DQ-90型顶部驱动系统自动化控制研究

1、题目：DQ-90型顶部驱动系统自动化控制研究一、一、课题意义及国内外研究现状综述课题意义及国内外研究现状综述(一一)、课题意义：、课题意义：顶驱钻井系统可节省钻井时间(20-25)，并可预防譬钻事故的发生，用于钻斜井，钻高难度的定I以井时经济效果尤为显著。，很多石油生产商甚至国外用户拒绝购买自动化程度较高的钻机产品，究其原因，既有价格上的考虑，同时也是因为目前的产品还存在一定的不足，无法满足用户需求。智能控制系统的应用和完善，为未来无人值班技术、无人钻井作业的发展奠定基础。谁率先掌握了该技术，谁就赢得未来的钻机市场。目前设计的结构体积和自身质量较大，对顶驱的效率和成本是一个制约条件，而对于顶驱

2、的PLC控制也同样影响着顶驱的效率和成本，因此，对顶驱的自动化控制的研究显得尤为重要。CanRig于1986年制造的第1台顶驱在使用21年之后，仍然在继续作业。CanRig顶驱具有很好的可靠性，其顶驱上安装了远程监控系统，以计算机控制、数字矢量变频传动控制及数字直流传动的混合控制方案和网络技术为基础的系统结构，绞车采用高精度4台电动机负荷分配控制，该系统能确认顶驱零件是否需要更换或维修、或一般维修。当用户遇到维修问题时，CanRig会向用户提供一些信息以便他们能够快速地解决问题。(二二)、国外研究现状、国外研究现状目前，该公司在世界各地大约有80台顶驱装有远程监控系统，有不同级别的服务监控器。

3、监控器的等级差异主要取决于各种报警的种类和丁作数据的多少。系统能自动发送一个邮件到钻井承包商的维护工程师。此外，用户可通过镫陆一个安全网络监控服务器来随时观察顶驱的工作状态。英国BP石油公司委托美国PAT公司研制了一种轻型自动化钻井系统(LADS)，其新式钻机的重量不到常规钻机的一半，仅需1人即可在计算机控制室完成所有钻井、起下钻及钻杆排放等作业。此外还有德国wirth公司、美国NOV公司、挪威MH公司、拿大Tesco公司等分别推出了一系列绞车及自动送钻装置、顶部驱动钻井装置、钻井管柱自动化操作装置、一体化司钻控制系统等地面自动化钻井装备。(三三)、国内研究现状、国内研究现状在实施国产项驱产业

4、化攻关项目伊始，北石厂便开始了与世界一流的自动化系统解决方案提供商西门子公司的长期合作关系，共同开发石油钻机交流变频顶部驱动装置，为北石厂提供西门子顶驱电控系统解决方案。目前西门子已顺利交付上百套DQ70BS型、DQ90BSC型和DQ40BSC型交流顶部驱动装置的电控系统。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题键性问题(一一)、课题研究目标：、课题研究目标：本课题是以实现顶驱的操作安全方便，生产效率高的机电一体化为目标，采用西门子SIMATIC S7-300 可编程控制器（PLC）和profibus现场总线（ 光、电网络）等电气先进技术，从而控制顶

5、驱系统完成旋扣、上卸扣、钻进、管子处理、IBOP（内防喷器）的遥控控制和井喷时应急快速操作等作业，以达到顶驱自动化控制。 (二二)、研究内容：、研究内容：A）计算并选择系统动力配置，其输出特性、控制操作和保护功能满足9000米顶驱配套额定载荷及其作业需求。B）根据顶驱工作原理所需的电传动系统要求，设计由一套西门子6SR70系列全数字矢量电压型交流变频装置驱动一台交流变频电机，实现顶驱装置的无级调速和正反转。C）操作回路的设计。以PLC为控制核心，通过Profibus-DP的现场总线控制技术，实现对系统装置和钻井 参数的采集、处理、远程数据传输通讯、监事和控制，实现钻井参数和电传动参数一体化。此

6、项为其研究的核心部分。(三三)、拟解决的关键性问题、拟解决的关键性问题顶驱自动化控制系统设计所解决的关键问题就是研究内容里的核心部分。其细分如下： A）监控系统硬件的组成，PLC系统和子站的链接以及通讯方式。监控系统的硬件由工控机、电源系统、大屏幕显示装置、PLC控制柜、控制电缆等几大部分组成。示意图如下： PLC系统通过光纤和本子站进行连接，与其他子站通过Profibus通讯电缆连接。系统的具体硬件连接和通讯方式需仔细研究设计。B）根据监控系统的界面需求对其界面组态的设计。监控系统界面主画面需分工具栏、显示区、报警栏、状态栏四个区域。通过单击工具栏上的按钮可以进入对应的监控画面，本系统主要有

7、如下监控画面：系统帮助画面、电源系统画面、网络结构画面、顶驱系统画面、控制状态画面、报警记录画面、趋势画面、系统登录画面、退出系统画面。C）PLC程序设计PLC控制器可以实现设备的数据采集及通过执行器执行工控房的各项命令，PLC 程序设计实际上就是将对象的控制条件和动作要求转为PLC可以识别的指令的过程，以完成系统的温度、液压、功率、电流等的检测，同时实现钻井平台各种设备的状态监控。PLC程序设计流程图如下：三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析其可行性分析(一一)、研究方法：、研究方法：A）根据顶驱的工作原理所需控制系统的目标，借鉴国

8、内外先进顶驱装置设计一套总体方案。B）对各个部件所要完成的工作进行分区研究设计，然后再结合在一起进行整体关联设计。C）整体关联设计完后，进行试验。运用PLC仿真模拟软件，以测试所编程序，最终确定其设计合理与否，而后进一步修改优化。(二二)、技术路线：、技术路线：(四四)、可行性分析：、可行性分析：A）随着现代化科学技术逐渐运用到顶驱装置系统中，国内外钻井机械生产公司对顶驱产品开发已经日益先进，已经推出了一系列性能优良的高科技自动化控制顶驱产品了。B）随着机电液一体化的控制技术、变流变频、PLC程序控制技术的不断发展，以及现代钻井技术要求的不断提高，国内外钻机生产对顶驱的结构、控制系统功能提出了新的要求。改进钻机顶驱装置的设计以达到机电液一体化标准，使其钻井能力、可靠性、可操作性和安全性都有显著的提高。C）现在的辅助设计工具齐全，可以利用PLC模拟仿真技术软件，对其进行优化设计。四、课题的创新性四、课题的创新性A）应用WinCC 作为工控房监控软件，运用PLC 作为顶驱现场工业终端，WinCC 和PLC 之间通过PROFIBUS 通讯电缆进行通信。研究设计过程中以PLC模拟仿真为中心，已达到控制最优。B）顶部驱动系统是自发明转盘钻机以来，旋转钻井方法中最重要的技术革新之一，结构复杂