Автоматические системы управления буровыми установками

Системы управления буровыми установками

ВИДЫ, ТРЕБОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Буровая установка представляет собой сложный комплекс различных машин и механизмов, обеспечивающих выполнение разнообразных технологических операций при проводке сква­жин. Эффективность работы этого комплекса зависит от экс­плуатационных качеств, маневренности, четкости и надежности работы всех его элементов. Важную роль в комплексе играет система управления.

Системы управления обеспечивают:

пуск, остановку и регулировку работы двигателей;

включение и выключение трансмиссий, которые блокируют двигатели, приводящие буровые насоса, ротор или лебедку;

включение и выключение буровых насосов, лебедки, ротора, механизма подачи и тормозов (гидравлического, электрического и ленточного); изменение частоты вращения барабана лебедки, насосов и ротора; включение и выключение устройств для свинчивания и раз­винчивания бурильных труб;

управление работой ключей, клиньев и других механизмов при отвинчивании и установке бурильных свечей в магазин в процессе спуска и подъема колонны;

управление оборудованием для герметизации устья скважи­ны при бурении и проявлениях газа;

включение и выключение компрессора, вспомогательной ле­бедки или насоса, осветительной установки, устройств для очи­стки и приготовления бурового раствора и других вспомогатель­ных механизмов.

Для приведения в действие органов управления используют­ся различные виды энергии: в системах ручного механического управления -сила оператора; в пневматических, гидравличе­ских и электрических системах -энергия сжатого воздуха, жид­кости или электричества.

Система управления состоит из двух типов органов: управ­ляющих функциями главных и вспомогательных исполнитель­ных механизмов и аппаратуры, сигнализирующей оператору или регистрирующей результаты исполнения команды.

Система управления (рис. XI. 1) содержит пять основных органов:

•1 — воспринимающий команду (кнопка, рукоятка, рычаг, пе­даль и др.), на который воздействует оператор — человек, про­граммирующее устройство или микропроцессор;

•2 — промежуточный, передающий команду к исполнительным механизмам с использованием внешней энергии: тяги, трубопро­вода, электрокабеля и др.;

•3 — исполнительный, воздействующий на механизм, выпол­няющий технологическую функцию: муфта сцепления, золотник, кран и др.;

•4 — фиксирующий или ограничивающий исполнение коман­ды: защелка, концевой выключатель, стопор и др;

•5 — обратная связь, информирующая оператора об исполне­нии команды или заданного режима работы: измерительный прибор, манометр, термометр, динамометр, световая или звуко­вая сигнализация.

В буровых установках применяется три вида систем управ­ления:

централизованная — расположенная у поста бурильщика и позволяющая ему управлять основными исполнительными меха­низмами: лебедкой, насосами, ротором, превенторами и др.;

индивидуальная или местная — расположенная вблизи того или иного агрегата;

смешанная—позволяющая управлять агрегатом как с поста бурильщика, так и непосредственно около агрегата; например, ДВС с суммирующей трансмиссией могут управляться дизели­стом или бурильщиком и др.

Всеми устройствами управляют с постов бурильщика, дизе­листа или с пульта, расположенного вблизи того или иного агрегата (оборудования). В соответствии с выполняемыми функциями цепи управления подразделяются на независимые и взаимосвязанные. Независимые цепи применяют в тех случаях, когда устройства не связаны друг с другом, например, включение лебедки, насосов, ротора. Взаимосвязанные (сблокированные) системы управления используют, когда недо­пустимо одновременное включение нескольких движений, напри­мер, одновременное включение прямого и обратного вращения ротора или двух скоростей лебедки.

В связи со сложностью и многообразием функций, выполняе­мых механизмами для обеспечения маневренности, быстроты и удобства манипулирования, в буровых установках применяют комбинированные системы управления, позво­ляющие наиболее полно удовлетворить все требования.

