交流变频控制系统在修井机的应用

李 靖

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

1 修井机设备的操作特点

修井机设备在石油开采过程中是非常重要的设备，熟练掌握并运用修井设备能够增加石油开采的进程，提升石油开采效率。修井机设备由绞车、转盘和泥浆泵等3 大部分组成，主要作用如下。

（1）绞车。绞车主要连接起吊钻杆，对于钻杆进行控制，促使钻杆进行活动。

（2）转盘。转盘也是和钻杆连接，转盘的主要作用是将钻杆用来驱动，促使钻杆进行最深层次的活动。

（3）泥浆泵。也属于负载类的一种，在修井设备中，对于泥浆泵的要求并不高。

上述修井机设备的组成部分都属于负载设备，尽管对于泥浆泵没有任何要求，但是在进行转盘和和绞车选取时，要选取便于控制的变频器类型，变频器类型最好选择频率低、转速高，控制系统一定要设置好安全参数，便于修井机的控制。

2 修井机设备交流变频系统的构成

修井机设备中的交流变频系统可以说是一个综合控制系统，综合控制系统由两部分组成，其中包括PLC 控制技术。PLC控制技术的主要作用是控制修井机的中心系统，以及变频驱动技术系统。修井机变频控制系统的主要设备包括全数字矢量控制交流变频器、MCC 柜、PLC 综合控制柜（含触摸式工控机）、司钻控制台、泥浆泵本地操作箱。修井机变频控制系统以PLC 作为控制核心。PLC 作为主站，司钻台数据采集站、泥浆泵本地操作箱、绞车变频器、转盘变频器、泥浆泵变频器作为从站，通过现场总线与PLC 进行通信，完成系统控制、数据采集、数据处理、实现对整个控制系统的保护、故障检测、显示与报警。采用现场总线技术作为控制系统的通信网络，减少了硬接线，提高了系统的灵活性。

一般修井机的中心控制系统即PLC 控制系统，总共分为2个系统，每个系统互相独立且不产生任何影响。主要目的是当系统出现故障时，一个系统可以起到弥补作用，避免出现系统故障，导致修井机工作停止。修井机设备控制系统出现问题时，备用的PLC 控制系统会启动，启动方式是司钻将控制台上的开关进行切换，完成系统转换，保证修井机正常工作。上述所有设备和系统，都安装在同一个工作室中，主要目的是为方便整体的拆迁和移动。司钻房一般也可以进行触屏操作，同时还可以收集数据监测故障的发生。处理故障时，系统不仅能够起到警示作用，还可以进行手动紧急关闭系统，避免造成更多危害。在这个系统中可以通过触屏操作系统修改修井机的一些参数，保证修井机正常工作。除此之外，控制系统中所涉及到的一些组成子系统，都被安装在一个房间内，除了能够便于系统控制之外，还能够保证系统的及时监测和良好运行。通常这些系统采用集成安装方式，除了能够节约成本外，还能够进行实时监测，而且安装在房间内，只要设计合理，可以同时安装几个控制系统，便于修井机工作的顺利进行，提升修井机工作效率，节约资源、降低成本，或是一个控制系统可以同时控制几个修井机的工作。这样大大提升了修井机的工作效率，实现企业利益的最大化。

3 交流变频控制修井机的功能

3.1 绞车的变频控制

绞车在交流变频控制修井机中起到至关重要的作用，绞车的变频控制系统主要是通过收集数据，对相关数据进行分析和整理，从而控制绞车连接部分的行动，绞车连接部分有滚筒、游车和盘刹。绞车中的PLC 控制系统，通过对数据的收集，判断游车的速度、距离，以及位置。对需要修理的部分进行距离预测，通过控制系统发出信号，促使滚筒和游车运动。并且需要将控制系统中游车和滚筒的运动速度控制在一定范围内，一般来说游车的速度控制在0～1.2 m/s。该范围内变频器的过载能力也有所保证，不仅提高了钻井效率，而且还满足了钻井所需要的工艺要求。这个驱动系统中，绞车电机独立于修井机设备，修井机设备中的绞车在运行过程中，只要绞车变频系统没有被损坏或出现故障，那么绞车就能进行良好的控制和运行。同时绞车中包含的盘刹刹车就不会被用到，如果绞车中的变频控制系统出现故障，那么盘刹就需要运行手动控制，保证修井机设备的正常运行。在绞车变频控制系统中，盘刹刹车只是一个辅助系统，其主要目的是在绞车变频控制系统出现故障时进行启动使用，如果绞车变频控制系统不出现故障，那么就可以减少对盘刹刹车的使用，从而增加盘刹刹车的使用寿命，减少成本增加收益，提升工作效益。

