毕业论文（设计）电动修井机电气控制系统设计与开发.pdf

摘 要现阶段我国石油工业修井机多采用柴油机驱动，存在着传动系统复杂、技术含量及 作业效率低、工作噪音大、有废气排放等缺点。近年来，随着电力拖动、自动控制等技 术的飞速发展，交流传动牵引力大、制动性能优良、适用范围广、安全经济等优点日益 突显，为设计生产节能，环保、高效的油田作业修井机创造了条件0在研制XJ40型撬装式电驱修井机的基础上，针对XJ40型电动修井机工作特点，提 出了一种基于PLC的电动修井机电气控制系统。电驱动修井机采用模块化设计、系统 集中控制，由电动机输出动力，液控换挡变速箱机械传动，具有结构简单、操作方便、工作高效、环保节能等优点。重点介绍了电动修井机的电气原理及电气控制功能，根据修井机基本功能设计了电 动修井机总体结构，分析比较当前应用广泛的电气控制方案，提出了满足电动修井机功 能要求的系统控制方案。在硬件设计方面，详细分析了电动修井机电气控制系统结构原 理和控制策略，阐明了电动修井机电气系统的设计思路、工作原理、硬件构成，进行了 技术参数的计算、器件的选型等，设计出电动修井机电气主电路及控制电路。在软件设 计方面，进行了电动修井机电气控制系统PLC控制程序设计和上位机监控系统软件组 态.完成电动修井机电气控制系统设计后，进行了控制系统安装和软硬件联调实验，并 最终顺利实现油田现场带我运行.现场试验结果证明，本系统运行效果良好，具有性能可靠、自动化程度高、操作方 便、环保节能等优点，符合国家节能减排的要求。关键词：电动修井机；电气控制系统；PLC；HMI；变频调速Design and Development of Electric Drive Workover Rig Electrical Control SystemAbstractIn the petroleum industry,most of workover rigs are driven by diesels,which causes noise pollution and waste gas emission.These traditional workover rigs are complicated in structure and working with high power consumption and low working efficiency.With the rapid development of technology such as power electronic and variable frequency speed-control,AC drive DTC technology has been widely applied in industry for its high braking performance and tractive effort.Its wide applicability,safety and economy helped to create favorable conditions for the creation of energy-saving,environmental protective workover rig in oilfields.A XJ40 skid-mounted electric drive workover rig was designed in this paper,and its electric control system based on PLC was also proposed.Modularized structure and centralized control system were adopted in the design of this machine.This electric drive workover rig used electric motor as power output and hydraulic controlled gear-driven gearbox as mechanical transmission.This machine has the advantages of simplified structure,convenient operation,high efficiency,energy-saving and