基于伺服電機控制的鉆井泵遠程調壓裝置的研制與應用

李立新， 朱永慶， 廖恒偉

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

鉆井泵是鉆機循環系統的核心設備，出廠前，需按鉆機聯調試驗大綱要求，進行負荷運轉試驗，目的在于檢測鉆井泵和高壓管匯的耐壓能力，以及柴油發電機組和電控系統的帶載能力，確保產品達到設計性能要求。

目前，鉆井泵在鉆機試驗井場進行高壓負荷運轉試驗時，主要通過一種手動針式節流閥調壓工裝進行壓力調節，這種依靠人工反復扳動節流閥手輪進行加壓或卸壓的方法，有以下不足：1）鉆井泵負荷運轉試驗時，系統最高壓力可達52 MPa，存在高壓放噴、管線泄漏的風險，對現場操作人員的安全構成威脅；2）不能實現閥門的柔性開關，系統壓力波動對設備的沖擊性較大，易造成鉆井泵和管匯密封件的損壞，泵組聯調試驗停機率高；3）控制精度尚不能完全滿足鉆井泵負荷運轉試驗壓力控制的要求；4）遇到緊急情況，不能實現快速卸壓。

鑒于以上原因，筆者根據多年鉆機試驗井場工作經驗，提出一種基于伺服電機控制的鉆井泵遠程調壓裝置，以改變現有技術中依靠人工扳動節流閥手輪進行調壓的現狀，實現鉆井泵壓力的遠程、自動和精準控制，使操作人員遠離高壓試驗危險區，保障了操作人員的人身安全。

1 控制原理

基于伺服電機控制的鉆井泵遠程調壓裝置，通過伺服驅動器，控制伺服電機，驅動針式節流閥閥桿旋轉、移動，改變節流閥開度面積的大小，控制鉆機循環系統液體的流量和速度，從而實現對鉆井泵系統壓力的調節。

控制原理如圖1所示。通過觸摸屏或手輪，對系統壓力進行給定，由PLC進行比較運算，將控制指令傳給伺服驅動器，控制伺服電機正轉（加壓）或反轉（降壓）。編碼器和變送器構成的雙閉環系統，將電機轉速和系統壓力實時反饋給伺服驅動器和PLC，來不斷地調節電機轉速和扭矩，直到系統壓力達到設定壓力，電機停止運轉，系統進行保壓。

圖1 控制原理框圖

2 硬件設計

基于伺服電機控制的鉆井泵遠程調壓裝置，主要由伺服控制系統、節流閥總成、聯軸器、壓力變送器等部分組成。

采用模塊化設計，PLC、伺服驅動器、觸摸屏、調壓手輪及各類開關集成在控制柜中，伺服電機通過聯軸器與節流閥總成連接，編碼器安裝在電機非驅動端，壓力變送器安裝在節流閥總成上。伺服電機、編碼器及壓力變送器通過電纜與控制柜連接。工作時將控制柜放置在遠離鉆井泵高壓試驗的安全區域。

2.1 伺服控制系統

伺服控制系統主要包括：1）PLC。PLC是整個控制系統的核心，負責接收外部壓力輸入信號，通過軟件計算，向伺服驅動器發出控制指令。2）伺服驅動器。能實現高精度、高性能的伺服控制功能，其先進的定位功能將實現電機軸的絕對、相對定位。3）伺服電機。把所收到的電脈沖信號轉換成電動機軸上的角位移輸出，實現精確的定位。4）觸摸屏。用于調壓裝置的加壓、降壓、快速卸壓操作，并具有壓力設定、波動限制、故障報警、輸出曲線功能。

PLC、伺服驅動器、觸摸屏通過Profibus-DP總線進行數據傳輸與交換。如圖2所示。

圖2 伺服控制系統

2.2 電機負載扭矩計算

目前，鉆機試驗井場進行鉆井泵試驗最大壓力為52MPa（9 000 m鉆機）,控制鉆井泵流量的節流閥為針式節流閥，梯形螺紋傳動形式。

1）節流閥閥桿螺紋副的當量摩擦角φv的確定。節流閥螺桿-螺母材料：鋼-青銅合金，取其摩擦因數 f=0.1［3］，梯形螺紋牙側角 β=30°，則 φv=arctan（f/cosβ）=arctan（0.1÷cos30°）=6.59°。

2）節流閥閥桿螺紋升角φ的確定。節流閥公稱通徑d=36 mm，螺距 p=6 mm，螺桿螺紋中徑 d2=33 mm［3］，螺紋線數n=1，則φ=arctan［np/（πd2）］=arctan［1×6÷（3.14×33）］=3.312°。