Степень совершенства системы управления зависит от ее качеств, главными из которых являются:

мощность, усилие или крутящий момент для осуществления операций управления;

легкость, маневренность и автоматизм органов, на которые воздействует оператор и которые осуществляют исполнение ко­манды.

Совершенство системы управления зависит как от конструк­ции органов системы управления, так и от рабочей позы бу­рильщика и усилий, затрачиваемых им в процессе управления. Неудобство позы рабочего, необходимость приложения больших усилий вызывают быстрое утомление рабочего и снижают его производительность. Усилие, затрачиваемое рабочим на мани­пуляции рычагами, обычно не более 30-50 Н, тормозной руко­яткой- не более 150 Н, ножными педалями и редко переклю­чаемыми рычагами — не более 100-200 Н. Давление рукоятки, кроме тормозной, обычно осуществляется в течение нескольких секунд и неутомительно для бурильщика. Рукоятки и педали располагают так, чтобы ими было удобно пользоваться без изменения рабочей позы и места бурильщика.

Четкость, стабильность и мнемоничность управления обеспе­чиваются тем, что каждая команда соответствует определенной функции и не вызывает изменения положения других органов управления. Величина хода, например, рукоятки, при включе­нии и выключении должна быть всегда одинакова и стабильна при каждом повторении команды.

Мнемоничность управления обеспечивается таким располо­жением органов управления, при котором оператор освобожден от излишнего напряжения памяти. Оператор не должен каждый раз вспоминать, где находится тот или иной рычаг управления, в какую сторону и на какое расстояние следует его передвинуть или повернуть, чтобы включить или выключить, например, ключ для свинчивания или развинчивания бурильных замков.

Направление движения руки оператора должно совпадать с направлением движения механизма. При вертикальном рас­положении рычага, например тормозного, торможение осуще­ствляется движением рычага вниз, так как при этом удобнее приложить к усилию руки еще вес тела рабочего, а при растормаживании наоборот. При горизонтальном расположении рыча­гов включение, требующее большого усилия рабочего, осуществ­ляется поворотом рычага «на себя», а выключение — «от себя». Штурвалы при включении обычно вращают «от себя», а при выключении — «на себя». Педальное управление при рабочей позе стоя осуществляется только в механизмах, требующих эпизодического включения. Включение осуществляется нажати­ем педали «вниз», а выключение — «вверх». При кнопочном управлении — верхняя кнопка «пуск», а нижняя «стоп».

Пульт бурильщика снабжается табличкой с указанием на­правления движения каждой кнопки или рычага и выполнения ими функций. Надписи должны быть четкими, хорошо освещать­ся и легко читаться без изменения рабочей позы оператора. Прогрессивность, мягкость и гибкость — важные качества систем управления. Прогрессивность обеспечивает безударность и мягкость включения за счет того, что полное усилие на органе управления возникает не сразу, а с некоторым запаздыванием, а затем быстро и энергично возрастает до требуемой величины, осуществляя включение без рывков и ударов. Например, в лен­точных тормозах, буровых лебедок применяют кулачковые или рычажные механизмы, с помощью которых передаточное отно­шение изменяется по мере поворота рычага. Это обеспечивает прогрессивное увеличение тормозного усилия.

Быстродействие системы управления — важное качество для таких механизмов, как подъемная система буровых лебедок, вы­полняющая массовые, часто повторяющиеся операции при СПО. При этом оператор должен всегда знать или видеть, что его команда выполнена точно.

Структурная прочность органов системы управления и их конструкция выполняются такими, чтобы не происходило изно­са и деформации их элементов в процессе работы, монтажа, демонтажа и транспортировки буровой установки, приводящих к нарушению точности и четкости управления.

Безопасность системы управления обеспечивается хорошим расположением органов управления, легкостью их обслужива­ния, соблюдением необходимых расстояний, хорошей освещен­ностью, легкостью и удобством манипулирования. Все это ис­ключает возможность травматизма обслуживающего персонала и порчу оборудования.