environment-friendly.In this paper,the electrical control functions and principles of electric drive workover rig were introduced.By analyzing its control functional requirements,the author analyzed different electrical control systems that have been used in control area respectively,and designed workover rigs mechanical system structure.In the part of hardware design,the electric drive workover rigs system configuration and control strategy were studied.Its design idea,operation principle and hardware components were also presented.This paper analysed electric systems main circuit and its control circuit,then adviced how to calculate technical parameters and how to choose the devices.Controling procedure and flow diagram iiof control software was given in the software design.Configuration software was applied to build man-machine interface and system monitoring programs.After hardware installation and lab experiments,electric drive workover rig experienced field test and application.It is proved that the system integrated high reliability with efficiency,and it is convenient for operation.There was no waste gas emission and less noise in the working process,which conformed to relevant national laws and regulations.The electric drive workover rig brings both economic and environmental benefits for the oil field,and helps to meet the challenge of building a resource-saving and environment-friendly society.Key words:Electric Drive Workover Rig;Electric Control System;PLC;HMI;variable frequency speed-controliii目录第1章绪论.I1.1 课题背景_11.2 研究的目的和意义-11.3 国内外研究现状及发展趋势_ 21.3.1 国内外电动钻修井机及其电气控制系统研究现状.2132电驱动修井机及其电气控制系统发展趋势.41.4 本课题的主要研究内容_5第2章 电动修井机系统结构及工作原理_72.1 电动修井机基本功能与总体结构_ 72.1.1 电动修井机基本功能.72.1.2 电动修井机总体结构设计_ 82.2 电动修井机模块化设计_ 92.2.1 电机调速及控制模块_102.2.2 系统传动模块_10223绞车及盘式刹车模块.112.2.4 液压系统模块-122.2.5 撬装底盘模块-1323电动修井机交流电动机变频工作原理.132.4 本章小结_ 15第3章 电动修井机控制系统方案设计_ 