基于ACS800變頻器的泥漿泵軟泵控制技術

李崇博（西安寶美電氣工業有限公司，陜西 西安 710077）

基于ACS800變頻器的泥漿泵軟泵控制技術

李崇博（西安寶美電氣工業有限公司，陜西 西安 710077）

為保證鉆井作業中的巖屑通過泥漿循環系統帶出，鉆井作業中都會配有泥漿泵，大型鉆機一般都會配置2～3臺泥漿泵。在鉆井過程中多臺鉆井泵同時運行時，由于各個泵體的活塞無規律運動易引起管匯共振、水龍帶跳動、隨鉆信號偏差和地層坍塌等問題。為解決這一問題，提出通過泵沖傳感器采集活塞位置，ACS800變頻器自定義編程功能設計專用程序控制變頻器輸出的軟泵控制技術，從而實現整個管匯的壓力波動平穩，減小對鉆井過程的影響。

鉆機；泥漿泵；軟泵；ACS800

1 引言

在石油鉆機系統中，為了將井底鉆頭破碎的巖屑及時攜帶到地面上來以便繼續鉆進，系統都配置了2～3臺泥漿泵，每臺泥漿泵有三個活塞，三個活塞分別按照120度相位差進行交錯運動。當兩臺或者三臺泥漿泵需要同時作業運行時，司鉆操作啟動泥漿泵是隨意的，因此當泥漿泵運行時，泥漿泵的各個活塞向管匯里注入泥漿的運動是無規律的，相鄰兩次活塞向管匯注入泥漿的時間差都不一樣。這樣無規律地向管匯注入泥漿，對于泵體或者管匯系統來說會出現共振或者管路跳動，從而影響高壓管路上的閥件、空氣包、加速泵組件的疲勞，嚴重的甚至會由于壓力的劇烈沖擊造成井壁以及軟地層出現塌方，造成井下事故，進而影響鉆井作業生產。

近些年來無論在直流驅動鉆機還是交流驅動鉆機，都在探討軟泵技術的應用，有通過PLC系統控制，也有通過專用的控制模塊控制，控制方式比較多。結合實際項目應用，提出通過泵沖傳感器采集活塞位置進行時序判斷，采用ACS800變頻器自定義編程功能設計專用程序控制變頻器輸出的軟泵控制技術。

2 軟泵功能的控制原理

石油鉆機每臺泥漿泵有三個活塞，在一個周期運行時間內，每個活塞之間存在120度相位差。當系統配有兩臺泵，共計六個活塞，在一個周期的運行時間內，兩臺泵同時運行時每個活塞之間如果保證60度的相位差，對鉆井作業的影響最小。同理，三臺泵時保證每個活塞之間40度的相位差，對鉆井作業的影響最小。

以兩臺泵的運行為例，為保證兩臺泵運行時活塞運動規律相差60度，在每臺泵的同一個位置各安裝一個泵沖傳感器來檢測泵桿的位置信號，以便于判斷兩臺泵同一位置活塞的相位差。

對于1號泵的控制系統而言，2號泵的接近開關信號定義為MP2，當活塞運動到泵的頂端時我們定義為MP2=1，未到達頂端時我們定義MP2=0。

對于2號泵的控制系統而言，1號泵的接近開關信號定義為MP1，當活塞運動到泵的頂端時我們定義為MP1=1，未到達頂端時我們定義MP1=0。

兩臺泥漿泵同時運行時，泵沖傳感器采集到的信號通過疊加計數，MP1=1的間隔時間定義為Tx。MP2=1和MP1=1的間隔時間定義為Ty，如圖1所示。

圖1 泵沖接近開關信號時序示意圖

為滿足相位角的要求，當Ty〈Tx/6，就需要2#泥漿泵速度減慢，從而讓Ty無窮接近Tx/6，當Ty〉Tx/6，就需要2#泥漿泵速度提升，從而讓Ty無窮接近Tx/6。

理論上Ty=Tx/6是最理想的狀態，但實際運行時會存在一定程度的偏差。系統定義最終的偏差控制10%以內，即，則認為軟泵功能控制精度滿足要求。

3 軟泵功能實現的要求

在正常鉆井作業過程中，泥漿泵運行泵沖設定都較高，并且泵沖給定相差不太大，因此在實現軟泵功能時需要滿足以下條件∶

（1）MP1和MP2的泵沖超過30沖，且泵沖之間的差小于10沖。

（2）軟泵功能以MP1為基準，MP1的速度給定只接受PLC的調整，傳動內部不進行調整。

（3）滿足第一條的條件后，假如軟泵功能投入，MP2的速度給定自動調整到與MP1相同的速度給定.

