石油鉆機絞車永磁直驅(qū)電機智能送鉆控制研究

張炳義，劉 凱，陳亞千，馮桂宏，劉家榮，李 超

（1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽110870；2.北京探礦工程研究所，北京100083）

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石油鉆機絞車永磁直驅(qū)電機智能送鉆控制研究

張炳義1，劉 凱1，陳亞千1，馮桂宏1，劉家榮2，李 超2

（1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽110870；2.北京探礦工程研究所，北京100083）

摘要：針對石油鉆機絞車自動送鉆系統(tǒng)具有多變量、大時滯和難以建立數(shù)學模型等特點，分析送鉆系統(tǒng)鉆壓控制不穩(wěn)定的問題。將智能模糊控制算法應(yīng)用到絞車自動送鉆系統(tǒng)中，提出了基于永磁直驅(qū)電機絞車的新型自動送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，并對永磁直驅(qū)電機進行現(xiàn)場試驗，驗證其送鉆時低速帶載能力。根據(jù)設(shè)計方案完成智能控制自動送鉆系統(tǒng)的搭建，并將模糊理論與可編程邏輯控制器相結(jié)合應(yīng)用到送鉆系統(tǒng)中，給出智能模糊控制算法及基于可編程邏輯控制器的實現(xiàn)方法。結(jié)果表明：新型絞車永磁直驅(qū)電機能夠為自動送鉆系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障；應(yīng)用智能模糊控制算法能夠克服傳統(tǒng)算法下送鉆鉆壓波動大的問題；智能控制送鉆系統(tǒng)鉆壓控制效果良好。

關(guān)鍵詞：絞車；永磁直驅(qū)電機；智能控制；自動送鉆

21世紀以來，全球油氣勘探難度越來越大，勘探對象日益復雜［1］。為提高鉆井速度及鉆井的綜合效益，開發(fā)了一種新型控制系統(tǒng)——自動送鉆系統(tǒng)［2-3］，該系統(tǒng)中自動送鉆技術(shù)是整個系統(tǒng)的核心。隨著勘探開采業(yè)的快速發(fā)展，鉆機對自動送鉆的控制要求變得更高。但是，傳統(tǒng)控制算法面對多變量、大時滯和非線性的自動送鉆系統(tǒng)時所整定的參數(shù)適應(yīng)性很差，導致鉆壓波動較大，自動送鉆控制效果不理想。

為了提高自動送鉆系統(tǒng)的控制性能，實現(xiàn)科學鉆井，國內(nèi)外學者對鉆機自動送鉆展開了深入的研究。文獻［4］論述了自動送鉆鉆進過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速與鉆速、鉆頭磨損的關(guān)系，指出自動送鉆系統(tǒng)具有時滯和高度非線性的特點。文獻［5-6］論述了基于異步電機、減速箱與液壓工作鉗組成傳統(tǒng)絞車系統(tǒng)的自動送鉆技術(shù)?；趥鹘y(tǒng)絞車系統(tǒng)的自動送鉆約占我國鉆機的90%～95%，系統(tǒng)具有組成龐雜、傳動效率較低、日常維護工作量大、設(shè)備成本高等特點。文獻［7-8］提出將PID控制算法應(yīng)用到自動送鉆控制中，其能按設(shè)定的鉆壓自動鉆井，減輕司鉆工的勞動強度。但是，受地層的軟硬程度改變、泥漿水力參數(shù)的變化和鉆頭磨損等因素影響，絞車鉆機送鉆系統(tǒng)是變參數(shù)的非線性系統(tǒng)，致使傳統(tǒng)PID算法在建立數(shù)學模型非常困難，系統(tǒng)鉆壓控制效果較差。

鑒于傳統(tǒng)算法在處理多變量、時變和非線性的送鉆系統(tǒng)時難以建立數(shù)學模型的難題，利用智能控制中的模糊控制算法不需要建立準確數(shù)學模型的優(yōu)勢［9-10］，將智能模糊算法應(yīng)用到自動送鉆系統(tǒng)中。筆者完成了基于永磁直驅(qū)電機的新型絞車自動送鉆系統(tǒng)的設(shè)計，驗證了永磁直驅(qū)電機低速送鉆穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩的能力［11］；給出了基于PLC的模糊控制算法的實現(xiàn)方法，完成了自動送鉆系統(tǒng)的建模和仿真，驗證永磁直驅(qū)電機能夠為自動送鉆系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供保障，應(yīng)用智能模糊控制算法的送鉆系統(tǒng)對鉆壓控制效果良好。