1611电动修井机电气控制系统功能设计.163.2 电动修井机电气控制方案比较与选择.163.2.1.PLC控制系统与继电器控制系统对比分析.16322 PLC控制系统与计算机控制系统对比分析.173.3 电动修井机PLC电气控制系统结构设计.1833.1 PLC控制系统设计原则_183.3.2电动修井机PLC控制系统控制结构-18333电动修井机PLC控制方案设计.193.4 电动修井机液压系统控制结构设计-213.4.1 安全钳液压控制系统设计_213.4.2 工作钳液压控制系统设计-233.4.3 起升马达与井口钳液压控制系统设计.233.4.4 离合器与涧滑液压控制系统设计_ 243.5 本章小结_25第4章 电动修井机电气控制系统硬件设计.264.1 电动修井机电气主电路设计_264.2 电动机的选型_ _ _264.2.1 电动机的选型原则_264.2.2 电动机参数计算及选型-274.3 变频器的选型-284.4 PLC和上位机监控设备的选型与应用_ 304.4.1 PLC 简介_30442 PLC 的选型.304.4.3 上位机监控设备的选择_324.5 制动电阻功率的计算-33451能耗制动工作原理.334.5.2制动功率的的简便计算_334.6 电动修弁机防碰系统设计_354.7 小结_37第5章电动修井机电气控制系统软件设计.385.1 电动修井机电气控制系统软件功能绮构.385.2 PLC控制程序设计_395.2.1 PLC控制程序设计流程.395.2.2 设备组态和用户变量定义_ 405.2.3 组织块及功能块的功能设计.40524 PLC程序模块调用结构设计_425.2.5 PLC工作主程序流程设计.425.2.6 PLC高速计数功能设计应用.425.3 上位机监控程序设计_ 4653.1上 位机监控程序结构设计.465.3.2 监控系统界面的生成与组态_475.3.3 上位机通信设置与编译下载_485.4|、结_49第6章 电动修井机电气控制系统调试与运行.506.1 PLC程序和上位机监控程序模拟调试.506.2 控制系统安装、调试与运行-506.2.1 系统安装_506.2.2 通信功能测试_50623各信号测试-51624各项子功能测试-.516.2.5 现场开车调试过程_526.3 电动修井机现场试验结果_536.3.1 油管下放实验结果分析-53632油管提升实验结果分析_ 546.4 小结_56附：24脉波整流的电动修井机直流电机供电与控制系统初探.57总结与展望_63参考文献_65攻读硕士学位期间取得的学术成果-69致谢_ _:_71vi中国石油大学（华东）硕I学位论文第1章绪论1.1 课题背景修井机是油田修井作业施工的专业机械，修井作业过程中主要用于起下油管、抽油 杆及井下工具设备.电驱动修井机与机械修井机相比具有安全高效、节能环保等优点,已逐步取代了传统机械驱动修井机在国际大型石油钻修井设备中的主导地位。随着数字 控制系统的出现，可编程逻辑控制器（PLC）开始应用于电驱动修井机电气控制，实现了 许多机械修井机所不具备的功能，使电动修井机控制功能更加完善，调整更容易，故障 诊断更充分，可靠性更高，为实现修井操作数字化、智能化创造了条件田L由于油田地质条件的复杂性以及新工艺的出现，对修井机总体技术性能和使用性能 等综合指标要求越来越高，特别是近年来对于HSE（健康、安全、环境）的要求也越来越 高.因此，设计生产一种节能、环保、高效的修井机成为油田机械生产中亟待解决的问 呢本课题来源于东营爱特机电技术有限公司电动修井机电气与控制系统设计项目该 项目于2011年3月开始工程设计，经现场调研后制定了详细的技术方案，在完成设备 采购安装、实验室调试后，于油田现场进行了帚载实验，整机于2011年10月交付使用.目前电动修井机现场应用情况良好，修井效率较传统机械修井机有很大提高，降低了能 源消耗和对电网的谐波污染，无废气排放，作业噪音低，取得了良好的经济效益和社会 效益。作者基于受特机电技术有限公司项目背景参加工程实践，研究设计了电动修井机 电气控制系统。1.2 研究的目的和意义随着油田开发的深入，油气的开发难度加大，油气井的修井作业日益广泛每年我 国各大油田进行修井和增产措施作业10多万次，其中90%以上是小修作业网.作业中 负责起下油管柱、油杆和更换井下工具的主要机械是修井机和通井机叫修井机是对油 田井下管柱或井身进行维修的专业化机械设备，主要用于油管、抽油杆和抽油泵的起下.