钻机数字伺服带刹自动送钻系统设计与应用

齐 然，李孟辉，杨 波，闫 翀，侯小强

（南阳二机石油装备（集团）有限公司，河南 南阳473006） ①

自动送钻是指钻机在无需人工控制的情况下实现石油钻机钻头自动进给的一种作业方式。采用自动送钻的目的在于解放司钻，降低劳动强度和成本，有效地保证井身质量和钻井安全，提高机械钻速，增加钻头进尺。目前，应用较多的自动送钻系统有电机自动送钻、盘刹自动送钻、带刹自动送钻等。由于钻机所有者使用自动送钻的目的是改善钻井性能和钻头周期，实现降本增效，因此不同类型的钻井设备应选择对应的自动送钻，才能更加适合现场工况，实现经济利益的最大化。

1 自动送钻系统现状

1.1 国内现状

目前，国内钻机应用较多的自动送钻系统是电机自动送钻和盘刹自动送钻。

1.1.1 电机自动送钻

主要应用于变频电动钻机。绞车设有独立电机自动送钻装置（包括变频器、变频电机和减速箱）。其功能有：①送钻时由变频系统反拖滚筒实现自动调速和保护，达到恒压稳速送钻目的；②当绞车主系统发生故障时，电机自动送钻系统进行应急操作，能提升最大钻柱重力［1－3］。

控制系统由人机界面、PLC、变频器、电动机、传感器组成。在送钻过程中，游动系统的悬重通过滚筒及齿轮传动以反扭矩拖动送钻电机，通过实时钻压与设定钻压的比较，对电机速度和扭矩进行控制，从而实现恒钻压自动送钻。该系统控制部分一般集成在电控系统中。

1.1.2 盘刹自动送钻

主要应用于盘刹控制的机械或直流钻机。系统以PLC为核心，以盘式刹车为执行机构。PLC根据钻压变化情况，对液路执行元件（电液比例阀、驻刹安全钳电磁阀等）进行控制，实时调节盘刹刹车钳缸油压，进而控制绞车滚筒刹车盘制动力矩，在钻进过程中进行钻柱下放的微量控制，达到实时控制钻压和提高机械钻速功能［4］。系统通过实时检测游车位置实现电子防碰和游车高度指示功能，通过实时检测机械钻速和控制钻机主刹，在自动送钻期间实现防止溜钻、放空的安全控制功能。

该系统是在盘刹基础上达到送钻功能的。国内主要以中国石油勘探开发研究院机械所和中国石油大学（北京）的研发技术为基础；控制方式有机械式盘刹和电子式盘刹。

1.2 国外现状

在国外，除了上述电机自动送钻和盘刹自动送钻外，带刹自动送钻也是目前应用较多的一种自动送钻系统。该系统主要应用于带刹控制的机械或直流钻机，尤其适用于5 000m以下的钻机。

早期的带刹自动送钻采用的是纯机械气动控制方式，代表品牌是马丁戴克（NOV M／D Totco）的WILDCAT／SATELLITE。随着微机自动化和数字技术的发展普及，数字化的电气液控制及变频伺服驱动技术已成熟运用于各种驱动方式的带刹自动送钻系统上。这些数字化的带刹自动送钻与盘刹自动送钻的控制原理和功能基本相同，都是由PLC或嵌入式系统通过驱动介质控制刹车力矩，实现钻柱下放的微量控制，同时兼具安全控制功能。

国外能提供数字化带刹自动送钻的主要有马丁戴克（NOV M／D Totco）、锐设（RIGSERV）、创新（Innovative Electronics）、LIDAN ENGINEERING等公司。这些公司在送钻的驱动技术（介质）上有所不同，马丁戴克采用的是变频伺服驱动技术，而后3家偏重于数字化电气液比例控制技术。

由于变频伺服驱动相比电气液比例控制具有响应速度快、精度高、可控性好等优势，而带式刹车具有成本低、维护方便等优点，因此，利用最新技术而不改变现有机械结构在轻型带刹钻机上实现自动送钻应是钻机自动化的一个发展方向。

