉆壓調(diào)節(jié)器的控制算法 26 數(shù)學(xué)模型分析 26 控制策略的選擇 27 模糊控制概述 29 鉆壓控制的模糊控制器設(shè)計 32 游車控制原理 35 35 36 轉(zhuǎn)盤控制算法 37 控制策略的確定 37 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制算法的實現(xiàn) 385 自動送鉆系統(tǒng)軟件設(shè)計 40 概述 40 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 41 s7300與組態(tài)軟件Wincc之間的通信 41 Wincc組態(tài)軟件簡介 41 通信方法 42 控制系統(tǒng)人機界面（HMI）設(shè)計 436 系統(tǒng)硬件接線 497 結(jié)論 50致 謝 51參考文獻 521 緒論 課題背景石油和天然氣是寶貴的能源和化工原料，它們埋藏在地下幾百米，上千米甚至超過萬米的巖石中。為了尋找油氣藏和開采石油天然氣，需要鉆井。因此，一套技術(shù)先進、工作可靠的鉆井設(shè)備對油田開發(fā)是至關(guān)重要的。自動送鉆系統(tǒng)是鉆井體系的一個重要組成部分，它的投入使用不僅能降低司鉆工人的勞動強度，還能提高鉆井速度，降低鉆井成本。因此研發(fā)一套技術(shù)先進、工作可靠、功能強大的自動送鉆系統(tǒng)已成為許多科技工作者追求的熱點課題之一。自動送鉆是指鉆機(采用旋轉(zhuǎn)式鉆井法)在正常鉆進過程中，不依靠司鉆調(diào)節(jié)，而是按鉆井工藝要求，讓送鉆裝置在給定的條件下實現(xiàn)鉆頭的自動進給。這里的給定條件是指鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭拒等，自動送鉆裝置維持恒條件鉆井。國內(nèi)外廣泛采用的是進行恒鉆壓鉆井。由于鉆進是鉆井工藝過程中最主要的功能之一，因此自動送鉆裝置的研制在實現(xiàn)鉆機自動化的歷史使命中占有十分重要的地位。之所以采用自動送鉆裝置，是因為傳統(tǒng)的人工控制給進鉆井存在以下的缺點：1. 司鉆長時間注意力高度集中，如觀看指重表、鋼繩放出情況，頻繁地抬起與下放剎把，其精神、體力勞動強度大，極易疲勞，因此也就不可避免地發(fā)生溜鉆或頓鉆事故，鉆井是不安全的；2. 司鉆手持剎把控制給進是間斷的，特別是每個司鉆的操作技術(shù)水平不同，送鉆質(zhì)量也因人而異，直接影響了鉆井質(zhì)量。人工控制給進鉆井，井壁質(zhì)量較差、取芯率較低、容易發(fā)生井斜和卡鉆事故；3. 司鉆控制給進時，憑經(jīng)驗進行操作，這導(dǎo)致鉆頭的軸承負荷變化較大，加快了鉆頭的磨損，從而縮短了鉆頭的使用壽命。隨著微機技術(shù)與機、電、液一體化的發(fā)展普及，鉆井技術(shù)逐步向高效率、高精度、低勞動強度，高度自動化方向發(fā)展。作為鉆機自動化部件之一的自動送鉆裝置，在國外，尤其是在美國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。近年來，由于鉆井技術(shù)不斷發(fā)展與革新，對鉆井速度和鉆井質(zhì)量提出了更高的要求。.尤其是四合一鉆頭(鑲齒、密封、滑動軸承、噴射)出現(xiàn)后，鉆頭壽命大大提高了，相應(yīng)地延長了司鉆的操作時間。此刻，如何確保鉆井過程安全可靠、不溜鉆、不頓鉆等，則有必要要求鉆機配備自動送鉆裝置，讓司鉆從繁重的體力勞動中解放腳來。這是鉆井工藝發(fā)展的必然。