基于伺服電機(jī)控制的鉆井泵遠(yuǎn)程調(diào)壓裝置的研制與應(yīng)用

李立新， 朱永慶， 廖恒偉

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

鉆井泵是鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備，出廠前，需按鉆機(jī)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)大綱要求，進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，目的在于檢測(cè)鉆井泵和高壓管匯的耐壓能力，以及柴油發(fā)電機(jī)組和電控系統(tǒng)的帶載能力，確保產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。

目前，鉆井泵在鉆機(jī)試驗(yàn)井場(chǎng)進(jìn)行高壓負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，主要通過一種手動(dòng)針式節(jié)流閥調(diào)壓工裝進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，這種依靠人工反復(fù)扳動(dòng)節(jié)流閥手輪進(jìn)行加壓或卸壓的方法，有以下不足：1）鉆井泵負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)最高壓力可達(dá)52 MPa，存在高壓放噴、管線泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全構(gòu)成威脅；2）不能實(shí)現(xiàn)閥門的柔性開關(guān)，系統(tǒng)壓力波動(dòng)對(duì)設(shè)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(lián)調(diào)試驗(yàn)停機(jī)率高；3）控制精度尚不能完全滿足鉆井泵負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)壓力控制的要求；4）遇到緊急情況，不能實(shí)現(xiàn)快速卸壓。

鑒于以上原因，筆者根據(jù)多年鉆機(jī)試驗(yàn)井場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，提出一種基于伺服電機(jī)控制的鉆井泵遠(yuǎn)程調(diào)壓裝置，以改變現(xiàn)有技術(shù)中依靠人工扳動(dòng)節(jié)流閥手輪進(jìn)行調(diào)壓的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)鉆井泵壓力的遠(yuǎn)程、自動(dòng)和精準(zhǔn)控制，使操作人員遠(yuǎn)離高壓試驗(yàn)危險(xiǎn)區(qū)，保障了操作人員的人身安全。

1 控制原理

基于伺服電機(jī)控制的鉆井泵遠(yuǎn)程調(diào)壓裝置，通過伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)針式節(jié)流閥閥桿旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，改變節(jié)流閥開度面積的大小，控制鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)液體的流量和速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井泵系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)。

控制原理如圖1所示。通過觸摸屏或手輪，對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行給定，由PLC進(jìn)行比較運(yùn)算，將控制指令傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)（加壓）或反轉(zhuǎn)（降壓）。編碼器和變送器構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)壓力實(shí)時(shí)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和PLC，來不斷地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，直到系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)行保壓。

圖1 控制原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

基于伺服電機(jī)控制的鉆井泵遠(yuǎn)程調(diào)壓裝置，主要由伺服控制系統(tǒng)、節(jié)流閥總成、聯(lián)軸器、壓力變送器等部分組成。

采用模塊化設(shè)計(jì)，PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、調(diào)壓手輪及各類開關(guān)集成在控制柜中，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與節(jié)流閥總成連接，編碼器安裝在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端，壓力變送器安裝在節(jié)流閥總成上。伺服電機(jī)、編碼器及壓力變送器通過電纜與控制柜連接。工作時(shí)將控制柜放置在遠(yuǎn)離鉆井泵高壓試驗(yàn)的安全區(qū)域。

2.1 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)主要包括：1）PLC。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收外部壓力輸入信號(hào)，通過軟件計(jì)算，向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令。2）伺服驅(qū)動(dòng)器。能實(shí)現(xiàn)高精度、高性能的伺服控制功能，其先進(jìn)的定位功能將實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸的絕對(duì)、相對(duì)定位。3）伺服電機(jī)。把所收到的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移輸出，實(shí)現(xiàn)精確的定位。4）觸摸屏。用于調(diào)壓裝置的加壓、降壓、快速卸壓操作，并具有壓力設(shè)定、波動(dòng)限制、故障報(bào)警、輸出曲線功能。

PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏通過Profibus-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換。如圖2所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)

2.2 電機(jī)負(fù)載扭矩計(jì)算

目前，鉆機(jī)試驗(yàn)井場(chǎng)進(jìn)行鉆井泵試驗(yàn)最大壓力為52MPa（9 000 m鉆機(jī)）,控制鉆井泵流量的節(jié)流閥為針式節(jié)流閥，梯形螺紋傳動(dòng)形式。

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

2）節(jié)流閥閥桿螺紋升角φ的確定。節(jié)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(shù)n=1，則φ=arctan［np/（πd2）］=arctan［1×6÷（3.14×33）］=3.312°。

