重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论
机、电、气、液一体化控制系统，现代电驱动钻机的司钻控制房是石油钻机的控制中枢，其性能的优劣直接关系到整台钻机的生产效率、工人劳动强度和生产安全等。以PLC作为钻机控制装置具有可靠性高、适应性强等优点，在石油工业生产中得到了广泛的应用。
本课题基于PLC技术、计算机通信技术，完成电动钻机电气传动控制单元的数字给定和监控，电、气、液系统联控，电子防碰系统的设计。论文的主要内容如下：
①电动钻机原理分析及现状，明确课题意义，并做出评价。
②电、气、液联控分析，确定控制逻辑；钻盘电机负载特性分析，确定控制要求。
③系统硬件分析与选型，进行实验，完成变频器、PLC、触摸屏、通信系统的调试。
④研究转盘、绞车控制方法，设计系统软件。形成软件系统框图、源代码、调试文档，完成控制界面的设计。
1.5.3本课题的实现途径
本课题结合可编程逻辑控制器S7-300的STEP 7软件，对石油交流电动钻机电气控制控制系统进行模块化划分，特别是游车的电子防碰系统设计、转盘的转速控制、以及各阀岛的设计。具体的流程如图1.3所示：
图1.3 电气控制系统开发流程图
功能划分 各控制柜（模块）编程 熟悉了解工艺 电气控制程序流程图设计 PLC编程 模拟仿真调试 模拟仿真调试 1.6本章小结
本章主要介绍了课题的来源、研究的目的和电动钻机司钻房电气控制系统设计的意义，同时介绍了国内外电动钻机发展的过程及现状。结合项目的要求，在充分掌握电动钻机司钻房电气控制系统的生产工艺及各控制器工作特性的基础上，提出了课题的研究内容和主要工作。
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2 石油钻机控制系统简介
为了满足使电驱动石油钻机的各部分能协调、准确、高效率地工作，必须要有一套准确、可靠的控制系统。钻机的绞车、转盘、钻井泵等会出现交替工作，各个工作机组的经常启动和停车，因此在这些传动系统中的离合器操作是比较频繁的，特别是在起下钻操作时。
将石油钻机的控制系统分为发电控制系统、主传动控制调速系统、配电系统和司钻房控制系统四大部分。本章主要对前三部分进行介绍，其中司钻房控制系统将在第三章做详细介绍。
2.1发电控制系统概述
电动钻机普遍采用柴油发电机作为组作为动力源，提供交流电满足钻井及井场辅助设备的需要。随着钻井作业能力、电气化、自动化、智能化程度的提高、功能的增加，为了满足钻井工程供电的可靠性和经济性，一般的电动钻机配置有两台以上的柴油发电机组，通过交流母排向钻井现场供电。对柴油发电机组的控制就是对钻井现场的交流供电系统的控制，也通常称为电动钻机的“发电机组的控制系统”。电动钻机的“发电机组控制系统”包括柴油发电机组的柴油机转速控制、发电机输出电压控制、柴油发电机组的系统保护、功率限制等有关辅助控制装置及控制电路。发电机组控制系统的功能就是控制发电机组，使其输出稳定的600V、50HZ的交流电。
柴油发电机组控制系统主体结构如图2.1所示。
①测量机构
测量机构由一系列的电压互感器、电流互感器和转速传感器等元件组成，主要为控制系统提供机组运行时的状态信息，控制系统实时监测机组的运行状态，
图2.1 柴油发电机组综合控制系统主体结构
测量机构 调速系统 柴油机 发电机 电网/负载 励磁系统
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由执行器件适时对其作出相应的调整，保证系统稳定运行。
②励磁系统
励磁系统主要由主励磁系统和励磁调节器两部分组成，当然一套完整的励磁控制系统还要包括测量环节及必要的保护环节等，图2.2为一般励磁控制系统组成框图。主励磁系统为发电机的励磁绕组提供励磁电流；励磁调节器用于对励磁电流进行调节和控制；发电机端电压测量与负载补偿环节测量发电机的端电压，并对发电机负载电流进行补偿；辅助调节器对励磁调节器输入辅助控制信号，最常用的辅助调节器为电力系统稳定器；保护和限幅环节用以确保机组的各种参数不越过其限值。
③调速系统
