摘要:介紹了編碼器在變頻驅動系統和PLC控制系統中的工作原理和用途,闡述了編碼器與DTI板的接線方式、編碼器信號在SIEMENS變頻器中的處理過程及PLC控制系統怎樣利用編碼器計算大鉤高度,接線方式及參數標定。編碼器在促進這些技術的發展方面起著不可替代的作用。利用它可以對絞車進行速度閉環控制,轉盤對輸出轉矩和轉速可以根據需要進行連續調節和設定,根據滾筒圈數計算大鉤高度。
關鍵詞:石油鑽機電氣傳動系統編碼器應用
一、石油鑽機電氣傳動系統
石油鑽機電氣傳動系統作為鑽機的控制核心,它主要包括動力控制系統、主電機驅動及配電系統、自動化系統和人機界面等。一般按照主電機驅動形式可以分為直流傳動系統和交流傳動系統。當前交流傳動系統主要以交流變頻傳動系統為主,根據交流變頻鑽機在國內發展的10a。它不僅具有功能強大、技術先進、安全可靠等優勢,還在與先進的現代鑽井工藝結合上有著其它系統無法比擬的優越性 [1],因而交流變頻電氣傳動系統將成為石油鑽機的發展趨勢。
二、編碼器用途及工作原理
(1)用途。通過把機械角度物理量的變化轉變成電信號的一種裝置,主要用於測量轉動物體的角位移量、角速度、角加速度。通過它把這些物理量轉變成電信號輸出給控制系統或儀表,控制系統或儀表根據這些量來控制驅動裝置。最常用的編碼器有兩種:絕對值編碼器和增量式編碼器。ZJ50DBS鑽機電氣傳動系統使用的編碼器是24V增量式編碼器,它的整體佈局見圖1。這些編碼器分別安裝在絞車變頻電機、轉盤變頻電機、自動送鑽變頻電機和滾筒軸末端。其中變頻電機編碼器主要用於採集轉速信號,使其形成速度閉環控制系統。滾筒編碼器將滾筒圈數反饋給PLC控制系統,從而計算出大鉤高度,成為自動送鑽、上碰下砸、井深跟蹤等功能的重要基礎數據。
(2)工作原理。編碼器通常直接引出8根接線,包括24V、0V、A、A-、B、B-、O、O-,實際應用中可根據具體情況接線。一般而言,直流24V、0V為編碼器提供電源,A、A-、B、B-、O、O-為脈衝反饋信號。A,B為編碼器計數的兩相,他們相位上相差90度。我們可以通過他們的關係判斷出編碼器的旋轉速度和方向,比如A相位比B相位超前90度,則為正轉,反之B相位比A相位超前90度,則為反轉。O則是編碼器每旋轉一週產生的一個脈衝,A-、B-、O-為A、B、O的取反。用示波器測量A、A-、B、B-、O、O-的波形。
三、編碼器在鑽機變頻傳動系統中的應用
石油鑽機電氣傳動系統驅動的設備有絞車電機、轉盤電機、泥漿泵電機、自動送鑽電機。從鑽機調速要求可以看出,泥漿泵對調速要求不高,一般R≥1.5即可,而絞車和轉盤的調速範圍寬 [3],所以除泥漿泵以外均需安裝編碼器,從而實現其在規定範圍內調速的要求。它的主要作用是為變頻器提供轉速反饋信號,形成速度閉環控制系統,使絞車在重負載下實現懸停和雙電機同步、轉盤具有精確調速性能。
(1)編碼器在變頻傳動系統中的接線。變頻傳動系統中編碼器一般需要連接A,B,24V,0V至變頻器CUVC板X103端子。但變頻電機與電控房的距離較大,導致編碼器信號削弱,所以需要在編碼器與變頻器之間安裝DTI板,用來實現電位隔離、信號放大以及抑制干擾等。採用常見的DTI板的接線方式,DTI板電源由X404外接直流24V提供,編碼器信號通過X401端輸入到DTI板,由X403端輸出並與CUVC板X103端連接。
(2)變頻器處理編碼器信號及參數標。SIEMENS 6SE70/71變頻器處理編碼器信號過程。編碼器信號通過CUVC板X103端輸入到變頻器,後經過A/D轉換器,將脈衝信號轉化為數字信號,為V/F速度閉環控制提供轉速反饋信號,當編碼器出現故障時變頻器將出現F053代碼。通常6SE70/71變頻器對編碼器進行參數標定時主要有以下參數:P100、P130、P151、P215、P172、P187和P222等,利用這些參數可以將編碼器與變頻器進行匹配,達到最佳使用效果。值得一提的是,當編碼器損壞的情況下,為了不耽誤鑽井生產,可以通過修改P100、P130等參數模擬去掉編碼器,使變頻器繼續工作,實際生產中應急效果明顯。
四、編碼器在變頻鑽機PLC控制系統中的應用
PLC控制系統是整個電氣傳動系統的核心。它主要實現參數採集、功能保護、數據計算和通訊等功能。其中編碼器是PLC控制系統中不可缺少的一部分,它的功能是採集絞車滾筒圈數,以脈衝的形式送入單通道智能計數模板FM350-1。通過PLC控制系統計算出大鉤高度,成為自動送鑽、井深跟蹤、上碰下砸等功能的主要基礎參數。
(1)編碼器在PLC控制系統中的接線。PLC控制系統中採用的編碼器是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)編碼器信號在PLC控制系統中的數據處理過程。編碼器信號通過FM350-1模塊輸入CPU315-2DP後,利用編輯好的PLC程序,將編碼器脈衝信號轉換成數字量信號。運用數學公式可以準確計算出大鉤高度的變化值△H。
具體見公式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—當前層數;n—初始層數;x—初始圈數;y—當前圈數;r—滾筒圈數;
五、結束語
闡述了編碼器在鑽機電氣傳動系統中的應用過程,以ZJ50DBS鑽機為實例,介紹了相應的接線技術、參數標定等,目的是為從事變頻鑽機電氣傳動系統設計、管理及維護人員提供一些理論依據以及實際應用方法,進一步理解編碼器在系統中的重要作用和應用過程,以方便編碼器在實際生產中的應用。◆
