石油鉆機(jī)智能化控制系統(tǒng)仿真研究

李正英,張 翼,耿遠(yuǎn)程,付正兵

（1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,宜昌,443002；2.宜昌神達(dá)石油機(jī)械有限公司,宜昌,443002）

0 前言

石油機(jī)械是石油勘探必要裝備，一般分為石油鉆采機(jī)械，油氣集輸機(jī)械和油田工程機(jī)械。石油機(jī)械通常笨重但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外部形象“傻大黑粗”。隨著石油開(kāi)采難度的增加，開(kāi)采場(chǎng)所的復(fù)雜化，客觀要求石油機(jī)械形成集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化特色，提高自身“靈氣”，滿足新形勢(shì)下石油開(kāi)采效率和油氣開(kāi)發(fā)效益的高要求。

鉆井機(jī)械是石油開(kāi)采的基礎(chǔ)機(jī)械，在石油行業(yè)必不可備。但是，鉆井機(jī)械的工作環(huán)境和工作強(qiáng)度是苛刻的，一旦工作效果不理想就會(huì)影響井身質(zhì)量和鉆井安全。由此，國(guó)內(nèi)外均提出了智能鉆井這個(gè)解決方案。英國(guó)石油公司開(kāi)發(fā)了輕型自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)(LADS)，采用CAD 軟件設(shè)計(jì)鉆井系統(tǒng)，安全、高效、可靠，同時(shí)只需要1 名操作工實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)管理，大大減少了人工操作。挪威Norsk Hydro 公司建成OsebergSor 的平臺(tái)，用于北海Oseberg 油田的自動(dòng)化智能管理；同時(shí)該系統(tǒng)采用Maritime Hydraulics 公司的可配置自動(dòng)鉆井系統(tǒng)(CADS) ，優(yōu)化所有操作，全自動(dòng)控制，大大提高了作業(yè)效率。但是，我國(guó)的鉆井裝備與世界先進(jìn)水平差距明顯，雖然近幾年有所發(fā)展，整體水平還不足以抗衡世界技術(shù)強(qiáng)國(guó)。

因此，為了發(fā)展我國(guó)鉆井技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種鉆機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將線路冗余技術(shù)應(yīng)用到野外司鉆控制系統(tǒng)中，這是根據(jù)石油鉆機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)統(tǒng)的要求而設(shè)計(jì)出來(lái)的。該設(shè)計(jì)方案不僅滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，并且相對(duì)于熱備份冗余系統(tǒng)，節(jié)約了電氣控制系統(tǒng)的成本。其次，該系統(tǒng)將BP 網(wǎng)絡(luò)和矢量控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到智能控制系統(tǒng)，形成了鉆壓控制三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了恒鉆壓自動(dòng)送鉆的功能，能夠提高絞車下放速度的控制精度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的要求，控制效果良好。再次，為適應(yīng)不同的野外環(huán)境和和鉆機(jī)復(fù)雜性，該智能系統(tǒng)具備一定的可擴(kuò)展性和靈活性。

1 鉆機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1 所示，該自動(dòng)控制系統(tǒng)是由鉆壓傳感器，PLC 控制單元、變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、絞車主電機(jī)（或送鉆電機(jī)）組成的一套閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，絞車主電機(jī)聯(lián)鎖自動(dòng)脫開(kāi)，送鉆電機(jī)被反轉(zhuǎn)的絞車滾筒拖動(dòng)處于“發(fā)電”狀態(tài)，電流輸入變頻器能耗制動(dòng)單元，電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)減速機(jī)后以高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩限制絞車滾筒旋轉(zhuǎn)下放鉆具，在60s 內(nèi)緩慢升高鉆壓，在司鉆操作臺(tái)的觸摸屏上輸入鉆壓給定值P，實(shí)時(shí)采集送鉆電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速，通過(guò)PLC程序及總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處理，得到實(shí)際鉆壓瞬變值±P，與給定鉆壓作比較，將誤差值ΔP 送到中央控制單元處理，再經(jīng)變頻器修正送鉆電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)恒鉆壓送鉆。

圖1. 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用基于BP 算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？刂品桨溉鐖D5 所示，自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)以電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制為內(nèi)環(huán)，經(jīng)過(guò)矢量變換，采用類似直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制模型，外環(huán)采用BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。因此自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)是一個(gè)由電流環(huán)（ACR）、轉(zhuǎn)速環(huán)（ASR）和鉆壓環(huán)（APR）構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖2. 自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)

根據(jù)圖1 所示的原理圖，在Matlab 軟件建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型。其中，變頻調(diào)速控制算法采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的智能控制能力。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3. 自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

從圖3 可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的智能控制技術(shù)能夠準(zhǔn)確跟蹤系統(tǒng)指令，滿足系統(tǒng)實(shí)際需要。從而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

2 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的鉆機(jī)智能控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)字控制與通信系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)備繁多，既有數(shù)字量的控制，也有模擬量的控制，較高的系統(tǒng)可靠性是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。PROFIBUS-DP 控制技術(shù)是鉆機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其可靠性的提高是整個(gè)系統(tǒng)可靠性提高的關(guān)鍵。采用線路冗余技術(shù)能夠提高DP 控制系統(tǒng)的可靠性。一旦本文所設(shè)計(jì)的鉆機(jī)智能控制系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)使用，將能夠解決了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1)解決了人機(jī)界面問(wèn)題，使司鉆對(duì)所有鉆井參數(shù)如大鉤懸重、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)、泵壓、泵沖、鉆壓等信號(hào)一目了然，并且可以看到適時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，方便了司鉆的操作。

2)PLC（可編程序控制器）控制系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線由過(guò)去的24 芯線纜變成1 根PROFIBUS 雙絞線，減少了故障發(fā)生的機(jī)率；同時(shí)因?yàn)榭偩€只是1 根雙芯絞線，非常輕便，可以降低維護(hù)人員在鉆機(jī)搬遷過(guò)程中拆、裝接線的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為鉆機(jī)增加了自動(dòng)送鉆功能，可以滿足恒壓送鉆、恒速送鉆等工藝要求，為一些高難度特殊工藝井的施工提供了有力有設(shè)備保障。

4) 縮短了故障處理時(shí)間，可以通過(guò)PLC 系統(tǒng)的固態(tài)組件上所對(duì)應(yīng)的指示燈和觸摸屏，使維護(hù)人員很方便的觀察到故障類型和提示，加快故障查找排除時(shí)間。

由于總線控制系統(tǒng)與變頻控制系統(tǒng)相互結(jié)合，使其中部分參數(shù)如大鉤懸重、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩、鉆壓的信號(hào)可以從變頻器讀取，這樣就可以不用另外加傳感器或編碼器，避免了重復(fù)配置，進(jìn)口傳感器或編碼器的造價(jià)在1 萬(wàn)元以上，非常昂貴，節(jié)約了資金。現(xiàn)場(chǎng)總線的配合使用，取締了幾十芯信號(hào)線纜，方便了拆、裝，同時(shí)也加快了信號(hào)的傳輸速率減少了故障點(diǎn)。

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