所以，目前各國都重視自動送鉆的研制與應(yīng)用。在國外，如美國、前蘇聯(lián)、前西德、羅馬尼亞等在鉆機上使用自動送鉆裝置的實踐表明，自動送鉆能減輕工人的勞動強度；送鉆質(zhì)量提高，鉆井事故減少；鉆頭使用壽命提高，增加了每只鉆頭進尺量。提高了機械鉆速及綜合效益。在現(xiàn)代的鉆井過程中，世界各國廣泛采用自動送鉆裝置，以替代人工送鉆，鉆井過程正從人工控制階段向采用自動送鉆技術(shù)自動控制階段發(fā)展。在我國，自動送鉆技術(shù)也在逐漸推廣應(yīng)用，經(jīng)過多年的研制和發(fā)展，現(xiàn)在自動送鉆裝置種類繁多。當(dāng)前，鉆機不配備自動送鉆裝置已被認為是一種落后的表現(xiàn)，可以預(yù)見，不久，它就會成為鉆機不可缺少的組成部分。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國外發(fā)展現(xiàn)狀隨著鉆機的日益發(fā)展和完善，鉆機給進機構(gòu)的自動化問題，在國外早已受到了人們的重視。前蘇聯(lián)早在1924年就在阿塞拜疆油田第一次實現(xiàn)了鉆頭給進自動化。美國于1938年在開特爾門油田首次使用了自動送鉆裝置。經(jīng)過多年來的研制和發(fā)展，現(xiàn)在自動送鉆裝置類型繁多，而以美國的技術(shù)和裝置最為先進。如:1. 美6B型自動送鉆裝置其特點是:鉆壓訊號的變化轉(zhuǎn)化為氣馬達轉(zhuǎn)速的改變，滾筒轉(zhuǎn)速采用機械式反饋系統(tǒng)，使用安全可靠，不受環(huán)境的影響，能正常連續(xù)鉆井。如圖11所示。圖11 美6B型自動送鉆裝置2. 美衛(wèi)星型自動送鉆裝置其特點是：氣壓驅(qū)動，機械反饋，使用安全可靠，適應(yīng)各種地層巖石鉆井的需要可以連續(xù)自動鉆井。如圖12所示。圖12 美衛(wèi)星型自動送鉆裝置3. 其特點是：氣驅(qū)動，氣反饋，是一種全氣動自動送鉆裝置。4. 美國VarcoM/DTote公司新型電子自動送鉆裝置近幾年來，美國VarcoM/DTotco公司在現(xiàn)有自動送鉆裝置的技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)創(chuàng)新，試驗成功新型電子自動送鉆裝置，實現(xiàn)了連續(xù)均勻自動送鉆，大大地提高了鉆井質(zhì)量、效率和速度，成為目前世界上較先進的新型自動送鉆裝置。這種新型電子自動送鉆裝置，由電子觸屏輸入輸出開關(guān)、控制器、信息(鉆壓等鉆井參數(shù))反饋系統(tǒng)和計算機控多盤剎車等4個部分組成。在電子觸屏面上，可選擇的鉆井參數(shù)有鉆壓、壓差、機械鉆速、鉆桿扭矩、游車最高和最低限位。這些參數(shù)可以以坐標(biāo)和數(shù)字兩種形式同時在電子觸屏面上顯示。還可以以數(shù)字形式顯示頂驅(qū)的工作轉(zhuǎn)速?？刂破鹘邮茈娮佑|屏輸入輸出開關(guān)的指令，同時接受反饋系統(tǒng)傳遞的鉆井參數(shù)變化信息，并進行計算、分析和比較之后，再發(fā)出指令給計算機控多盤剎車，改變剎車的工作轉(zhuǎn)速或保持一定的勻速轉(zhuǎn)速進行自動送鉆。其具有優(yōu)良的鉆井性能；自動送鉆均勻；起下鉆和下套管作業(yè)性能良好:電子控制系統(tǒng)動作靈敏；監(jiān)控鉆井參數(shù)多等優(yōu)點。另外，其它國家也研制開發(fā)了多種自動送鉆裝置。如:1. 原蘇聯(lián)Mпд1型自動送鉆裝置原蘇聯(lián)Mпд1型自動送鉆裝置的特點：氣驅(qū)動，輸出氣訊號控制增速箱上面的。