据不完全统计，全国各油田共有修井机4000余台，年修井费用一百多亿元，年消耗柴 油20万吨。第1聿结论传统修井机采用柴油机作为动力，随着柴油价格的不断攀升，使得修井作业的成本 大幅度提高：同时，柴油发动机工作噪音大、效率低，柴油燃烧会产生大量的有害气体,造成环境污染，这既不符合国家节能降耗的产业政策，也不符合环境保护的要求网近 几年修井机发展为车载电动力修井机，汽车底盘仍以燃油发动机为动力，修井作业装置 动力由电动机提供，缺点是仍有燃油消耗，污染环境成本高。油田中燃油、电动双动力 修井机也有应用，缺点是需两台源动机，传动系统复杂，成本高，系统功率损失较大，传动效率低叫随着“十二五”规划中“加快建设资源节约型、环境友好型社会”任务的提出，石 油行业节能减持政策的落实也势在必行.传统柴油机驱动修井机存在着传动系统复杂、技术含量及作业效率低、工作噪音大、有废气排放等缺点。因此，设计生产一种节能、环保、高效的修井机成为油田机械生产中亟待解决的问题。电驱动修井机采用模块化设 计、系统集中控制，由电动机输出动力，液控换挡变速箱机械传动，具有结构简单、操 作方便、工作高效、环保节能等优点.该项目符合国家“推动能源生产和利用方式变革，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系”的要求，具有重要的科学价值和意 义1.3 国内外研究现状及发展趋势131国内外电动钻修井机及其电气控制系统研究现状世界石油资源日趋紧张，激起了油气钻探开发的热潮，带动油田钻修井装备迅速发 展，以高新技术为核心的钻修井装备逐渐成为国际石油资源竞争的焦点.机械驱动、液 压驱动、电驱动和混合驱动是目前石油钻修井机主要的驱动形式。电驱动钻修井机通过 柴油机组发电或电网供电获得能量，利用交流电动机或直流电机驱动钻修井机械工作，传动简单高效，减少了油耗，提升了钻修井效率叫20世纪50年代中期，电驱动技术开始用于钻机，并逐渐成熟完善。电驱动与机械 驱动相比更易于实现自动控制，具有调速特性好、经济可靠、操作灵活等优点。数字电 气控制系统的应用使电驱动系统控制性能更完善，可编程控制技术的应用使电动修井机，实现了顺序操作、联锁保护等机械驱动所不具备的功能，故障诊断更全面，可靠性更高，维修方便，调整便捷.中国石油大学（华东）硕士学位论文电驱动技术在钻井作业实践中取得了较好的使用效果，国外于1994年成功生产出 全自动化钻机样机，智能化电动钻机现已研制成功。其中具有代表性的有美国WN Apache联合公司自动化钻机和挪威Temco公司生产的全自动化钻机四支电驱动钻机在 实际应用中具有比机械驱动钻机更好的经济性.20世纪70年代中期，我国开始研究电动钻机电气控制系统.在借鉴国外先进技术 的基础上,我国于20世纪80年代末生产出国内第一台直流驱动ZJ45D型陆地电动钻机 lui.90年代，我国引进国外电气控制模拟单元，制造出ZJ50D、ZJ70D等型号的深井 直流电动钻机。90年代后期，我国引进了全数字控制技术，用更先进的数字控制瞽代了 模拟控制，研制出数字钻井机电气控制系统.全数字电气控制系统通过微处理器实现软 件控制，具备完善的故障诊断、运行、显示和保护功能，逐渐成为电气控制系统的主流。采用交流变频调速技术的数字化交流驱动电动钻机近年来开始出现,交流变频调速 技术在电动钻机中的应用，简化了机械结构，提高了安全性和可靠性，减轻了设备的维 护保养工作.变频调速电动机调速范围宽，可实现无级调速，能够在低速下输出恒转矩，为提高作业效率、优化钻修井工艺等提供了有利条件.电驱动钻井机和修井机获得电能的方式有两种：由柴油机组供电或电网供电柴油 机组供电主要有以下缺点：柴油机组振动剧烈，噪声大，不便于在居民区附近作业；有 废气排放，污染环境；设备维修复杂，维修成本高；需要配置专用储油罐和柴油运输车.与柴油机组供电相比，网电供电具有以下优点：供电稳定可靠，提高了用电设备的可靠 性和安全性，降低了维护费用；设备无剧烈振动，无噪声污染，扩大了作业范围：无燃 油消耗，无废气排放，减少了运输费用和环境污染。但是，石油钻修井设备的网电供电 目前发展还处于初级阶段，整体技术水平较低；相关作业、管理规范尚不健全；石油钻 修井设备的网电供电消耗大量有功和无功，造成电网的谐波污染.电驱动技术及电气控制系统在各大油田目前多应用于石油钻井机，在修井机中的应 用还比较少口为随着技术的成熟，电驱动已逐渐成为石油钻井机的主要驱动形式，为油 田钻井作业机的自动化和智能化建设提供了坚实的平台.