2 伺服带刹自动送钻的设计

2.1 控制原理

伺服带刹自动送钻系统原理如图1所示，采用伺服电机拉动钢丝绳作用于经刹紧弹簧拉紧的带刹刹把部分，对绞车的悬持载荷进行控制。

图1 伺服带刹自动送钻控制原理

在恒钻压钻进时，将拉力传感器采集到的钻具实际悬重（PVw）送入PLC的模糊控制器，经与悬重设定值（SVw）进行比较后求出偏差ew＝PVw－SVw。同时，对偏差进行微分处理得到ecw＝dew／dt，即偏差的变化率，进而根据模糊控制规则计算出调节值u，籍此对伺服电机进行定位控制。伺服电机根据调节信号转动，拉动钢丝绳，克服反作用拉紧弹簧的拉力，从而改变刹把相应的刹车力，使钻具的实际悬重根据要求改变，形成悬重的闭环控制。正常情况下，当扰动因素作用到钻具上使PVw值较大程度地偏离SVw值时，控制器会产生一个适当的调节量u，将PVw值重新拉回到SVw值附近，这样便实现了恒悬重（钻压）钻进。

在恒钻速钻进时，将滚筒编码器采集到的滚筒转速信号转换为游车钩速（PVr）送入PLC的PID控制器，经与钻速设定值（SVr）进行比较后求出偏差er＝PVr－SVr，进而根据PID控制规则计算出调节值u，控制伺服电机对钢丝绳的拉力，实现恒钻速钻进。此时由于处于疏松地层，并不关心钻压的波动。

2.2 硬件构成

数字化伺服带刹自动系统的硬件结构如图2。由PLC、I／O模块、主令控制器、传感器、触摸屏、伺服驱动系统、伺服电机、执行机构、辅助元件等组成。

触摸屏作为人机界面，实现各种操作功能的转换及参数设置，实时显示各种参数和故障报警。

伺服驱动系统通过现场总线与PLC通讯，接收从控制系统发来的脉冲序列，驱动伺服电机实现带速度反馈的速度和位置控制，确保电机快速、精确定位，并通过现场总线接口将数据实时发送到PLC参与处理和控制。伺服电机带有编码器，采用无火花型式的防爆电机。

执行机构由减速装置和钢丝绳组成，连同电机一起固定在刹把附近的井架或绞车顶部，与刹车弹簧共同作用在刹把上，通过伺服系统控制其转动位移，进而调整带刹刹车力矩，实现有效制动和均匀送钻。这种电机与弹簧反作用的机构同时保证了系统故障或断电时的安全刹车。

2.3 控制策略的应用

2.3.1 闭环控制器的选用

图2 系统硬件结构

PLC、I／O模块、主令控制器、触摸屏、伺服驱动系统、开关及指示灯等元件安装在司钻控制台上，控制各种功能转换及参数的设置，实现系统的操作和监控。控制台安装在钻台或司钻房，采用正压防爆处理。

控制系统的核心是采用带技术功能的PLC控制器，内置PID、高速计数器、定位功能块，并集成模糊控制功能，对采集的信号、数据做实时的数据运算、分析和处理，控制和驱动各执行机构。

I／O模块接收主令控制器的给定信号，控制伺服系统实现开环手控刹车，通过传感器得到悬重、滚筒转速信号等反馈信号，用于闭环自动控制的参数采集计算；并根据工艺要求输出信号，控制相关的比例阀和开关阀，实现系统的联锁功能。

从控制理论上分析，自动送钻系统的控制和误差调节由刹车力矩内环、钻进速度中环和钻压外环3个闭环组成。3环构成串级控制，以保证较好的控制精度和收敛度。而在实际的工程应用中，更侧重于被控量的快速反应，减化闭环的多重结构，用简单、快速有效的控制方法保证钻压精度和钻进速度。因此，在恒钻压送钻时，采用钻压和力矩双环串级控制方式，在恒钻速送钻时，采用钻速和力矩双环串级控制方式。

力矩环由闭环的伺服控制系统实现并保证速度和精度，刹车力矩对应伺服电机的转动位移，其稳态误差由系统通过高精度的编码器进行纠正。

钻速环自身为I型系统，加入校正环节后不存在稳态误差［5］，故采用只带比例项的增量型PID控制器进行调节。

对于钻压环，由于被控量受到多种扰动因素的影响，同时系统本身也存在时滞、时变、非线性现象，利用传统的PID控制方法很难做到稳定控制，即使能够稳定控制也难以达到控制要求（控制精度、超调量与响应速度），而模糊控制正是适合处理这些复杂系统的有效方法。

2.3.2 钻压模糊控制器的设计

目前，送钻系统的模糊化控制已成为一种趋势。如图3，模糊控制器由3部分组成：①模糊量化处理用于使二维精确变量（钻压偏差值e和偏差变化率ec）模糊化；②模糊推理用于完成模糊过程的运算和判断；③非模糊化处理使模糊运算结果转变为精确控制量u，从而通过伺服系统对钻具悬重实施控制。