3.2 游车位置的智能控制

游车的位置可以实现智能控制，其控制系统是绞车中的PLC 技术控制系统，通过绞车中的PLC 控制系统，可以精确收集到游车位置。通过对数据的分析和参数的设置，来确定游车需要用到的速度以及运行距离，包括游车所需要停留的高度，在这个过程中可以实现零误差。游车控制系统与绞车控制系统有一定区别，游车控制系统除了能够控制游车的位置、速度、以及停留点之外，还能够为游车提供减速、刹车、以及警示作用，即在运行过程中，如果出现意外或阻碍，游车控制系统能够监测到并控制游车进行减速或刹车，并将阻碍信息上传到中央控制系统，即绞车控制系统。在这个控制系统中，游车和滚筒的最大速度为0.06 m/s，通常所说的游车也就是大钩，同时，在绞车控制系统中还设置了一定的安全警报参数，游车控制系统于绞车控制系统相结合，形成了一个完整控制系统，能够安全有效提升修井机的工作效率。在修井机控制系统中还安装了过卷阀，主要作用是保证大钩的起吊以及下钻距离和速度。

3.3 大钩运行速度智能控制

游动系统在运行过程中，PLC 自动采集游动系统的悬重信号，并根据大钩悬重的大小，自动计算出游动系统可允许的最高运行速度，控制大钩运行速度在最优状态，以充分提高设备效率，提高修井时效。

3.4 变频系统的控制

该控制系统中包括转矩限制、无极调速和转盘控制等3 个部分，在钻工作时，修井机的PLC 控制系统，通过收集数据，完成对钻的控制，包括计算出这个过程中转矩速度，同时可以实现修井机工作的无极调速，控制修井机设备的正常运作。无极调速的速度控制，可以根据井下的实际工况调节额定速度，还可以设定正反转矩，在钻进时，修井机PLC 控制系统和游车控制智能系统相结合，实现对钻的进程控制，通过收集到的电压、电流等数据来分析计算此时钻的工作情况。在这个过程中实现无极调速，有效节约时间，提升钻的效率。转盘在运行过程中，还可以根据转盘之前收集到的数据，修改转盘速度，转盘速度与开关角度有关，开关角度越大，转盘的速度就越快。

3.5 泥浆泵变频控制

泥浆泵采用一台变频器驱动，其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节给定。在泥浆泵控制房安装有泥浆泵控制箱，可实现泥浆泵的本地操作（包括泥浆泵本地启动、停止、调速、调试等）。

3.6 变频控制系统的完善

变频控制系统是一个完整的控制系统，需要包含集控制、保护、警示为一体的综合系统。这个变频系统中的保护系统，可以有效保护系统正常运行，监测系统中的故障，及时发出警报，甚至可以自动实行系统关系或关闭开关，停止修井机的工作，避免出现更大伤害和故障损失。例如，修井机中有过电流以及过电压保护等，甚至还可以限制修井机的最大输出电流，包括自我诊断系统。故障发生时，各大控制系统自我保护，实现集体控制，与机械单位共同结合，完成设备的锁定，保证设备完整，避免设备出现更大故障。在系统自动报警中，记录报警时的数据，做好数据的系统内记录，增加系统可靠性，提高系统保护性能。

3.7 修井机的临时紧急停车

当井场上发生意外情况时，司钻可通过安装在司钻控制台上的紧急停止按钮对变频控制系统实行紧急关断（手动）。紧急关断时系统设有程序保护，不会造成设备损坏。在泥浆泵本地控制箱的面板上，安装有泥浆泵变频器远程急停按钮，在泥浆泵房即可关停电控房内的泥浆泵变频器。

4 总结

阐述修井机变频交流控制系统在修井机设备中的应用以及控制情况，包括PLC 系统和变频驱动技术系统；以及控制修井机设备的全部系统和机械元件组成，保证修井机设备的顺利施工和运行，同时还有警示系统，增加了修井机设备使用的安全可靠性。