3）節流閥桿軸向力F的計算。節流閥試驗最高工作壓力 P=52 MPa，節流通徑 D=45 mm，則 F=P×A=P×π×D2/4=52×106×3.14×452×10-6÷4=82 660.5 N。

4）驅動轉矩T的計算。T=F×tan（φ+φv）×d2/2=82 660.5×tan（3.31+6.59）×33×10-3÷2=238.038 N·m。

綜上所述，伺服電機采用西門子齒輪傳動交流伺服電動機，集成Drive-CLIQ接口的編碼器。考慮到電機與節流閥連接間聯軸器自重、摩擦副間粉塵等因素的影響，選用的伺服電機參數如下：額定功率P=1.44 kW，額定轉速n1=3 000 r/min，減速箱輸出轉速 n2=43 r/min，減速箱輸出扭矩T=319 N·m。

2.3 其它元器件選擇

1）伺服驅動器。伺服驅動器采用Sinamics單軸驅動器，控制模塊和功率模塊及CF卡一起構成一個具有Profibus-通訊的高性能單軸交流驅動器。參數如下：輸入電壓為 3AC（380～480 V），50 Hz；額定電流為 5.9 A；額定功率為2.2 kW。

2）PLC型號為西門子 S7-300系列，CPU型號為S7313C-2DP。

3）觸摸屏為10.4 in，256色，8個功能鍵，MPI/Profibus DP接口。

3 軟件設計

3.1 初次啟動

在電機與節流閥連接之前，應先完成伺服電機的上電空載調試。

在伺服電機與節流閥機械連接后，首先要標定閥的開度。將閥移到開度為零的位置，在觸摸屏點擊零點標定，設定“零點位置”。然后將閥門開度到完全打開，記下位置，設此位置為行程標定。

在完成以上工作后，可以通過程序將其量化。將閥門開度從零到全部打開的位置量化為0到100%。

3.2 手動工作模式

在手動工作模式下，設定閥門打開的開度，進行工作。主要設定參數包括“閥門開度”、“移動速度”等參數，功能較為簡單。

3.3 自動工作模式

在自動工作模式下，通過程序設定系統的壓力，達到設定壓力時，系統停止工作，具有自鎖功能，達到設定壓力后，能夠實現保壓。程序由初始化程序、主程序、故障處理子程序、參數設置、掉電存儲、報警程序等部分構成。主要功能是系統壓力變送器原始數據采集、實際壓力值的計算及從驅動器獲取電機相關參數并顯示、向驅動器發出控制指令等。

其程序控制流程如圖3所示：控制流程序圖的步驟1、步驟 2、步驟 3、步驟 4均需要設置閥門開度（0～100%）和移動速度。閥門及速度符合步驟1＞步驟2＞步驟3＞步驟4，當執行到步驟3時，移動速度及閥門開度應設置較小的數值，且會隨著步驟4的執行結果自減。確保壓力穩定在設定值，實現保壓功能。在遇到緊急情況，拍下急停按鈕，通過設置較快的移動速度，將閥門移至全關的位置，實現快速卸壓保護。

4 現場應用

基于伺服電機控制的鉆井泵遠程調壓裝置研制成功以后，自2013年11月起，在ZJ50DB、ZJ70DB、ZJ90DB等系列鉆機配套的鉆井泵上進行試驗，最高試驗壓力達52 MPa。

圖4為單臺鉆井泵手動工作模式下加壓試驗曲線，圖5為3臺鉆井泵聯調試驗時，自動工作模式下加壓試驗曲線。

圖4 單泵手動加壓試驗曲線

圖5 三泵自動加壓試驗曲線

與原有調壓裝置對比，該調壓裝置的優勢為：1）采用先進的伺服控制技術，利用交流伺服電機控制節流閥的開度大小，自動實現系統壓力的精準調節，試驗過程壓力控制精確、平穩，完全能滿足鉆井泵出廠試驗要求，縮短了試驗周期；2）將控制操作單元集成為智能化遠程控制柜，通過電纜與被控對象連接；控制柜可放置在距離鉆井泵30 m以外的安全區域，使操作人員遠離高壓危險區域，確保了人身安全，大大降低了試驗風險；3）人機界面設計操作簡單，試驗參數一目了然。

經過軟件完善、操作界面優化、硬件改進，目前各項性能達到設計和使用要求，得到一線操作人員的普遍贊譽。

5 結語

本文設計了基于伺服電機控制的鉆井泵遠程調壓裝置，其獨特的設計和完善的功能完全能滿足鉆井泵負荷運轉試驗的要求，系統工作穩定，控制精度高，人機界面設計簡捷，操作簡單，操作者可以遠離高壓區進行操作，安全性高。該裝置具有廣闊的應用前景和較高的推廣價值。

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