摘要:介绍了编码器在变频驱动系统和PLC控制系统中的工作原理和用途,阐述了编码器与DTI板的接线方式、编码器信号在SIEMENS变频器中的处理过程及PLC控制系统怎样利用编码器计算大钩高度,接线方式及参数标定。编码器在促进这些技术的发展方面起着不可替代的作用。利用它可以对绞车进行速度闭环控制,转盘对输出转矩和转速可以根据需要进行连续调节和设定,根据滚筒圈数计算大钩高度。
关键词:石油钻机电气传动系统编码器应用
一、石油钻机电气传动系统
石油钻机电气传动系统作为钻机的控制核心,它主要包括动力控制系统、主电机驱动及配电系统、自动化系统和人机界面等。一般按照主电机驱动形式可以分为直流传动系统和交流传动系统。当前交流传动系统主要以交流变频传动系统为主,根据交流变频钻机在国内发展的10a。它不仅具有功能强大、技术先进、安全可靠等优势,还在与先进的现代钻井工艺结合上有着其它系统无法比拟的优越性 [1],因而交流变频电气传动系统将成为石油钻机的发展趋势。
二、编码器用途及工作原理
(1)用途。通过把机械角度物理量的变化转变成电信号的一种装置,主要用于测量转动物体的角位移量、角速度、角加速度。通过它把这些物理量转变成电信号输出给控制系统或仪表,控制系统或仪表根据这些量来控制驱动装置。最常用的编码器有两种:绝对值编码器和增量式编码器。ZJ50DBS钻机电气传动系统使用的编码器是24V增量式编码器,它的整体布局见图1。这些编码器分别安装在绞车变频电机、转盘变频电机、自动送钻变频电机和滚筒轴末端。其中变频电机编码器主要用于采集转速信号,使其形成速度闭环控制系统。滚筒编码器将滚筒圈数反馈给PLC控制系统,从而计算出大钩高度,成为自动送钻、上碰下砸、井深跟踪等功能的重要基础数据。
(2)工作原理。编码器通常直接引出8根接线,包括24V、0V、A、A-、B、B-、O、O-,实际应用中可根据具体情况接线。一般而言,直流24V、0V为编码器提供电源,A、A-、B、B-、O、O-为脉冲反馈信号。A,B为编码器计数的两相,他们相位上相差90度。我们可以通过他们的关系判断出编码器的旋转速度和方向,比如A相位比B相位超前90度,则为正转,反之B相位比A相位超前90度,则为反转。O则是编码器每旋转一周产生的一个脉冲,A-、B-、O-为A、B、O的取反。用示波器测量A、A-、B、B-、O、O-的波形。
三、编码器在钻机变频传动系统中的应用
石油钻机电气传动系统驱动的设备有绞车电机、转盘电机、泥浆泵电机、自动送钻电机。从钻机调速要求可以看出,泥浆泵对调速要求不高,一般R≥1.5即可,而绞车和转盘的调速范围宽 [3],所以除泥浆泵以外均需安装编码器,从而实现其在规定范围内调速的要求。它的主要作用是为变频器提供转速反馈信号,形成速度闭环控制系统,使绞车在重负载下实现悬停和双电机同步、转盘具有精确调速性能。
(1)编码器在变频传动系统中的接线。变频传动系统中编码器一般需要连接A,B,24V,0V至变频器CUVC板X103端子。但变频电机与电控房的距离较大,导致编码器信号削弱,所以需要在编码器与变频器之间安装DTI板,用来实现电位隔离、信号放大以及抑制干扰等。采用常见的DTI板的接线方式,DTI板电源由X404外接直流24V提供,编码器信号通过X401端输入到DTI板,由X403端输出并与CUVC板X103端连接。
(2)变频器处理编码器信号及参数标。SIEMENS 6SE70/71变频器处理编码器信号过程。编码器信号通过CUVC板X103端输入到变频器,后经过A/D转换器,将脉冲信号转化为数字信号,为V/F速度闭环控制提供转速反馈信号,当编码器出现故障时变频器将出现F053代码。通常6SE70/71变频器对编码器进行参数标定时主要有以下参数:P100、P130、P151、P215、P172、P187和P222等,利用这些参数可以将编码器与变频器进行匹配,达到最佳使用效果。值得一提的是,当编码器损坏的情况下,为了不耽误钻井生产,可以通过修改P100、P130等参数模拟去掉编码器,使变频器继续工作,实际生产中应急效果明显。
四、编码器在变频钻机PLC控制系统中的应用
PLC控制系统是整个电气传动系统的核心。它主要实现参数采集、功能保护、数据计算和通讯等功能。其中编码器是PLC控制系统中不可缺少的一部分,它的功能是采集绞车滚筒圈数,以脉冲的形式送入单通道智能计数模板FM350-1。通过PLC控制系统计算出大钩高度,成为自动送钻、井深跟踪、上碰下砸等功能的主要基础参数。
(1)编码器在PLC控制系统中的接线。PLC控制系统中采用的编码器是24V增量式编码器,它和FM350-1的一般接线原理。大钩高度编码器需要引出5根信号线外带一根屏蔽线至FM350-1模块,这5根线包括24V、0V、A、B、O。
(2)编码器信号在PLC控制系统中的数据处理过程。编码器信号通过FM350-1模块输入CPU315-2DP后,利用编辑好的PLC程序,将编码器脉冲信号转换成数字量信号。运用数学公式可以准确计算出大钩高度的变化值△H。
具体见公式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—滚筒直径(m);d—钢丝绳直径(m);m—当前层数;n—初始层数;x—初始圈数;y—当前圈数;r—滚筒圈数;
五、结束语
阐述了编码器在钻机电气传动系统中的应用过程,以ZJ50DBS钻机为实例,介绍了相应的接线技术、参数标定等,目的是为从事变频钻机电气传动系统设计、管理及维护人员提供一些理论依据以及实际应用方法,进一步理解编码器在系统中的重要作用和应用过程,以方便编码器在实际生产中的应用。◆