400mm摩擦輪，進行自動送鉆。有一個14KW的事故電動機，當(dāng)鉆機傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了確保井下安全，可用該電機以較慢的速度將井下鉆具提起來，以防止可能發(fā)生的卡鉆事故。2. 原蘇聯(lián)Pпдэ3型自動送鉆裝置原蘇聯(lián)烏拉爾重型機械制造廠和巴里卡德廠生產(chǎn)，用于大鉤最大載荷8000 KN，1250KN，2000KN的石油鉆機。經(jīng)過現(xiàn)場使用效果較好，自動給進精度較高，使用安全可靠。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。這種裝置的總體方案是一種帶磁力放大器的發(fā)電機—電動機直流電驅(qū)動式自動送鉆裝置。其主傳動方式為電氣式。3. 羅馬尼亞DAASG型自動送鉆裝置DAASG型自動送鉆裝置是一臺電動減速器，主傳動方式為液動式。電動機在處理事故時，可以22m1h提升速度提升鉆柱。還用于在井場具備電力而沒有鉆機動力機組時起升井架。電動機功率22KW，轉(zhuǎn)速1300r/min，減速器為直齒行星齒輪，,}輸出軸扭矩為26600 N . 。DAASG型自動送鉆裝置，使用于最大鉆柱重量250t、鉆壓變化范圍。～，自動送鉆速度為0. 3m/。4. 德國自動送鉆裝置德國德馬克公司生產(chǎn)的自動送鉆裝置工作原理如下:在指重表上面有三個儀表盤，L指示大鉤負荷，X指示鉆頭施加給地層巖石的鉆壓，Xw表在零點時，為司鉆給定的特定值鉆壓。當(dāng)指針偏離零點時，表示實際鉆壓值超過或小于給定的特定值鉆壓。Xw訊號經(jīng)過放大器放大之后，輸入電動機，使?jié)L筒加速或減速旋轉(zhuǎn)。電動機與絞車之間用齒輪減速箱聯(lián)接。放大器包括一組初級電子閥和一組磁力放大器。自動送鉆電動機為3kw直流并繞電動機，并帶有蝸桿蝸輪減速箱，有兩擋速度。該減速箱設(shè)計時，還考慮到用于提升鉆具作業(yè)的要求。操縱臺包括電位計、操縱機構(gòu)、斷電器、指示燈、人工控制給進和自動控制給進的轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于自動送鉆裝置的手輪。該手輪可用于控制自動送鉆速度和提升鉆具速度。裝在大鉤上的筒形傳感器用電纜插頭聯(lián)接，不用時可以拔出插銷。在不需要精確控制鉆壓的鉆井中，可以把插銷與死繩固定器或傳感器相聯(lián)接。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)自動送鉆的研究隨石油鉆機的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來。1995年由蘭州石油機械研究所與勝利石油管理局共同研制的ZJ32—SL1型鉆機，其自動送鉆系統(tǒng)具有如下的特點:剎車機構(gòu)采用液壓盤式剎車，能順利完成接單根、送鉆、起下鉆等各項作業(yè)，司鉆可坐在司鉆房內(nèi)遠距離操作，改善了司鉆的工作環(huán)境，減輕了司鉆的勞動強度。90年代中后期，我國科技人員和有關(guān)單位將交流變頻調(diào)速技術(shù)用于自動送鉆系統(tǒng)的試驗和研究工作。1998年由寶雞石油機械廠研制生產(chǎn)的第一臺ZJ15DB型淺井?dāng)?shù)控交流變頻鉆機，采用交流變頻裝置控制電動機實現(xiàn)對鉆機的驅(qū)動，其自動送鉆系統(tǒng)具有如下特點:能將下鉆過程中的勢能反送到電網(wǎng)，節(jié)約能源，且實現(xiàn)了恒