1 PMDM絞車自動送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型鉆機絞車自動送鉆系統(tǒng)如圖1。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)主要負責自動送鉆鉆壓的顯示、記錄和系統(tǒng)的常規(guī)外設(shè)；智能控制單元是整個自動送鉆的核心，擔負著自動送鉆鉆壓穩(wěn)定控制的重任；變頻器單元控制絞車的提送鉆工作，其內(nèi)含的制動斬波器和制動電阻用來消耗絞車下放時產(chǎn)生的電能；緊急制動單元主要負責當送鉆系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行時緊急制動絞車，避免事故發(fā)生。司鉆工可根據(jù)實時鉆井的要求設(shè)定不同的鉆壓，系統(tǒng)通過死繩拉力傳感器和鉆壓傳送系統(tǒng)將鉆壓值反饋到智能控制單元。智能控制單元的輸出信號控制絞車永磁直驅(qū)電機實際的送鉆速度，進而控制送鉆鉆壓。

圖1　絞車自動送鉆系統(tǒng)

2 PMDM低頻帶載試驗

絞車低頻帶載運行時，能否穩(wěn)定地輸出轉(zhuǎn)矩是自動送鉆系統(tǒng)穩(wěn)定運行的先決條件和保障。傳統(tǒng)絞車包含異步電機、減速箱和工作鉗，送鉆系統(tǒng)龐大，傳動復雜，造成前期制造成本和后期檢修維護成本高，且增加了系統(tǒng)的故障率。當負載率小于50%時，異步電機運行效率與功率因數(shù)大幅下降，在用電的進線端必須加功率補償裝置以保證電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)。PMDM轉(zhuǎn)子上無感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子損耗，只此一項可提高電機效率4%～50%。由于轉(zhuǎn)子上無感應(yīng)電流，其功率因數(shù)幾乎為1，不需要再安裝功率補償裝置。本文設(shè)計完成了PMDM對滾筒進行直驅(qū)的新型絞車驅(qū)動系統(tǒng)，利用PMDM的直驅(qū)特性省去了龐大的減速裝置和工作鉗。PMDM的額定參數(shù)如表1所示。

表1　永磁電機額定參數(shù)

為了驗證絞車PMDM的低速帶載能力，對PMDM進行了試驗，鉆機現(xiàn)場試驗如圖2所示。試驗時通過V A C On變頻器設(shè)置PMDM的運行頻率為0.01 H z，該值也是變頻器的最小分辨率。監(jiān)測絞車電機在該頻率下運行時電機輸出電流的曲線如圖3所示。PMDM的輸出電流在30～60 s時穩(wěn)定在140.1 A，電機輸出電流平滑穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明：基于PMDM的絞車系統(tǒng)省去龐雜的減速箱和復雜的液壓機構(gòu)，實現(xiàn)對鉆具的直驅(qū)，提升了絞車送鉆的控制精度。PMDM低頻帶載運行穩(wěn)定，證明基于PMDM的絞車系統(tǒng)能夠為自動送鉆穩(wěn)定運行提供保障。

圖2　鉆機絞車永磁直驅(qū)電動機試驗現(xiàn)場

圖3　永磁直驅(qū)電機輸出電流曲線

3 智能控制器的設(shè)計

模糊控制器輸入量為鉆壓的誤差e和誤差變化率ec?？刂破鞯妮斎胄盘柦?jīng)過PLC模糊化、模糊決策和解模糊運算后輸出頻率指令u，其經(jīng)過O P T-C3板卡被傳送給變頻器，變頻器根據(jù)輸入信號自動控制鉆具的下放速度進而控制鉆壓。鉆壓誤差e、誤差變化率ec和輸出量u的隸屬函數(shù)如表2所示。

表2　智能控制器的隸屬函數(shù)

