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陕西德嘉自动化技术有限公司
技术方案书
电气设备名称 ：小电机自动送钻系统
日期 ：2008 年3 月5 日
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目录
1 系统概述................................................................. 2
2 系统原理................................................................. 3
3 设备构成................................................................. 3
3.1 PLC.................................................................... 3
3.2 模拟量模块............................................................. 4
3.3 变频器................................................................. 4
3.4 人机界面............................................................... 4
4 配套范围................................................................. 5
5 传感器列表............................................................... 5
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1 系统概述
小电机是设计钻机设备时为了避免绞车系统故障时，代替绞车活动钻具的重要设备。现有大
多数钻机都配有小电机作为备用的应急装置。近年来，国内外出现了利用此小电机设计自动送钻
系统的许多案例。因为实际钻井工况复杂，技术难度较高，很多厂家设计的自动送钻系统送钻钻
压精度不高，没有很好的保护钻头，再者本身调节速度较慢，在地层不稳定时，送钻效果并不理
想。
我公司根据多年的现场服务和跟踪经验，认真分析了国内几大油田的地层特性和司钻工人的
操作习惯，对原自动送钻系统进行改良，提出了采用自适应PID 算法并结合模型参考学习算法，
实时记录钻压变化，分析地层，动态调整系统PID 参数，做到大范围自适应自动送钻，进而实现
免调试自动送钻系统。PLC 内部控制核心软件一次封装，系统运行可靠稳定。采用自适应PID 算
法和模型参考学习算法的自动送钻装置，避免了最近两年来许多自动送钻在不同井位、不同地层
送钻效果差异较大、钻压波动较大、送钻速度不理想的情况。
自动送钻主要用于钻进时稳定钻压、控制送钻速度。自动送钻只需简单设定几个钻井工作参
数，运行中不需要司钻人为控制，大大减轻了司钻的工作强度，避免了机械钻机人工送钻易引起
的司钻疲劳进而引发钻井事故。
自动送钻系统控制钻具按照设定的钻压、钻速工作，采用优良的传感器和控制器通过PLC 实
时控制，其精度和反映速度远远高于人工操作，符合科学钻井的要求。除此之外，自动送钻系统
还具有断电刹车、传感失误刹车、自诊断等许多保护功能独特优点，避免了各种突发事件引起的
钻井事故，保护钻头、降低工人劳动强度，降低钻井成本。
在各种自动送钻系统中，变频电机自动送钻以其优越的性能受到人们的青睐。随着电力电子
技术的发展，变频器的性能越来越强，它的速度精度和力矩响应都远远高于其他机械设备，在自
动送钻系统中逐渐成为主流。现场总线技术通讯技术的应用，使自动送钻系统达到数字化、集散
控制的目的，加强了系统的集成度，提高系统可靠性，大大降低了系统成本。
自动送钻系统符合以下标准：
􀂾 GB/T3797-89 《电控设备 第二部分：装有电子器件的电控设备》。
􀂾 GB4720-84 《电控设备 第一部分：低压电器电控设备》。
􀂾 IEC60079-0 《爆炸性气体环境用电气设备通用要求》。
􀂾 GB7251.1～5-97，98 《低压成套开关设备和控制设备》(等同采用IEC60439)。
􀂾 API RP500《石油设施电力装置场所分类推荐作法》
􀂾 SY/T 6283-97《石油天然气钻井健康、安全与环境管理体系指南》
􀂾 IEC 和IEEE 的相关标准
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2 系统原理
钻井钻进过程，钻头与地面之间需要保持一个恒定的压力。压力过小则影响钻井速度，压力
过大容易造成钻具损坏或钻井倾斜。自动送钻系统的应用，最大限度的提高了钻井速度，并有效
