石油钻机绞车永磁直驱电机智能送钻控制研究

石油钻机绞车永磁直驱电机智能送钻控制研究

张炳义;刘凯;陈亚千;冯桂宏;刘家荣;李超

【摘要】With respect to the features of petroleum rig winch automatic drilling system’s multiple variables,large time delay and difficult to establish mathematical model,the unstable problem of the drilling pressure’s control is analyzed.An intelligent fuzzy control method is proposed for winch automatic drilling system.The novel winch system’s design scheme based on Permanent Magnet Direct-drive Motor (PMDM)is designed.For testing the operation performance of the PMDM,the experiment is executed on it under low speed with load.According the design scheme,the intelligent automatic drilling system is founded.The combination of fuzzy logic and Programmable Logic Controller (PLC)is applied to automatic drilling system.An implementa-tion method of intelligent fuzzy control algorithm based on PLC is presented.The results confirm that the novel winch PMDM can guarantee the stable operation of automatic drilling system.The automatic drilling system with application of intelligent fuzzy control algorithm performs well at drilling pressure’s control.%针对石油钻机绞车自动送钻系统具有多变量、大时滞和难以建立数学模型等特点，分析送钻系统钻压控制不稳定的问题。将智能模糊控制算法应用到绞车自动送钻系统中，提出了基于永磁直驱电机绞车的新型自动送钻系统结构的设计方案，并对永磁直驱电机进行现场试验，验证其送钻时低速带载能力。根据设计方案完成智能控制自动送钻系统的搭建，并将模糊理论与可编程逻辑控制器相结合应用到送钻系统中，给出智能模糊控制算法及基于可编程逻辑控制器的实现方法。结果

表明：新型绞车永磁直驱电机能够为自动送钻系统的稳定运行提供保障；应用智能模糊控制算法能够克服传统算法下送钻钻压波动大的问题；智能控制送钻系统钻压控制效果良好。

【期刊名称】《石油矿场机械》

【年(卷),期】2016(000)001

【总页数】5页(P1-5)

【关键词】绞车;永磁直驱电机;智能控制;自动送钻

【作者】张炳义;刘凯;陈亚千;冯桂宏;刘家荣;李超

【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870;北京探矿工程研究所，北京 100083;北京探矿工程研究所，北京 100083

【正文语种】中文

【中图分类】TE928

21世纪以来，全球油气勘探难度越来越大，勘探对象日益复杂［1］。为提高钻井速度及钻井的综合效益，开发了一种新型控制系统——自动送钻系统［2-3］，该系统中自动送钻技术是整个系统的核心。随着勘探开采业的快速发展，钻机对自动送钻的控制要求变得更高。但是，传统控制算法面对多变量、大时滞和非线性的自动送钻系统时所整定的参数适应性很差，导致钻压波动较大，自动送钻控制效果不理想。

为了提高自动送钻系统的控制性能，实现科学钻井，国内外学者对钻机自动送钻展

开了深入的研究。文献［4］论述了自动送钻钻进过程中钻压、转速与钻速、钻头磨损的关系，指出自动送钻系统具有时滞和高度非线性的特点。文献［5-6］论述了基于异步电机、减速箱与液压工作钳组成传统绞车系统的自动送钻技术。基于传统绞车系统的自动送钻约占我国钻机的90%～95%，系统具有组成庞杂、传动效

率较低、日常维护工作量大、设备成本高等特点。文献［7-8］提出将PID控制算法应用到自动送钻控制中，其能按设定的钻压自动钻井，减轻司钻工的劳动强度。但是，受地层的软硬程度改变、泥浆水力参数的变化和钻头磨损等因素影响，绞车钻机送钻系统是变参数的非线性系统，致使传统PID算法在建立数学模型非常困难，系统钻压控制效果较差。

鉴于传统算法在处理多变量、时变和非线性的送钻系统时难以建立数学模型的难题，利用智能控制中的模糊控制算法不需要建立准确数学模型的优势［9-10］，将智

能模糊算法应用到自动送钻系统中。笔者完成了基于永磁直驱电机的新型绞车自动送钻系统的设计，验证了永磁直驱电机低速送钻稳定输出转矩的能力［11］；给

出了基于PLC的模糊控制算法的实现方法，完成了自动送钻系统的建模和仿真，

验证永磁直驱电机能够为自动送钻系统稳定运行提供保障，应用智能模糊控制算法的送钻系统对钻压控制效果良好。

新型钻机绞车自动送钻系统如图1。数据采集监控系统主要负责自动送钻钻压的显示、记录和系统的常规外设；智能控制单元是整个自动送钻的核心，担负着自动送钻钻压稳定控制的重任；变频器单元控制绞车的提送钻工作，其内含的制动斩波器和制动电阻用来消耗绞车下放时产生的电能；紧急制动单元主要负责当送钻系统出现不正常运行时紧急制动绞车，避免事故发生。司钻工可根据实时钻井的要求设定不同的钻压，系统通过死绳拉力传感器和钻压传送系统将钻压值反馈到智能控制单元。智能控制单元的输出信号控制绞车永磁直驱电机实际的送钻速度，进而控制送钻钻压。