柴油发动机调速系统是通过安装在飞轮壳上的转速电磁传感器检测出转速的变化，通过引擎调速器的控制，由执行器带动油门拉杆，调节供油量大小，从而实现转速自动调节的目的。调速系统主要由转速检测单元、电子调速器单元及执行机构等部分组成。检测部分主要由转速电磁传感器及飞轮齿圈组成，电磁传感器从飞轮齿圈测得发动机的转速，并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给电子调速器，电子调速器将转速信号与给定转速信号进行对比，并进行相应的控制运算，再由功率输出环节驱动执行器改变供油量大小，自动调节柴油机的转速。图2.3为速度调节器组成的调速系统原理框图。
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保护与限幅环节 发电机端电压测量与负载补偿环节 参考值 负载/电网 励磁调节器 主励磁系统 发电机 辅助调节器 图2.2励磁控制系统结构框图
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速度和负荷分配控制 速度给定 ∑ 软件控制转换器 速度比较 控制运放 执行器 柴油机 发电机 电磁传 感器 图2.3速度调节器组成的调速系统原理框图
2.2主传动控制调速系统概述
2.2.1 钻机的电气传动特性
基于钻井所处的特殊地理环境和钻井设备的复杂工艺，决定了钻机对电气传动系统要求的特殊性[ 3 ]。
①由于远离城市和大电网，井场又不固定，钻机要求有自己的、可移动的专 用电网。
②钻机主传动机械种类多又分散，绞车、转盘和泥浆泵等各自有不同的工艺要求，电气传动系统的调节对象范围宽，特性杂，专业性强。石油钻机传动不仅与轧钢机、造纸机、提升机等大型传动机械的驱动特性有明显的区别，而且自身的三种主传动设备又都具有各不相同的运转规律和负载特性。
1）绞车：用于起下钻提升钻具，钻具重量将随井深的不同而改变。提钻过程：提升力矩是不断变化的，井越深，钻具总长度越长，重量越重，提升力矩也就越大。在允许的电动机功率范围内，最大的力矩对应较低的转速，处在高转矩低转速工况；随着钻杆根数的递减，所需提升力矩逐渐减小，提升速度则相应增加，这样能充分利用电机功率，这属于恒功率负载调速特性，越是深井钻机要求调速范围越宽。下钻过程：绞车多做空钩提升的往复运动。这时候电机负荷非常轻，要以最高速度运行，以提高工作效率。绞车电动机负荷变化非常大，而调速范围比较宽，而且要求有良好的起动特性。绞车的运行方式属于重复短期工作制，较频繁的加减速运行要求电动机有短期的过载能力。特别当钻机遇到轻度卡钻进行事故紧急处理时，更要求绞车电动机有短时超常的过载能力。
2）转盘：要求电动机有较宽的调速范围，有精确而方便的转矩限制和刚柔相济的转矩特性，以防钻杆过分扭转变形或扭断。要求电机能够正、反转运行，在反转时能进行转速微调，以释放钻具的反扭矩。
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3）钻井泵（又称泥浆泵）：输送泥浆保持井下压力，泵压和冲数分别与驱动电机的输出转矩和转速成正比。对钻井泵而言，调速范围无需太宽，负荷扰动并不很大，关键问题是充分利用电动机的功率，提高力能指标，而且多数钻井泵采用双电机驱动方式，故对传动系统功率均衡有特殊要求。
综上所述，石油钻机对电气传动系统的要求归结如下：
? 速度闭环控制，有较宽范围的平滑调速，在低速可有较高的稳定精度。 ? 要有较快动态响应品质和稳定余量。 ? 要有加速度限制环节和力矩限制环节。
? 有较大的功率输出，又要求结构紧凑，便于拆卸的功率模块。 ? 要求传动柜间能方便的分配组合。 ? 要求有高的可靠性。
? 要求有完善的自检和诊断功能。
? 柴油发电机组输出的电压和频率要有较高的稳定精度和调节精度。 ? 柴油发电机组要有并网运行功能。
? 要求各发电机组之间有较高的负荷均衡度（有功功率和无功功率的负载均
衡）。
? 要求控制单元模块化，结构紧凑，便于拆卸维护。
? 要求有全面可靠的安全保护回路，保证发电机组和小电网的可靠运行。
2.2.2 钻机的主传动调速系统方案
由于电力电子技术的发展，在传动领域晶闸管变流器较早地应用在钻机传动系统中，提高了功率变换的运行效率。晶闸管变流器的运行效率可达0.95％左右。
①模拟控制的SCR 直流传动方案（V-M 系统）
SCR 速度调节器 电流调节器 触发脉冲 M 图2.4 V-M系统框图
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