（4）對MP2的速度進行微調，使得兩個泵六個活塞之間存在60度的相位差。

4 實例應用

在鉆機50DBT的項目中，采用兩臺1200kW的交流變頻電動機驅動分別驅動F1600的泥漿泵，驅動電機的變頻器選用ABB公司生產制造的ACS800系列多傳動交流傳動裝置。多傳動系統的特點就是公共直流母線，所有的逆變器都從公共直流母排上來取電，選用兩臺ACS800-107-1740，進行一對一地驅動兩臺泥漿泵。

根據軟泵的功能要求、控制原理和控制精度，使用變頻器實現軟泵功能時，主要利用變頻器進行泵沖傳感器數據的采集、相位角計算、數據處理和傳輸。系統設計采用變頻器的RMIO主控板數字量輸入端口采集泵沖傳感器信號，使用ABB的自定義編程PC工具DriveAP對變頻器進行自定義編程的創建、整理、編輯和下載，實現速度的同步、相位角的計算和速度的微調。

4.1 泵沖傳感器的安裝

為實現數字量端口接收信號，泵沖傳感器選擇安裝在泥漿泵同側的相同位置。軟泵功能主要是控制泥漿泵2的速度，按照ABB項目圖紙的定義，泵沖傳感器的接線統一接到MP2柜中的數字量端口4（DI4）和端口5（DI5）。

4.2 軟泵功能的實現

硬件條件滿足后，軟泵功能的實現主要依靠軟件來實現。當司鉆將每臺泵的泵沖和泵沖差設置滿足條件，然后啟用軟泵功能，系統首先判斷是否滿足前面提到的軟泵功能要求的第一條，當滿足條件后，變頻器內部預先編寫好的自定義編程程序將按照以下過程進行軟泵的實現：

（1）將PLC發給MP1的速度給定值和實際速度值通過ABB的主從控制傳輸給MP2；

（2）自定義編程的程序檢測MP1和MP2的當前速度差，然后調整使MP2的速度和MP1速度給定相同，從而達到泵沖相同；

（3）自定義編程的程序通過MP2柜內的RMIO數字量端口DI4和DI5的狀態計算兩個泵沖傳感器信號的相位差時間，以MP1為基準，按照Ty和Tx/6的關系，對MP2的速度進行相位修正，將相位修正的速度給定值發送到MP2的附加給定，不斷進行微調MP2的速度，使Ty無窮接近Tx/6。

軟泵功能啟動后，使用DriveWindow軟件對泵沖傳感器的信號進行監測。如圖2所示，通過監測8.05組參數（DI狀態字）的值，可以得到是DI4變化還是DI5變化，監測數據定義8.05為第四條曲線，即[4]曲線是ACS800的DI端口狀態，16h和36h是DI4和DI5有信號的狀態，DI4前后兩次信號對應的時間為272.9s和274.37s，DI4和DI5對應的時間為273.13s和273.13s。

圖2 泵沖信號采集圖

按照圖1中軟泵信號時序定義的關系：

Tx =274.37-272.9=1.47s Ty =273.13-272.9=0.23s

精度計算：

Tx/6=1.47/6=0.245s 1.1×Tx=1.1×0.245=0.2695s 0.9×Tx=0.9×0.245=0.2205

5 結束語

使用泵沖傳感器采集的信號作為時序控制的基礎，通過開放的自定義功能進行變頻器的控制，達到控制時序的目的。經過現場的試驗、曲線監測和時序計算，軟泵功能啟用后，經過約17秒左右的時間調整，系統達到穩定運行狀態，達到了軟泵控制功能的要求和精度。這種控制方法線路簡單、便于操作，對于減少鉆井泵活塞無規律運行產生的負面影響有很好的作用，現在已經大面積在進行推廣使用。

[1] 張奇志. 電動鉆機自動化技術[M]. 北京∶ 石油工業自動化出版社, 2006.

[2] 趙芳豹. 電動鉆機實現鉆井泵軟泵運行的控制技術研究[J]. 石油機械, 2003, 31 (6) ∶ 9 – 11.

[3] 北京ABB電氣傳動系統有限公司, 固件手冊[Z]. 2009.

[4] 北京ABB電氣傳動系統有限公司, Multi Block Programming Application 7.x [Z]. 2006.

Based on the ACS800 Inverter Soft Mud Pump Control Technology

In order to ensure the cuttings in the drilling through out of the mud circulating system, the drilling operationwill be equipped with mud pump in the drilling operation, some large rigs are typically configured with 2～3 sets of mud pump. In the drilling process, when multiple drilling pumps are running simultaneously, the irregularity of the pistons of each pump body causes the problem of manifold resonance, water hammer jump, MWD signal deviation and formation collapse. Mud pump operation at the same time, the piston of the mud pump movement, but there is no rule, the movement cause resonance mud line even beat, and exerted a great potential safety hazard, high pressure manifold to solve this problem, we draw out soft pump solution, which uses the pump sensor to obtain the piston position, ACS800 inverter custom programming function designed to control the inverter output of the soft-pump control technology. Finally, it can achieve the entire manifold pressure fluctuations, and reduce the drilling process Impact.

Rig; Mud pump; Soft mud pump; ACS800

B

1003-0492(2016)10-0088-03

TP29

李崇博（1981-），男，工程師，陜西咸陽人，2005年畢業于西安理工大學機電系統智能控制專業，現就職于西安寶美電氣工業有限公司，主要從事石油鉆機電驅動控制系統設計、研究及服務工作。