地保护钻具，在使用过程中，钻头与地面始终保持在设定的钻压，保证时刻以最大速度钻进。与
人为操作相比，避免了钻头与地层的冲击，达到保护钻头的目的，延长了钻头的使用时间。
钻具本身的重量远远超过了需要的钻压，在钻井过程中，必须有一个力来抵消钻具的重力。
在变频电机自动送钻系统中，PLC 采集悬重传感器的信号，计算出钻压大小并与设定钻压比较，
PLC 通过控制变频器进行调节。针对钻压系统具有的时滞、时变、非线性等特点，我们对钻压优
化控制系统进行了设计，对变频器进行智能控制，在异常情况时可进行手动干预，从而实现钻压
优化自动送钻。
PLC 与HMI 通过DP 网络通讯连接，可以互相交换大量数据，所需工艺参数都可以在HMI 上
显示、设定和存储。例如：可以显示大钩拉力、钻压、送钻速度等重要工艺参数；也可显示变频
器速度、力矩、电流、工作状态等；可以设定钻压、最高钻速等参数；可以进行启动、停止系统
等操作。
3 设备构成
系统由变频柜和司钻控制台组成，变频器及其电压电器元件安装在变频柜中，通过PROFIBUS
电缆与司钻台内的PLC 和人机界面连接。
系统采用SIEMENS S7-300 PLC 作为控制器的硬件核心，应用SIEMENS PLC 相应的编程软件
SIMATIC STEP7 V5.3 进行了控制器的软件编制，并应用PROFIBUS DP 网实现了钻压控制器与外
围控制系统之间的数据通讯。变频器采用SIEMENS 6SE70 系列高精度矢量变频器，通过PROFIBUS
与PLC 交换数据。下面就主要元器件作一些介绍：
3.1 PLC
1) SIEMENS S7 315-2DP
2) 具有中、大规模的程序存储容量和数据结构
3) 对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力
4) PROFIBUS DP 主站、从站接口
5) 可用于大规模的I/O 配置
6) 可用于建立分布式I/O 结构
7) 编程软件 SIMATIC STEP7 V5.3
8) 工作存储器128KB，装载存储器最大8MB
9) MCC 免维护
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3.2 模拟量模块
1) 型号 6ES7 331-7KB02-0AB0
2) 8 通道模拟量输入，输入电压范围： -10V～10V
3) 输入电流范围： -20mA～20mA
4) 测量原理：积分式
5) 支持两线制和四线制4～20mA 电流测量
6) 误差：±0.7%
3.3 变频器
1) 易于安装参数设置和调试
2) 牢固的 EMC 设计
3) 对控制信号的响应是快速和重复的
4) 参数设置的范围很广确保它可对广泛的应用对象进行配置
5) 具有多个继电器输出
6) 具有多个模拟量输出 (0－20mA)
7) 模块化设计配置非常灵活
8) 脉宽调制的频率高因而电动机运行的噪音低
9) 详细的变频器状态信息和全面的信息功能
10) 快速电流限制 (FCL)功能，避免运行中不应有的跳闸
11) 复合制动功能改善了制动特性
12) 加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能
13) 起始和结束段带平滑圆弧
14) 具有比例、积分和微分（PID）控制功能的闭环控制
15) 动力制动的缓冲功能
16) 定位控制的斜坡下降曲线
3.4 人机界面
1) SIEMENS 产品TP270 系列
2) 操作简单,功能完备
3) 连接简洁,易于维护
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4 配套范围
项
目
名 称 型 号 数 量
1. 自动送钻变频柜37Kw SIEMENS 1 台
2. PROFIBUS-DP 总线系统 SIEMENS 1 套
3. 全套变频电机动力、控制电缆及连接件 1 套
4. 智能化远程司钻操作系统（含PLC、HMI） 含气、液、电联控程序 1 套
5. 能耗制动系统（制动单元及制动电阻装置） 1 套
6. 小电机自动送钻控制系统（含编码器1 套） 1套
其中，第3 项包括：
* VFD 房内所有动力及控制电缆.
* VFD 房端AC 盘至变频电机的动力电缆。
* VFD 房至司钻控制箱控制电缆及通讯缆(含插头/插座)。
主电源及主电动机动力电缆采用交流变频钻机专用电缆，其余动力采用上海南洋电缆，通信
电缆采用SIEMENS 专用电缆，电缆具有防腐、耐油、抗高温、耐低温、防老化性能,在潮湿、干
燥地区使用可靠。插接件采用宝鸡友泰防爆产品和德国宾德产品。
5 传感器列表
序
号
名称 型号 安装位置 连接至
1 死绳拉力 EJA430A-DBS4A-22DC/NSI 死绳器 司钻房
5 触摸屏 6AV6 545-0CC10-0AX0 司钻台 司钻房
7 电机编码器FHS58N-OBAK2R4BN 滚筒轴 司钻房