模糊論域量化為｛－6、－5、－4、－3、－2、－1、0、1、2、3、4、5、6｝，確定鉆壓誤差e、誤差變化率ec和輸出控制量u的語言值為N B（負大）、N S（負?。?、ZE（零）、PS（正?。B（正大）?？刂破鞑捎媚：龡l件語句表示為“if E＝A and EC＝B than U＝C”的形式。該模糊關(guān)系的算法為R（e，ec，u）＝E（e）∩EC （ec）∩U（u）。模糊關(guān)系矩陣R（e，ec，u）是一個（（13× 13）×15）維的F矩陣，可通過式（1）算得，即

智能模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)實際送鉆過程中司鉆工的手動控制策略擬合的，而司鉆工的手動控制策略是經(jīng)過長期的學習與經(jīng)驗累積形成的一種知識和技術(shù)的結(jié)合。借鑒模糊控制理論的發(fā)展成果和實際自動送鉆控制的現(xiàn)場經(jīng)驗與反復試驗，最后總結(jié)得出模糊控制規(guī)則，共有25條控制規(guī)則，如表3所示。

表3　模糊控制規(guī)則

由模糊推理獲得的控制量是模糊語言變量論域上的模糊子集，得出的模糊控制器輸出U的曲面如圖4所示，它是多條模糊控制規(guī)則所得結(jié)論的綜合，需將其轉(zhuǎn)換成實際控制清晰值。常用的清晰化方法有面積重心法（centroid）、面積平均法（bisector）和最大隸屬法（maximum）3類。本文中自動送鉆模糊控制器清晰化方法選用centroid方法。

圖4　模糊控制器的輸出U曲面

4 智能控制算法的PLC實現(xiàn)

隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器因其卓越的工作性能而得到廣泛的應(yīng)用。本文將模糊控制算法與西門子S7-300PLC相結(jié)合，應(yīng)用到自動送鉆系統(tǒng)中。根據(jù)鉆井需要，井底鉆壓應(yīng)在鉆進的過程中保持不變，鉆壓W允許的誤差范圍即誤差e的基本論域是［－5，5］k N。由于鉆井過程中各種干擾很多（例如地層變化、各種摩擦、井底的凈化程度等），都會使鉆壓偏離給定值，所以選定鉆壓實際誤差變化率ec的基本論域為［－2，2］。根據(jù)經(jīng)驗將鉆具下放速度最大設(shè)置為36 m/h，折算到變頻器的輸出頻率為7.18 H z，確定控制器輸出u的基本論域為［－7，7］H z，從而得到控制器的量化因子Ke、Kec、Ku，并分別寫入到數(shù)據(jù)寄存器中。利用S7-300PLC 中AI8 X12Bit（331-7 K F02-0 A A0）模塊將鉆壓采集到PLC中，將PLC輸出信號經(jīng)過Profibus-D P總線傳到變頻器。然后計算e和ec，分別寫入到DB7. DBD0和DB7.DBD4中，將模糊化后的E和EC分別寫入到DB8.DBD0和DB8.DBD4中。將計算所得的模糊量U寫入到DB8.DBD8中，將解模糊化所得的精確量u寫入到DB7.DBD8中。將控制器的輸入量論域變換為｛0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13｝，所得的模糊控制決策狀態(tài)如表4所示。

將表4所示模糊控制決策狀態(tài)按照從左到右、從上到下的順序依次寫入到PLC的掉電保存數(shù)據(jù)區(qū)D B1.D B D10－D B1.D B D682中，模糊控制量U的尋址采用基址＋偏移地址的尋址方式，可表示為10＋EC×13＋E。根據(jù)地質(zhì)得到模糊量U后，經(jīng)解模糊后就可得到精確量u。

表4　模糊控制決策狀態(tài)

5 鉆壓智能模糊控制自動送鉆系統(tǒng)試驗

本文利用Fuzzy Logic Toolbox軟件完成Fuzzy Logic Controller模塊的建立。鉆壓模糊控制器設(shè)計完成后，還需驗證該控制策略能否滿足要求，驗證智能模糊控制算法的有效性。設(shè)用M（s）來模擬井下鉆壓干擾（門閥鉆壓）。在自動送鉆模糊控制系統(tǒng)的運行過程中，首先設(shè)置門閥鉆壓M（s）＝0 k N，設(shè)置鉆進鉆壓值為20 k N，在該給定階躍信號作用下，系統(tǒng)送鉆鉆壓輸出曲線如圖5所示。