在海洋钻井平台上，机械驱动 钻井机逐渐被直流电驱动钻井机替代；在陆上，从深井、超深井机械驱动钻井机也更新 为直流电驱动钻井机，并已向中深和轻型钻机、修井机发展目前国内电驱动修井机多处于实验研制阶段，作业设备生产厂家和科研机构正在进 行相关的实验和探索，电动修井机制造尚未形成统一的生产规范和标准，尚不具备批量 生产的能力，油田现场电驱作业管理制度仍不完善口3 2007年5月，辽河石油勘探局第I章绪论大连理工研究院与大连理工大学合作研发的电动修井机样机试验成功，取得了阶段性的 成果，以便宜清洁的电力能源作为修井机的主动力源，柴油机为辅助动力，电力供应出 现问题时仍可利用柴油机继续正常作业。2010年6月，由青海油田与渤海装备公司联合 研制的MR3000DC电动修井机现场试验成功。该修井机采用直流电机提供动力，可节 约大量修井作业运行费用，且噪声低，无污染排放.2010年5月，胜动集团研制的“胜 动。CJ70DBZ轮式电动修井机试验成功，该设备可满足1500m至4000m井深的油气井 小修作业要求，主要技术参数符合SYT52022004石油修井机、SYAT5957井场电 气技术要求等标准。2011年5月，冀东井下作业公司使用额定载荷600KN车载式双 动力电动修井机进行了 M28-25井冲砂检泵作业试验，取得了明显的节能、环保效果.1.3.2电驱动修井机及其电气控制系统发展趋势轻型修井机是油田作业队比较理想的小修作业设备，主要承担油气井难度较小的修 理作业【均。轻型电驱动修井机作业效率较高，装机功率较大，辅助作业工作量少，是小 修作业设备的发展方向，主要体现在以下三个方面：一是电动修井机电气控制系统向数 字化、信息化和智能化方向发展，便捷高效，节能环保；二是向环境条件适应性好和功 能全面的方向发展;三是向性能优越、经济性好、使用寿命长、安全可靠的方向发展的叫(1)电驱动修井机电气控制系统的数字化、信息化和智能化现代的石油修井机及其电气控制系统正向着数字化、信息化和智能化的方向发展，主要体现在将系统设备参数、检测仪表信息进行数字化处理与汇总，经系统总线实现所 有设备的信息共享，并将相关信息传送至数据处理设备，由数据处理设备根据监测和计 算数据进行不同的控制，发出相应设备动作指令，从而实现修井机安全、高效、稳定运 行.电动修井机及其电气控制系统的数字化、信息化和智能化克服了传统修井机机械设 备相互独立、无法实现数据共享的缺点，可优化作业工艺，提高作业效率，降低作业成 本叫(2)电驱动修井机快速运移性集成化设计及快速运移性能逐渐成为世界石油公司在石油工业经济全球化的今天 提高产品竞争力的重要手段L油田现场对修井机的快速运移要求也越来越高，快速运 移性已成为考察修井机工作性能的重要内容.履带式、轮式和撬装式是修井机目前主要 的运移方式，其中履带式修井机运移困难，适应性较差。轮式和撬装式是修井机运移方 式的两个主要方向发展.幽m油大学(华东)硕l学位论文国内外主要果用模块化设计和轮式运输等方式来提高修井机的快速运移性，力求拆.装方便快捷、减少运输车次数目。如美国NATIOANAL OILWELL公司设计的1500HPt 拖挂式电驱动修井机，其底座、井架及绞车等主要部分可根据路况和运输距离的不同而采取不同的运输方式，提高了运移的灵活性？】国内的轻型电动修井机按运移方式可分 为捷装式和自走式，撬装式电动修井机由专用运输车实现运移，自走式电动修井机装配 有专用底盘或二类汽车底盘，可实现修井机自动运移。1.4本课题的主要研究内容 x)=2x9550 xx/x6x0.85/(0.4l3xn)=235859xx/n(44)定 235x&x(kN)其中，Pn为主电机额定功率，i为减速箱减速比，n为电机额定转速。按电动修井机机械设计要求，额定钩载Qn为400kN,减速比i为5.九从三相异步 电机选型手册中选取YZPT355L2型电机，额定功率%kW,额定转速292r/min,额定电 压380V,额定电流240A.代入上式可得Qai4.4kN,满足设计要求。另外，起升马达和井口钳泵选择30kW防爆型三相异步电机；工作钳泵电机M3、安全钳泵电机M4、离合器与涧滑系统泵电机M5选择0.75kW防爆型三相异步电机.4.3 变频器的选型变频器是电动修井机电机调速及控制模块的关键部分，主要用于电动机的变频调速 控制刎本文变频器拖动对象为三相异步电动机，负载电流和容量为变频器的主要选型 依据。