3）節(jié)流閥桿軸向力F的計(jì)算。節(jié)流閥試驗(yàn)最高工作壓力 P=52 MPa，節(jié)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(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T的計(jì)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(jī)采用西門子齒輪傳動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)，集成Drive-CLIQ接口的編碼器?？紤]到電機(jī)與節(jié)流閥連接間聯(lián)軸器自重、摩擦副間粉塵等因素的影響，選用的伺服電機(jī)參數(shù)如下：額定功率P=1.44 kW，額定轉(zhuǎn)速n1=3 000 r/min，減速箱輸出轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器采用Sinamics單軸驅(qū)動(dòng)器，控制模塊和功率模塊及CF卡一起構(gòu)成一個(gè)具有Profibus-通訊的高性能單軸交流驅(qū)動(dòng)器。參數(shù)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(hào)為西門子 S7-300系列，CPU型號(hào)為S7313C-2DP。

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

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 初次啟動(dòng)

在電機(jī)與節(jié)流閥連接之前，應(yīng)先完成伺服電機(jī)的上電空載調(diào)試。

在伺服電機(jī)與節(jié)流閥機(jī)械連接后，首先要標(biāo)定閥的開度。將閥移到開度為零的位置，在觸摸屏點(diǎn)擊零點(diǎn)標(biāo)定，設(shè)定“零點(diǎn)位置”。然后將閥門開度到完全打開，記下位置，設(shè)此位置為行程標(biāo)定。

在完成以上工作后，可以通過程序?qū)⑵淞炕?。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(dòng)工作模式

在手動(dòng)工作模式下，設(shè)定閥門打開的開度，進(jìn)行工作。主要設(shè)定參數(shù)包括“閥門開度”、“移動(dòng)速度”等參數(shù)，功能較為簡(jiǎn)單。

3.3 自動(dòng)工作模式

在自動(dòng)工作模式下，通過程序設(shè)定系統(tǒng)的壓力，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)停止工作，具有自鎖功能，達(dá)到設(shè)定壓力后，能夠?qū)崿F(xiàn)保壓。程序由初始化程序、主程序、故障處理子程序、參數(shù)設(shè)置、掉電存儲(chǔ)、報(bào)警程序等部分構(gòu)成。主要功能是系統(tǒng)壓力變送器原始數(shù)據(jù)采集、實(shí)際壓力值的計(jì)算及從驅(qū)動(dòng)器獲取電機(jī)相關(guān)參數(shù)并顯示、向驅(qū)動(dòng)器發(fā)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(shè)置閥門開度（0～100%）和移動(dòng)速度。閥門及速度符合步驟1＞步驟2＞步驟3＞步驟4，當(dāng)執(zhí)行到步驟3時(shí)，移動(dòng)速度及閥門開度應(yīng)設(shè)置較小的數(shù)值，且會(huì)隨著步驟4的執(zhí)行結(jié)果自減。確保壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)保壓功能。在遇到緊急情況，拍下急停按鈕，通過設(shè)置較快的移動(dòng)速度，將閥門移至全關(guān)的位置，實(shí)現(xiàn)快速卸壓保護(hù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于伺服電機(jī)控制的鉆井泵遠(yuǎn)程調(diào)壓裝置研制成功以后，自2013年11月起，在ZJ50DB、ZJ70DB、ZJ90DB等系列鉆機(jī)配套的鉆井泵上進(jìn)行試驗(yàn)，最高試驗(yàn)壓力達(dá)52 MPa。

圖4為單臺(tái)鉆井泵手動(dòng)工作模式下加壓試驗(yàn)曲線，圖5為3臺(tái)鉆井泵聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)，自動(dòng)工作模式下加壓試驗(yàn)曲線。

圖4 單泵手動(dòng)加壓試驗(yàn)曲線

圖5 三泵自動(dòng)加壓試驗(yàn)曲線

與原有調(diào)壓裝置對(duì)比，該調(diào)壓裝置的優(yōu)勢(shì)為：1）采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)，利用交流伺服電機(jī)控制節(jié)流閥的開度大小，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，試驗(yàn)過程壓力控制精確、平穩(wěn)，完全能滿足鉆井泵出廠試驗(yàn)要求，縮短了試驗(yàn)周期；2）將控制操作單元集成為智能化遠(yuǎn)程控制柜，通過電纜與被控對(duì)象連接；控制柜可放置在距離鉆井泵30 m以外的安全區(qū)域，使操作人員遠(yuǎn)離高壓危險(xiǎn)區(qū)域，確保了人身安全，大大降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)；3）人機(jī)界面設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)參數(shù)一目了然。

經(jīng)過軟件完善、操作界面優(yōu)化、硬件改進(jìn)，目前各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求，得到一線操作人員的普遍贊譽(yù)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于伺服電機(jī)控制的鉆井泵遠(yuǎn)程調(diào)壓裝置，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和完善的功能完全能滿足鉆井泵負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制精度高，人機(jī)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷，操作簡(jiǎn)單，操作者可以遠(yuǎn)離高壓區(qū)進(jìn)行操作，安全性高。該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的推廣價(jià)值。

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