重庆科技学院本科生毕业设计 4绞车控制系统设计
以便于司钻操作[ 7 ]。
4.1.3 绞车电机的主要技术参数
①绞车电机的选择和相关技术数据、特性
以30DB钻机为例，其钩载负荷和工作要求特选用绞车动力为单电机驱动，主电机的技术数据如表4.1所示：
表4.1 主电机主要技术参数
额定 功率 600KW 额定 最高 转速 转速 660rpm 2800rpm 额定 电压 600V 额定 频率 33.5Hz 极数 6 防护 等级 Ip65 绝缘 等级 200 冷却方式采用他冷方式
②绞车变频器的选用和技术参数
根据主电机的主要参数和参考知名变频器的功能，绞车电机变频柜特选用西门子6SE70系列变频柜，其作用为将交流电整流成直流电，再经过逆装置将直流电逆变为可调频的交流电，由公式n=60f/p可知，通过改变电源频率对交流变频电机的转速直接进行控制。变频柜的技术参数为表4.2所示:
表4.2 变频柜的主要技术参数
额定 功率 630KW 额定 电压 600V 额定 电流 1190A 最大 电流 1470A 基本负载电流 1000A 过载 能力 1.36倍额定电流 防护 等级 Ip20 4.2 绞车控制系统方案
4.2.1 绞车驱动系统
如图4.1所示，绞车由两台交流电动机分别驱动，分别称为绞车电动机A(DWA)和绞车电动机B(DWB)。而绞车DWA、DWB由两台变频柜分别驱动，驱动系统主电路如图4.1所示。变频柜采用全套进口西门子6SE71变频调速柜。主回路由整流器、逆变器和中问直流回路3部分构成。变频器的控制由主控制板(CUVC)实现。 绞车运行可以有DWA单机驱动、DWB单机驱动、双机驱动3种运行方式，电动机4象限运行，可实现带负荷悬停功能。绞车双机驱动时，以主从控制方式实现两个电动机的出力平衡与电流平衡[ 9 ]。
绞车的运行控制由司钻控制台发出使能信号、正反转信号及紧急停车信号，经可编程控制器传送到变频柜中CUVC控制板上的Xl01端子排，接线如图4.2所示。绞车的速度控制由司钻控制台发出速度给定信号，经可编程控制器传送到变频柜中CUVC控制板上的Xl02 端子排的l5端子、16端子。绞车速度控制方式采用有速度传感器的矢量控制方式，可实现大范围的调速控制。
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图路电主的统系动驱流交 1.4图
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图4.2 绞车驱动控制系统的主电路图
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4.2.2 绞车电子防碰系统设计
在石油钻井和修井作业中，游动滑车提升高度和下降到的井口位置的高度是靠司钻观察操作来实现的，而司钻工在夜间或雾天作业时，由于看不清游动滑车提升高度和下降到的井口位置，极易发生操作失误，使游动滑车上碰天车，下砸井口，从而造成机械事故或人身伤害事故。于是设计精确可靠的绞车防碰系统就显得尤为重要。
①光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的菊花轮。
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1）增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出方波脉冲，A、B两组脉冲相位差90度，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
2）绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。
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根据以上两种编码器的优缺点，本课题选用增量式编码器，因为它的优点在井场上可以得到充分的利用，它的使用寿命长、抗干扰能力强、可靠性高等都是井场工况所需要的。
②三级防碰的确定
经过了大量资料的整理和现场的考察后，本课题利用限位开关和光电编码器结合的方式，为绞车的电子防碰系统中设计了三级防碰，游车从钻台上方上升至防碰高度H位（上限）为28米，强制减速刹车位为29米，HH位（上上限）为30m左右，L位（下限）为7.4米，强制减速刹车位为6.4米，LL位（下下限）取5.4米。
1）第一级防碰
第一级防碰为正常降频减速段，经光电脉冲编码器测量到的大绳圈数，然后转换成的游车高度，和设置的报警高度（包括上限位和下限位）进行比较，当达到报警限位以后，PLC就会通过Profibus DP总线与变频器进行通信，实现降频软着陆。为了弥补光电编码器可能出现的测量不准的问题，同时，本课题设置的报警限位高度也安装有限位开关（限位开关采用接近开关），所以如果当由光电编码器这一路间接测量到的游车高度没有达到报警限位，而游车已经触碰到了限位开关，限位开关的动作信号也可以作为PLC的输入信号，PLC也会通过Profibus DP总线与变频器进行通信，实现降频软着陆。同时进行指示灯报警，提醒工作人员加密观察游车运行情况。在同一限位高度同时设置光电编码器触发报警和限位开关触发报警还有另外一个作用，就是在投产之前，可通过限位开关检查到游车高度和光电编码器检测到游车高度进行比较，可以对光电编码器进行标定，提高其测量的精度。在停产设备维护期间一般也要再次进行标定，因为大绳在长期的使用过程中会长生一点程度的变形，也会导致检测误差的增大。
2）第二级防碰
第二级防碰为为强制减速刹车阶段，游车下生和下降各设置了一个强制减速刹车位，高度分别设置为29米和6.4米，此高度是通过光电编码器间接检测到的，当达到此高度的时候，游车应该在0.5秒之内进行强制的减速直至停车，否则将触发第三级防碰保护。
3）第三级防碰
第三级防碰是最后一级防碰保护，此级防碰保护是由限位开关触发的，分别设置在30米高度和5.4米高度。在工作现场是不希望出现第三级防碰保护触发的，一般情况下游车通过前两级防碰保护就能进行软着陆。如果触发了第三级防碰保护，现场会触发气控液压盘刹装置，对游车进行强制刹车，此时滚筒离合器和自动送钻离合器断开，绞车主电机停止运行，现场发出声光报警。故障解除后，防碰释放开关，重新启动绞车电机。
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