圖5　門閥鉆壓為0 k N時系統(tǒng)輸出鉆壓曲線

由圖5可以看出：自動送鉆系統(tǒng)響應(yīng)速度約為0.13 s，自動送鉆系統(tǒng)存在超調(diào)量，超調(diào)量約為6%，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快超調(diào)量很小，自動送鉆系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差約為1%，其對于自動送鉆系統(tǒng)實際送鉆鉆壓可以忽略不計，智能模糊控制器的整體控制效果良好。為了檢驗自動送鉆模糊控制系統(tǒng)抗干擾能力，更改門閥鉆壓M（s）的值用來模擬井底巖層變化，將其從0 k N改為3 k N，此時系統(tǒng)鉆壓的響應(yīng)曲線如圖6所示。對比圖6與圖5中輸出鉆壓曲線，可以看出：門閥鉆壓為3 k N響應(yīng)曲線的初始超調(diào)量與閥鉆壓為0 k N時基本沒有變化，當鉆壓穩(wěn)定后，2組曲線的穩(wěn)態(tài)誤差基本相同，說明模糊控制系統(tǒng)有著很強的抗干擾性。結(jié)果證明，本文中自動送鉆智能模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計滿足要求，控制效果良好。

圖6　門閥鉆壓為3 k N時系統(tǒng)輸出鉆壓曲線

6 結(jié)論

1） 基于PMDM的絞車系統(tǒng)省去了龐雜的減速箱和液壓工作鉗，簡化了系統(tǒng)，提高了傳動效率。絞車電機低頻帶載試驗結(jié)果驗證了其能夠平滑穩(wěn)定地輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，證明了基于PMDM的滾筒直驅(qū)新型絞車自動送鉆系統(tǒng)的合理性和優(yōu)越性。

2） 智能模糊控制算法的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)控制算法在處理多變量、大時滯和非線性的鉆機自動送鉆系統(tǒng)時難以建立準確數(shù)學模型的難題，克服了傳統(tǒng)控制算法下送鉆鉆壓波動大的問題。該自動送鉆系統(tǒng)響應(yīng)迅速，送鉆鉆壓穩(wěn)定，具有很強的抗干擾性，自動送鉆鉆壓控制效果理想。

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Researching on Intelligent Drilling Control of Petroleum Drilling Rig Winch Permanent Magnet Direct-drive Motor

ZHANG Bingyi1，LIU Kai1，CHEN Yaqian1，F(xiàn)ENGG uihong1，LIU Jiarong2，LI Chao2
（1.Schoolof Electricɑl Engineering，Shenyɑng Uniυersity of Technology，Shenyɑng 110870，Chinɑ；2.Beijing Institute of Explorɑtion Engineering，Beijing 100083，Chinɑ）

Abstract：With respect to the features of Petroleumrig winch auto matic drilling system’smultiple variables，large time delay and difficult to establish mathematical model，the unstable problem of the drilling pressure’s control is analyzed. An intelligent fuzzy control method is proposed for winch auto matic drilling system. The novel winch system’sdesign scheme based on Permanent Magnet Direct-drive Motor（PMDM）is designed. For testing the operation performance of the PMDM，the experiment is executed on it under low speed with load. According the design scheme，the intelligent auto matic drilling system is founded. The com bination of fuzzy logic and Programmable Logic Controller（PLC）is applied to auto matic drilling system. An implementation method ofintelligent fuzzy control algorith m based on PLC is presented. The results confirm that the novel winch PMDM can guarantee the stable operation of auto matic drilling system.The auto matic drilling system with application of intelligent fuzzy control algorithm performs well at drilling pressure’scontrol.

Key Words：draw works；PMDM；intelligent control；auto matic drilling

作者簡介：張炳義（1954-），男，遼寧沈陽人，教授，博士生導師，主要從事特種電機及其控制和電子電氣機械一體化研究，E-mail：zby541108 @ vip.sina.com。

基金項目：國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項（2012 Y Q050242）

收稿日期：2015-07-16

文章編號：1001-3482（2016）01-0001-05

中圖分類號：T E928

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.001