变频器额定容量应大于或等于电动机额定容量，额定电流应大于电动机的额定电 流.变频器选型综合考虑运行先进性、稳定性、可靠性、工作特性和外形尺寸等方面因 素，通过对西门子，ABB和伟肯三种产品进行比较后，确定选用ABB产品。ABB变频器主要针对工业应用而设计，适合于电力、化工、石化等多个工业过程 控制领域.ABB变频器覆盖的功率与电压的范围较宽，最大电压为690V.ABB变频器 按照电流额定值设计，可应用在需要高过载能力的场合。变频器采用直接转矩(Direct Torque Control-DTC)控制，能提供高精度的动静态速度与转矩控制和较大的启动力矩【的.ABB变频器具有较强的可编程性，使用寿命长，可靠性高，可适应不同的应用领 域.,本文选用单传动ACS800型变频器，交流传动单元集成了整流桥、直流连接回路 和逆变单元.ABB单传动变频器采用完整的交流传动，安装时无需附加柜体或机壳.变频器可以选择壁挂式安装、落地式安装或柜体式安装，并有多种防护等级可选择.28中国石油人学（华东）硕1学位论文图44变频器单传动结构 Fig4-2 Transmissioii Stmcture of Single Load Frequency ConverterACS800-04变频器R2-R6型模块设计为柜体内壁挂安装，功率范围为0.55kW 160kW,电压范围为230VY90V,标准配置下模块的防护等级为IP20。单传动模块 ACS80004主要特点有：柜体安装的优化设计，设计紧凑，电缆接线方便，内置输入电 抗器，超长寿命冷却风机和电容，扩展可编程的电气隔离I/O,三个I/O和现场总线扩 展插槽，大的功率端子允许超大尺寸电缆，可编程的模块化结构等图83 ACS8004M系列R2-R6变频器模块 Fig4-3 R2R6 Frequency Converter Belonged to ACS800-04 Series变频器拖动的主电机额定功率90kW,额定转速292r/min,额定电压380V,额定电 流240A。由此选择变频器具体型号为：ACS800-04.0205.3,功率为160kW.具体参数 如表格41所示表41 ACS83M92心3变频器参数说明Table4-1.ACS800-04-0205-3 Frequency Converter Parameter-name Pescription额定值无过我应用轻过载应用重我应用噪音 等级 dBA热损 耗W风过m3/h外形规格Um auxA11Mx AP cant mu kWIn APn kWkd APn kW290351160285160234132654200405R6第4章电动修井机电气控制系统硬件设计4.4 PLC和上位机监控设备的选型与应用4.4.1 PLC 简介可编程逻辑控制器(PLC)是由计算机控制技术和通信技术逐步发展起来的新型工业 自动化控制装置。1969年，美国数字设备公司EC冽制出世界上第一台PLC。日本、德国、英国、法国等国家于1971年相继研发了适应本国的PLC.1974年，我国也开始 了 PLC的研制。早期的PLC是为取代继电控制系统而设计，主要用于开关量控制，可 进行逻辑运算.20世纪70年代后期，PLC从开关量控制发展到计算机数字控制领域，更多地具有了计算机的功能。如今，PLC的应用几乎覆盖所有控制领域，已成为机器人、计算机辅助设计与制造在内的工业自动化三大支柱之一14M叫PLC系统通常由中央处理器、存储器、输入/输出单元、接口单元、电源单元等功 能模块组成.PLC基本组成如图C4所示.Fig4-4 Basic Components of PLCPLC主要具有以下特点：(1)抗干扰能力强，可靠性高。(2)应用灵活，适应性强。(3)编程方便，易于使用。(4)系统设计、安装、调试便捷.(5)功能完善，维修方便。4.4.2 PLC的选型PLC选型主要包括功能选择、I/O点数确定和内存估计三个方面.(1)功能选择30中国右油大学（华东）硕士学位论文对于单机控制系统，一般小型机均已能适用.选择时主要考虑I/O扩展、A/D和D/A 转换、特殊功能模块的配置，PLC指令功能、中断能力和外设通信功能.应根据实际需 要选择合适的型号，避免“大材小用”.（2）I/O点数确定根据控制系统实际需要开关量、模拟t的I/O点数,选择PLC的I/O点数和种类（包 括开关量、模拟量、输出规格）.要尽量简化系统的I/O点数，选择I/O点数较少的机 型以降低费用，但应适当留有余量，供系统增加功能时使用.