亨士樂(lè)編碼器技術(shù)助力石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行

Hengstler編碼器在石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用，它是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵元素。利用編碼器，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)石油鉆機(jī)絞車的速度閉環(huán)控制，精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并基于滾筒圈數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算大鉤的高度。


圖為使用亨士樂(lè)編碼器的遼源50石油鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)

一、石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的核心功能

石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，作為整個(gè)鉆機(jī)的控制中樞，涵蓋了動(dòng)力控制系統(tǒng)、主電機(jī)驅(qū)動(dòng)及配電系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)以及人機(jī)界面等多個(gè)模塊。其驅(qū)動(dòng)形式主要可以分為直流與交流兩大類型。而當(dāng)前的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，特別是交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，因其在功能、技術(shù)、安全可靠性以及與現(xiàn)代鉆井工藝的融合性上的卓越表現(xiàn)，正逐漸成為石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

二、編碼器的應(yīng)用及其工作原理

亨士樂(lè)編碼器，作為一種能夠?qū)C(jī)械角度物理量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，在石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中主要用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角位移、角速度以及角加速度。這些物理量被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，進(jìn)一步輸出給控制系統(tǒng)或儀表，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的精確控制。

在ZJ50DBS鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，使用的編碼器是24V增量式編碼器，它們被分別安裝在絞車變頻電機(jī)、轉(zhuǎn)盤變頻電機(jī)、自動(dòng)送鉆變頻電機(jī)和滾筒軸末端。這些Hengstler編碼器在系統(tǒng)中扮演了不同的角色，例如，變頻電機(jī)編碼器主要負(fù)責(zé)采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制；而滾筒編碼器則通過(guò)反饋滾筒圈數(shù)給PLC控制系統(tǒng)，以精確計(jì)算大鉤的高度。

編碼器的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單。通常，編碼器會(huì)引出多根接線，包括電源線和信號(hào)線。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體需求進(jìn)行接線。編碼器通過(guò)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。通過(guò)測(cè)量這些信號(hào)的波形和相位關(guān)系，我們可以判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)速度和方向。

三、編碼器在鉆機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐

在石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，絞車電機(jī)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)和自動(dòng)送鉆電機(jī)是需要精確控制的關(guān)鍵設(shè)備。由于這些設(shè)備對(duì)調(diào)速范圍的要求較高，因此均需要安裝編碼器以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速反饋和速度閉環(huán)控制。

在變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中，編碼器的接線是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。通常，編碼器的A、B、24V和0V等信號(hào)線需要連接到變頻器的相應(yīng)端子上。然而，由于變頻電機(jī)與電控房之間的距離可能較遠(yuǎn)，導(dǎo)致編碼器信號(hào)衰減，因此需要在兩者之間安裝DTI板進(jìn)行電位隔離、信號(hào)放大和干擾抑制。

此外，變頻器還需要對(duì)亨士樂(lè)編碼器信號(hào)進(jìn)行處理和參數(shù)標(biāo)定。以SIEMENS 6SE70/71變頻器為例，它能夠通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將編碼器輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，為速度閉環(huán)控制提供準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速反饋。當(dāng)編碼器出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器會(huì)顯示相應(yīng)的故障代碼，如F053。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整變頻器的相關(guān)參數(shù)（如P100、P130等），可以實(shí)現(xiàn)編碼器與變頻器的最佳匹配，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在應(yīng)急情況下，即使編碼器損壞，也可以通過(guò)修改相關(guān)參數(shù)暫時(shí)去除Hengstler編碼器的影響，使變頻器繼續(xù)工作，從而確保鉆井生產(chǎn)的連續(xù)性。

四、編碼器在變頻鉆機(jī)PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC控制系統(tǒng)是整個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的核心。它主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集、功能保護(hù)、數(shù)據(jù)計(jì)算和通訊等功能。其中編碼器是PLC控制系統(tǒng)中不可缺少的一部分,它的功能是采集絞車滾筒圈數(shù),以脈沖的形式送入單通道智能計(jì)數(shù)模板FM350-1。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)計(jì)算出大鉤高度,成為自動(dòng)送鉆、井深跟蹤、上碰下砸等功能的主要基礎(chǔ)參數(shù)。

(1)編碼器在PLC控制系統(tǒng)中的接線。PLC控制系統(tǒng)中采用的編碼器是24V增量式編碼器,它和FM350-1的一般接線原理。大鉤高度編碼器需要引出5根信號(hào)線外帶一根屏蔽線至FM350-1模塊,這5根線包括24V、0V、A、B、O。

(2)編碼器信號(hào)在PLC控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。編碼器信號(hào)通過(guò)FM350-1模塊輸入CPU315-2DP后,利用編輯好的PLC程序,將編碼器脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)。運(yùn)用數(shù)學(xué)公式可以準(zhǔn)確計(jì)算出大鉤高度的變化值△H。

具體見(jiàn)公式1: △H={[(m-1)×m/2×(d0×)+(m×D)]×3.14×r+[(m×d×)+D]×(3.14×y)｝-{[(n-1)×n/2×(d×)+(n×D)]×3.14×r+[(n×d)+D](3.14×x)}

式中:D—滾筒直徑(m);d—鋼絲繩直徑(m);m—當(dāng)前層數(shù);n—初始層數(shù);x—初始圈數(shù);y—當(dāng)前圈數(shù);r—滾筒圈數(shù);

五、結(jié)束語(yǔ)

闡述了Hengstler編碼器在鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用過(guò)程,以ZJ50DBS鉆機(jī)為實(shí)例,介紹了相應(yīng)的接線技術(shù)、參數(shù)標(biāo)定等,目的是為從事變頻鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管理及維護(hù)人員提供一些理論依據(jù)以及實(shí)際應(yīng)用方法,進(jìn)一步理解編碼器在系統(tǒng)中的重要作用和應(yīng)用過(guò)程,以方便編碼器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

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