图3 钻压模糊控制原理

实际应用时，利用PLC的Fuzzy Control功能包软件，将计算好的控制作用表按格式输入到存储器上。控制算法采用表格查询方式，为减少功能块对PLC运行速度的影响，模糊控制程序块采用SCL结构化语言编制。

模糊控制器参数设计包括确定输入及输出变量的论域、合理解决模糊控制器的量化因子和比例因子。钻压的误差e允许范围是［－5，＋5］kN，根据实践确定，误差变化率ec的基本论域为［－2，＋2］，控制量（伺服电机的转动位移）按增量型△u的基本论域为 ［－5，＋5］。综合考虑论域的量化等级，把误差e和变化率ec的模糊论域量化为13档（－6～＋6），为提高控制精度，把控制量的模糊论域量化为15档（－7～＋7）。这样就可以利用对应的除法确定量化因子和模糊因子。

模糊集中，钻压误差e、误差变化率ec和伺服电机转动位移增量△u根据经验都取为7个语言值，分别为 NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）和PB（正大）。根据钻压控制的实际经验，合理确定隶属函数并建立模糊控制规则，如表1所示。

3 应用情况及分析

表1 钻压模糊控制规则

经过方案论证、图纸设计及对系统模型的MATLAB仿真测试，南阳二机石油装备（集团）有限公司已试制出1台数字伺服带刹自动送钻系统，应用在3 000m车装钻机上。该系统采用0.75kW的伺服电机，伺服控制系统供电电源为220VAC，并配置有24VDC／220VAC的正弦波逆变电源，利用车上24 VDC电源即可工作。

通过现场跟踪验证，系统的送钻精度满足±5 kN的要求，可实现以下控制功能：

1） 钻进控制 具备主控钻压、辅控钻速功能，可选择性地实现恒钻压或恒钻速自动钻进，同时监控最大钻压和最大钻速、游车位置、井深、刹车力矩等，防止溜钻、放空等事故发生。

2） 起下钻控制 在起下钻以及下套管期间，实现游车安全控制，具备电子防碰、游车高度指示及游车动能控制功能。在游车到达上行或下行预警点时，分别控制发动机或辅助刹车，逐渐降低游车的速度，使其准确地在刹车点停车。

3） 手动控制 司钻像操作盘刹一样操作控制台上的电子刹车手柄手动刹车，控制游车的下放和手动钻进，减少司钻的工作强度。

4） 远程监控 通过系统的以太网通讯接口，可实现远程的数据监测和故障诊断功能，通过互联网和SCADA技术，实现“遥控司钻”。

根据模糊条件语句“if Aand Bthen C”的形式，其三元模糊关系R为

R＝（A×B）T1×C

式中，（A×B）T1为由模糊关系矩阵（A×B）n×m构成的维列向量；n和m分别为模糊集合A与B的论域元素数；其中A、B、C分别对应于钻压误差e、钻压误差变化率ec、伺服电机转动位移增量△u。

由于系统中m＝n＝7，所以共应有7×7＝49条规则，而每条模糊控制规则就确定一个模糊关系R［6］。根据上述表格进行模糊推理，即可以得到控制作用总表。

4 结语

带刹自动送钻的出现使带刹钻机的司钻摆脱了长期操作刹把的负担，同时使司钻也可以像操作盘刹一样操作带刹，它不仅克服了电机自动送钻系统价格昂贵的缺点，而且也弥补了盘刹自动送钻系统液压系统复杂、不方便维修、刹车片的刹车力同步性差等缺陷。而数字伺服带刹自动送钻由于采用了高精度、高响应速度的伺服控制系统和模糊控制理论，非常适合于带刹控制轻型钻机的自动化钻井。随着数字化控制技术的持续发展，数字伺服技术在钻机自动化领域将拥有更为广阔的应用前景。

［1］ 任宏彪，张大志，张勇军.基于S7-300型PLC的变频自动送钻系统模糊控制［J］.石油矿场机械，2010，39（4）：24-27.

［2］ 张新旭，赵 敏.自动送钻技术研究进展［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：84-86.

［3］ 王 平，赵清杰，杨汝清.石油钻机智能送钻技术研究［J］.石油机械，2006（12）：54-58.

［4］ 史玉升.盘式刹车自动送钻技术［J］.石油机械，1999（4）：51-53.

［5］ 王益群，钟毓宁.机械控制工程基础［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2001.

［6］ 王晓华，林 立.钻机盘式刹车自动送钻的模糊控制研究［J］.制造业自动化，2000（5）：52-55.