（3）内存估计用户程序所需要的内存量主要与系统的I/O点数、控制难度和编程逻辑有关.大多 数情况下，PLC的内存容量均能满足用户需要，因此不必进行内存估计。当控制难度很 大，控制程序可能要使用很多高级应用指令，程序容量很大时，才需要进行内存估计。本文根据电动修井机电气控制系统功能设计要求，选择相应控制参数和输入、输出 变量。选择系统一键起/停、绞车电动机起/停、绞车正/反转控制、液压系统各电机起/停、变频器起/停、离合器挂合/分离、安全钳松/紧、防碰高度设置、档位调节、变频器 及各电机故障、滤芯堵塞故障等系统手柄、按钮控制信号和故障报警信号作为系统数字 量输入选择系统频率、工作钳压力、安全钳压力、润滑压力、大钩负载、油箱温度、系统电流等控制和检测参数作为系统模拟量输入。PLC输出刹车工作钳工作、离合器泵 工作、安全钳泵工作，井口钳泵工作、变频器工作、变频器故障复位、安全钳松/紧、散 热风机工作、离合器挂合、绞车上升/T降、档位工作、报警器工作等数字量控制信号，控制电动修井机相应动作的实现。系统实际数字量输入（DD点数为47点，模拟量输入（AI）点数为7点，数字量 输出（DO）点数为17点。本文充分考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合 与高效协调的需求，控制系统选用先进可靠的西门子S7-1200型PLC及配套软件.SIMAHCS7.1200 PLC主要面向简单而高精度的自动化任务.采用模块化设计，集成了 PROFINET接口，可适用于多种场合，强大的工艺功能使其能够满足不同的自 动控制需求。SIMATIC S7-1200 PLC结构紧凑、功能全面，具有可扩展的灵活设和 符合工业通信最高标准的通信接口，可作为一个组件集成在综合自动化解决方案中.考虑到扩展和维护需要，选用SIMATIC 1214C型号的CPU.1214C型CPU具有 14点DI输入和10点DO输出，配备有集成的PROFNET接口，允许与编程设备、人 机交互设备及其它控制器通讯为满足电动修井机控制需求，本文通过信号板SM122331第4章电动修井机电气控制系统硬件设计(DI8/DO8)、SM1221(Dn6)和SM1231(AI8)向1214CCPU添加数字量和模拟量输入/输出.PLC物理连接结构示意图如图4-5所示.SiMATIC PLCDO一出mbj fr精俭工启*工作_N1HMI设备PLC物理连接示意图-N1/车工作传工作台工作井口工作殳11般霞位衣仲&不第X机工作Fig 4-5 Physical Connection of PLC Coatrol System4.43上位机监控设备的选择PLC型号确定后，为保证产品的兼容性，上位机监控和人机交互设备优先选择以同 一公司生产的系列产品。监控显示模块采用基于PROFINET的SIMATIC HM1精简面板 KTP 600 Basic color PN,TFT 256色显示，5.7英寸屏幕，触摸屏和6按键操作方式，能 够充分满足控制显示需要。SIMATIC HMI系列面板应用简单，功能完善，可满足用户特殊的可视化需求，为 自动化方案的实现提供了一种经济可行的选择。SIMATIC HMI系列面板拥有高对比度 的图形显示屏，具有组网简便和无缝通信的特点，是适用于SIMATIC S7-1200 PLC的 理想选择。32中国石油大学（隼东）硕士学位论文4.5制动电阻功率的计算4.5.1 能耗制动工作原理在电动修井机变频调速系统载荷运行过程中，当修井机停车或下放重物时，重物产 生的势能有时使电机转速高于变频器输出频率所对应的同步转速，从而使电机处于发电 状态，此时电动机及负载的惯性能量将向电源侧回馈.由于电动修井机所选变频器没有 电能回馈装置，所以必须将回馈能量由系统制动电阻以热能的形式消耗掉，避免变频器 直流母线电压过高损坏设备。本文电动修井机电气控制系统中配备了制动单元和制动电阻，制动单元通过电平检 测判断直流母线电压是否超过设定值（如660V或710V）来决定是否投入制动电阻。如 果直流母线电压超过设定值，则短时间投入制动电阻，将回馈电能以热能方式消耗准 确地计算制动功率、制动电阻阻值等参数，对于电动修井机的安全工作十分重要。变频器制动单元制动电阻图/变频器能耗制动原理图Fig 4-6 Energy Consumption Braking Structure of Frequency Converter4.52制动功率的的简便计算系统采用电气制动和机械制动联合制动，电气制动由制动单元加制动电阻组合而 成.