编码器在石油钻机电气传动系统的应用

一、石油钻机电气传动系统

石油钻机电气传动系统作为钻机的控制核心,它主要包括动力控制系统、主电机驱动及配电系 统、自动化系统和人机界面等。一般按照主电机驱动形式可以分为直流传动系统和交流传动系统。当前交流传动系统主要以交流变频传动系统为主,根据交流变频钻机在国内发展的 10a。它不仅具有功能强大、技术先进、安全可靠等优势,还在与先进的现代钻井工艺结合上 有着其它系统无法比拟的优越性 [1],因而交流变频电气传动系统将成为石油钻机的发展趋势。

二、编码器用途及工作原理

(1)用途。通过把机械角度物理量的变化转变成电信号的一种装置,主要用于测量转动物体的 角位移量、角速度、角加速度。通过它把这些物理量转变成电信号输出给控制系统或仪表, 控制系统或仪表根据这些量来控制驱动装置。最常用的编码器有两种:绝对值编码器和增量式编码器。ZJ50DBS 钻机电气传动系统使用的编码器是 24V 增量式编码器,它的整体布局见图 1。 这些编码器分别安装在绞车变频电机、转盘变频电机、自动送钻变频电机和滚筒轴末端。其中变频电机编码器主要用于采集转速信号,使其形成速度闭环控制系统。滚筒编码器将滚筒圈 数反馈给 PLC 控制系统,从而计算出大钩高度,成为自动送钻、上碰下砸、井深跟踪等功能的重要基础数据。

(2)工作原理。编码器通常直接引出8根接线,包括 24V、0V、A、A-、B、B-、O、O-,实际应 用中可根据具体情况接线。一般而言,直流 24V、0V 为编码器提供电源,A、A-、B、B-、O、O- 为脉冲反馈信号。A,B 为编码器计数的两相,他们相位上相差 90 度。我们可以通过他们的关系判断出编码器的旋转速度和方向,比如A相位比B相位超前90度,则为正转,反之B相位比 A 相位超前 90 度,则为反转。O则是编码器每旋转一周产生的一个脉冲,A-、B-、O-为 A、B、O 的取反。用示波器测量 A、A-、B、B-、O、O-的波形。

三、编码器在钻机变频传动系统中的应用

石油钻机电气传动系统驱动的设备有绞车电机、转盘电机、泥浆泵电机、自动送钻电机。从 钻机调速要求可以看出,泥浆泵对调速要求不高,一般 R≥1.5 即可,而绞车和转盘的调速范围宽 [3],所以除泥浆泵以外均需安装编码器,从而实现其在规定范围内调速的要求。它的主要作用是为变频器提供转速反馈信号,形成速度闭环控制系统,使绞车在重负载下实现悬停和双 电机同步、转盘具有精确调速性能。 (1)编码器在变频传动系统中的接线。变频传动系统中编码器一般需要连接 A,B,24V,0V 至变 频器 CUVC 板 X103 端子。但变频电机与电控房的距离较大,导致编码器信号削弱,所以需要在 编码器与变频器之间安装 DTI 板,用来实现电位隔离、信号放大以及抑制干扰等。采用常见的 DTI 板的接线方式,DTI 板电源由 X404 外接直流 24V 提供,编码器信号通过 X401 端输入到 DTI 板,由 X403 端输出并与 CUVC 板 X103 端连接。 (2)变频器处理编码器信号及参数标。SIEMENS 6SE70/71 变频器处理编码器信号过程。编码器信号通过 CUVC 板 X103 端输入到变频器,后经过 A/D 转换器,将脉冲信号转化为数字信号, 为 V/F 速度闭环控制提供转速反馈信号,当编码器出现故障时变频器将出现 F053 代码。通常 6SE70/71 变频器对编码器进行参数标定时主要有以下参数:P100、P130、P151、P215、P172、 P187 和 P222 等,利用这些参数可以将编码器与变频器进行匹配,达到最佳使用效果。值得一 提的是,当编码器损坏的情况下,为了不耽误钻井生产,可以通过修改 P100、P130 等参数模拟去掉编码器,使变频器继续工作,实际生产中应急效果明显。

四、编码器在变频钻机 PLC 控制系统中的应用

PLC 控制系统是整个电气传动系统的核心。它主要实现参数采集、功能保护、数据计算和通讯等功能。其中编码器是 PLC 控制系统中不可缺少的一部分,它的功能是采集绞车滚筒圈数, 以脉冲的形式送入单通道智能计数模板 FM350-1。通过 PLC 控制系统计算出大钩高度,成为自动送钻、井深跟踪、上碰下砸等功能的主要基础参数。 (1)编码器在 PLC 控制系统中的接线。PLC 控制系统中采用的编码器是 24V 增量式编码器,它 和 FM350-1 的一般接线原理。大钩高度编码器需要引出 5 根信号线外带一根屏蔽线至 FM350-1 模块,这 5 根线包括 24V、0V、A、B、O。 (2)编码器信号在 PLC 控制系统中的数据处理过程。编码器信号通过 FM350-1 模块输入 CPU315-2DP 后,利用编辑好的 PLC 程序,将编码器脉冲信号转换成数字量信号。运用数学公式 可以准确计算出大钩高度的变化值△H。 具体见公式 1: △H={[(m-1)×m/2×(d0×) (m×D)]×3.14×r [(m×d×) D]×(3.14×y)｝ -{[(n-1)×n/2×(d×) (n×D)]×3.14×r [(n×d) D](3.14×x)} 式中:D—滚筒直径(m);d—钢丝绳直径(m);m—当前层数;n—初始层数;x—初始圈数;y—当前 圈数;r—滚筒圈数;