庞学
中海油田服务股份有限公司，天津 300459
摘要：传统的钻机采用机械传动的驱动方式，这种驱动方式具有结构复杂、性能差、可操作性差、效率低、机械维护费用高等弊端，因此逐渐退出了历史舞台。近年，随着变频技术的发展，通过矢量控制的全数字变频调速钻机逐渐占据市场，这类驱动方式具备运行可靠、参数稳定、调试简便、维护方便、动态性能好、稳速精度高等优点，并具有强大的通讯接口和扩展开发能力，可实现系统的网络化、自动化。
关键词：PLC；控制及交流变频;技术
前言：变频技术发展提供令人必要的技术储备，通过运用数字变频矢量控制技术，海上平台钻机具有以下显著特点：钻机具有恒钻压、恒转速、恒泵压降、自动送钻，转盘扭矩限制与调控，泵压限制与调控，数字化多参数触摸屏调控、显示、打印、储存与远程通讯，钻井设备的监视与管理，实现一些自动化必备的专用功能。
一、PLC控制及交流变频技术原理
变频技术是一种把频率固定的电网电能转换为电压和频率均可变的交流电能的交流电路，用它组成的交流装置称为变频器。变频电路现在已经广泛采用于交流电动机变频调速系统中。调速又指在一定的负载下，根据生产机械的需要人为的改变电动机转速。电动机调速的好坏都会影响到机械的工作效率。我们从电动机转速的定义知道，异步电动机转速由此不难看出异步电动机调速具有三种方法：（１）改变电源频率；（２）改变电机磁极对数；（３）改变转差率。这三种调速具有如下特点：（１）改变电源频率调速可以得到平滑而具范围广的调速，实现无级调速、恒转矩、高效率。（２）改变电机磁极对数调速，是有级调速，调速范围窄。（３）改变转差率进行调速能耗大，调节范围小。上述各种调速具有的特点对比中，改变电机磁极对数和改变转差率这两种调速方法只能在额定转速下进行调速，使其在调速领域内的应用范围变得比较狭小。而变频调速的方法在调速过程中，从高速到低速都可以保持有很小的、有限的转差率，并且有高效率、宽范围、高精度的调速性能，所以改变电机供电频率进行调速是电动机的一种比较理想、合理的调速方法。变频技术的主电路多采用交－ 直－ 交电路，将三相600v／５０ＨＺ 交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对ＩＰＭ、ＩＧＢＴ 或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。变频器的构成如下：（１）键盘：作用是设置参数、监视各参数值（如：电流、电压、频率、温度、转速等）、调速。（２）电源板：作用是提供各部分电路的工作电压，保证各电路的正工作。（３）控制主板：作用是产生六路驱动信号来控制逆变模块，同时也对各保护信号和各接口信号的处理。（４）整流桥：作用是将输入交流电变成直流电。（５）电解电容：作用是将整流后的脉动直流电变成平滑的直流电。（６）充电电阻：作用是上电瞬间对主电解电容限流，以防止充电电流过大损坏整流桥和主电解电容。（７）继电器或接触器：作用是当主电解电容充电完成以后短接充电电阻而承受主电流。（８）逆变模块：作用是将平滑的直流电变成接近正弦波的三相交流电。（９）保险管：作用是保护逆变模块和整流桥。
二、PLC控制及交流变频技术在大直径钻机中的应用
1.设计控制系统。(1)绞车、转盘等交流电动机的供电主要是通过变频器，根据合理的对闭环速度进行调整，使处于主机电动机下对恒功率以及基本速度进行恒力矩调速得到全面实现。分别采用2台不同的交流接触器通过不同闭合方式进行控制，使变频器中转盘、绞车从电动机内将供电输出的操作得到实现，该控制系统有着监视工作状态以及可靠闭锁等基本特点。
根据不同的进给运行操作能够满足调节恒钻压钻运行速度、下放运行以及提升恒速调速等相关要求。(2)计算机钻机控制系统可以通过双冗余备份进行设计，采用处于工业操作恶劣环境下仍然能够保持较高可靠性的控制器进行设计，组成能够安全监视以及控制钻机操作工艺的控制系统。计算机作为系统主控时，应该能够满足进给运行、绞车、转盘等方面的功能，同时还能够对停止以及启动电动机的闭锁起到控制的作用，还能够监视电动机的安全状态以及系统运行。(3)上位机管理系统的设计。通过计算机应用在工业控制的基础上进行上位机管理系统的设计，主要是为了能够实时监视钻机设备运行的具体情况，监视系统具体的运行情况，系统的运行参数主要包括故障、打印数据报表以及文字等。(4)控制绞车制动系统具体的构成部分分别是安全制定以及工作制动。通常情况下，均在发出停车指令后，工作指令则会造成电动机出现转速的情况，而制定信号则是通过计算机发出，对刹车装置起到制动的目的。
2.实现钻机控制系统的功能。(1)控制主机调速功能系统。该系统主要是通过主电动机、主变频器以及PLC控制等构成，具体是将绞车下放、提升以及转盘运转等速度进行有效调节。而绞车运行速度、变频器工作以及制动控制之间的相互配合可以实现绞车自动控制系统，绞车的作业情况主要是根据系统自动限定的最大值决定的，该最大值主要是通过计算机软件进行设定，同时根据转盘加速时的需求对最大值进行分别设定。(2)控制恒钻速进给以及恒钻压的系统主要是通过进给电动机、进给变频器以及PLC等构成，具体是将绞车下放、提升等速度进行调整，促进恒钻压钻进、下放运行以及恒速调速提升在进行自动进给作业时得到实现。在PLC控制系统输入钻压的固定输入值时，则对比钻压固定值以及传感器监测的钻压值，通过采用PI的控制调节系统计算钻压调节实际值，同时把计算的具体结构在变频器内输入，对电动机具体的运行速度进行有效的控制，对进给速度进行有效调整。(3)大直径钻井作业中采用自动调节的具体功能，能够对钻井作业的状态参数起到安全保护、监测以及自动控制等目的，能够对钻井作业的正常、起钻以及下钻等工作的状态参数起到监测以及控制的目的。
3.在变频技术日趋成熟的今天，集成化、一体化的产品已经逐步占据了市场，散热的好坏也逐步成为评判变频柜的标准。如果要正确的使用变频器，必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高１０℃，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题！在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的，变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。通常，变频器安装在控制柜中。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的！关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。开关频率：变频器的发热主要来自于ＩＧＢＴ，ＩＧＢＴ 的发热有集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。同时提高了钻机的智能化水平，提高作业质量，降低作业成本，减轻工人劳动强度，减轻振动，降低噪声，工作更安全，作业效率大大提高，采用自动送钻，减少旋转时间，同时维护保养工作效率大大提高。
结束语：通过对采用模拟钻井、系统连调以及功能调试等相互结合进行钻井的实验结果得知，交流变频技术以及PLC控制系统应用于大直径钻井作业中，能够促进精确调整钻机中转盘以及绞车的速度，同时还能够达到快速停止、快速启动、自动送钻以及恒钻压等目的，在很大程度上促进钻井工程能力以及技术水平有效提高，同时对于施工工期、施工工艺以及设备等要求。
参考文献：
1.张妍妍．pLc程序控制系统和变频器在胶带机上的应用，科技信息。2019，12(17)：168—169．
2陈亚龙，恽利坚．PLC和变频器在乌钾母液泵恒压系统的应用．化工矿物与加工，2019,4(05)：175—176．