亨士樂編碼器技術助力石油鉆機電氣傳動系統的高效運行

亨士樂編碼器技術助力石油鉆機電氣傳動系統的高效運行

Hengstler編碼器在石油鉆機電氣傳動系統中具有至關重要的作用，它是推動技術進步的關鍵元素。利用編碼器，我們能夠實現對石油鉆機絞車的速度閉環控制，精確調節轉盤的輸出轉矩和轉速，并基于滾筒圈數準確計算大鉤的高度。


圖為使用亨士樂編碼器的遼源50石油鉆機現場

一、石油鉆機電氣傳動系統的核心功能

石油鉆機電氣傳動系統，作為整個鉆機的控制中樞，涵蓋了動力控制系統、主電機驅動及配電系統、自動化系統以及人機界面等多個模塊。其驅動形式主要可以分為直流與交流兩大類型。而當前的交流傳動系統，特別是交流變頻傳動系統，因其在功能、技術、安全可靠性以及與現代鉆井工藝的融合性上的卓越表現，正逐漸成為石油鉆機電氣傳動系統的發展趨勢。

二、編碼器的應用及其工作原理

亨士樂編碼器，作為一種能夠將機械角度物理量的變化轉化為電信號的裝置，在石油鉆機電氣傳動系統中主要用于測量轉動物體的角位移、角速度以及角加速度。這些物理量被轉化為電信號后，進一步輸出給控制系統或儀表，從而實現對驅動裝置的精確控制。

在ZJ50DBS鉆機電氣傳動系統中，使用的編碼器是24V增量式編碼器，它們被分別安裝在絞車變頻電機、轉盤變頻電機、自動送鉆變頻電機和滾筒軸末端。這些Hengstler編碼器在系統中扮演了不同的角色，例如，變頻電機編碼器主要負責采集轉速信號，實現速度閉環控制；而滾筒編碼器則通過反饋滾筒圈數給PLC控制系統，以精確計算大鉤的高度。

編碼器的工作原理相對簡單。通常，編碼器會引出多根接線，包括電源線和信號線。在實際應用中，根據具體需求進行接線。編碼器通過內部的光電轉換機制，將轉動轉化為電信號輸出。通過測量這些信號的波形和相位關系，我們可以判斷出編碼器的旋轉速度和方向。

三、編碼器在鉆機變頻傳動系統中的應用實踐

在石油鉆機電氣傳動系統中，絞車電機、轉盤電機和自動送鉆電機是需要精確控制的關鍵設備。由于這些設備對調速范圍的要求較高，因此均需要安裝編碼器以實現精確的轉速反饋和速度閉環控制。

在變頻傳動系統中，編碼器的接線是一個重要的環節。通常，編碼器的A、B、24V和0V等信號線需要連接到變頻器的相應端子上。然而，由于變頻電機與電控房之間的距離可能較遠，導致編碼器信號衰減，因此需要在兩者之間安裝DTI板進行電位隔離、信號放大和干擾抑制。

此外，變頻器還需要對亨士樂編碼器信號進行處理和參數標定。以SIEMENS 6SE70/71變頻器為例，它能夠通過A/D轉換器將編碼器輸出的脈沖信號轉化為數字信號，為速度閉環控制提供準確的轉速反饋。當編碼器出現故障時，變頻器會顯示相應的故障代碼，如F053。同時，通過調整變頻器的相關參數（如P100、P130等），可以實現編碼器與變頻器的最佳匹配，確保系統的穩定運行。在應急情況下，即使編碼器損壞，也可以通過修改相關參數暫時去除Hengstler編碼器的影響，使變頻器繼續工作，從而確保鉆井生產的連續性。

四、編碼器在變頻鉆機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。它主要實現參數采集、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,它的功能是采集絞車滾筒圈數,以脈沖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,成為自動送鉆、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控制系統中采用的編碼器是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后,利用編輯好的PLC程序,將編碼器脈沖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Hengstler編碼器在鉆機電氣傳動系統中的應用過程,以ZJ50DBS鉆機為實例,介紹了相應的接線技術、參數標定等,目的是為從事變頻鉆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。

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