可以将主电机在停车或下放负载过程中产生的能量，以热能的形式消耗在制动电阻 上，从而改善变频器的制动性能，缩短制动时间通常采用计算制动转矩的方法来计算制动功率，但此方法计算复杂，且不太适用于 起重变频器制动功率的计算停车工况下起重变频器所需的制动功率较小，而重物下降 第4章电动修用机电气控制系统硬件设计时所需的制动功率较大，选型时应按照最大下降重量、最大下降行程、最快下降速度的 条件计算。在电动修井机负载下降且电动机运行在发电状态时，电动机产生电能，而驱动电动 机的能量来自于负载的势能.根据能量守恒定律，在不考虑功率损耗的情况下，电动机 产生的电能应等于负载释放的势能，又等于电阻消耗的热能.所以计算负载势能产生的 功率即可推算电动修井机制动单元所需的制动功率.电动修井机主电机功率90kW,额定钩载400kN,下降速度0.2lm/s.根据油田现 场实际需要，该修井机有时起升额定载荷，一般起升中等载荷，属中等载荷，载荷系数 k 取 0.25。所需的最大制动功率Pmax为：max x0-7)5)其中，Qmax为最大钩载，单位kN；Vmax为最快下降速度，单位向；可为电机和 变频器内耗功率系数，约为20%。根据上式，计算得制动过程中电机产生的最大制动功率Pmax：=00 x400 x1x(1-02)=80 物(4-6)故主起升机构制动功率应不小于80kW,根据ABB相关资料配套选择制动斩波器制 动功率，ACS80M44205.3型变频器制动功率Pz为160kW,满足Pe仑Pmax。参照 制动单元选型手册，采用CDBR4160B型制动单元，可提供160KW的制动功率，并具 有过流、过热、IGBT击穿报警功能。制动电阻与制动单元组成能耗制动回路，在负载下放过程中可实现绞车电机的速度 平稳控制，可实现负载悬停制动电阻与最大制动功率之间的关系为：堂(小7)其中，Udc为制动过程中电阻两端的电压，即变频器直流母线电压，取540V.R为 制动电阻阻值。由式97)句得，RW3.645C。选用32个阻值为115C,功率2.5kW的制动电阻并联后，得R=3.59,满足条件.34中国石油大学(华东)硕I:学位论文4.6电动修井机防碰系统设计由于电动修井机起升机构起升速度较快，为避免重物冲顶、钢丝绳拉断、重物下坠 等危险状况的发生，修井机必须安装防碰装置，以保证作业过程中起升机构的安全.修 井机防碰装置目前主要有过卷阀式、重锤式和电子式三种过卷阀式和重锤式属机械被 动防碰装置，不具有预警功能，其突发性的紧急刹车对设备冲击很大国L电子式防碰装 置不仅实现了基本的防碰功能，还具有碰撞预警功能，控制精度高，安装容易，能够更 加有效的保护起升机构,本文设计属于电子式防碰系统.常见形式的防碰装置基本原理如下：由起升传动系统分出动作触发特定电气开关，使起升传动系统停止工作，避免发生碰撞事故.与常见形式的防碰装置不同，本文在所 提出的电动修井机防碰系统在集中式控制系统的基础上，充分利用PLC固有的高速计 数功能，设计了一种基于PLC控制的数字式电动修井机防碰系统，简化了防碰系统的 硬件设备，增加了高度预警功能，提高了防碰系统可靠性位置检测是防碰系统的核心与关键部分，由安装在绞车底座上的2个接近开关与安 装在滚筒上的金属片配合，检测出绞车的旋转方向，并将接近开关产生的电压脉冲送入 PLC高速计数器进行计数，与事先通过设定好的数值进行比较，超过设定数值时发出声 光报警。如果高度继续升高达到上限值，则迅速通过电磁阀打开离合器，同时进行刹车，从而有效防止碰撞事故的发生。如侧视图右7所示，A、B为两个接近开关，当有金属片靠近时，输出24V直流电 压.物理位置安装要求如下：(1)安装在滚筒上的金属片与接近开关距离恰当，保证安装距离在接近开关检测 范围之内，同时保证在滚筒转动时，金属片不会碰触到接近开关，以避免损坏接近开关.(2)金属片长度适当，保证存在一个状态，使两接近开关同时输出24V直流电压.图87接近开关安装示意图Fig4-7 InsUlbtion of Proximity Switch35第4章 电动修片机电气控制系统硬件设计图4.8为滚筒顺时针旋转时信号的时序图,高电平表示金属片与接近开关发生感应.4,跳、B.分别表示信号的上升和下降沿.aJ I_I I B_I I_I LxH_I I J4 Ji_n_x._n_n_b._n_n&_n_n_图。注筒顺时针旋转信号时序图 Fig4-