источник

АСУ механизмами буровой установки

АСУ механизмами буровой установки

Автоматизированная система управления

Предназначена для управления электроприводами главных (буровые насосы, лебедка и ротор) и вспомогательных механизмов буровой установки в ручном или полуавтоматическом режиме, разработана на базе микропроцессорного программируемого контроллера и выполняет следующие функции:

• ввод, контроль и первичная обработка входных сигналов;
• контроль выхода значений параметров за допустимы технологические границы, исправности датчиков и линий связи;
• сбор, обработка и визуализация информации о состоянии оборудования, датчиков и линий связи;
• управление механизмами буровой установки в соответствии с требуемыми режимами;
• прием и контроль достоверности информации ручного ввода;
• формирование и выдача управляющих воздействий и сообщений об отказах и отклонениях параметров;
• подсчет времени наработки основного оборудования.

В состав системы АСУ входит следующее оборудование:

• шкаф с микропроцессорным контроллером — МПК;
• пульт бурильщика — ПБ;
• пульт управления буровыми насосами — ПН;
• шкаф АКЛ со станцией удаленного ввода/вывода информации;
• инверторы (приводные блоки) с цифровым управлением ИН1…ИН4.

Шкаф АКЛ со станцией удаленного ввода/вывода информации устанавливается в лебедочном блоке буровой установки.

Пульт бурильщика с графическим дисплеем и кнопками управления, а также подключенный к пульту командоаппарат для задания скорости лебедки находится в кабине бурильщика.

Пульт управления насосами со станцией удаленного ввода/вывода информации устанавливается в насосном блоке.

Управление главными механизмами буровой установки производится с пульта бурильщика по сети Profibus DP. На пульте бурильщика осуществляется визуализация состояния главных приводов.

При разработке системы управления использован принцип модульности и взаимозаменяемости элементов системы. Восстановление работоспособности системы при отказах производится, как правило, путем замены элементов на аналогичные из комплекта ЗИП. Такой принцип построения системы позволяет повысить ее ремонтопригодность, надежность и безотказность.

Обеспечивает диагностику работы комплекса технических средств и выдает сообщения об отказе элементов, что позволяет в короткие сроки локализовать и устранить причину отказа.

Визуализация состояния механизмов, технологических блокировок, аварийные сообщения о неисправностях и т.д. осуществляется посредством панелей операторов, расположенных на пульте насосов и пульте бурильщика.

Связь преобразователей частоты и панелей оператора с системой управления осуществляется по сети с протоколом обмена данными Fieldbus / Profibus DP.

Система визуализации позволяет оператору осуществлять мониторинг состояния механизмов буровой установки:

• стола ротора и буровой вышки;
• буровой лебедки;
• системы ЦСГО;
• буровых насосов;
• системы электроснабжения.

С помощью видеографических панелей оператора осуществляется, также, контроль параметров бурения:

• горизонтальности стола ротора;
• вертикальности буровой вышки;
• уровня и температуры масла в картерах;
• температуры подшипников механизма ротора, раздаточных коробок и буровых насосов;
• давления в системах смазки редукторов механизмов;
• давления в пневмокомпенсаторах низкого и высокого давления;
• уровня, температуры и плотности бурового раствора;
• частоты и напряжения для контроля электропитания с дизель-генераторных установок;
• информации с датчиков блокировок и защитных ограждений.

источник

Автоматизация буровых установок

Конструкция буровых установок позволяет осуществлять управление режимами работы по одному или двум параметрам: подача бура и частота его вращения. Возможны следующие автоматизированные режимы рабо­ты буровых установок вращательного бурения, а также вращательно-ударного бурения:

1. Стабилизация на заданном токовыми уставками уровне среднего значе­ния мощности электродвигателя подсистемы привода исполнительного органа с помощью регулятора режимов работы. Этот режим может быть реализован для мехатронизированных буриль­ных ма­шин при наличии в составе их подсистем подвески и перемещения испол­нительного органа гидроцилин­дровых податчиков с регулируемыми гид­ропередачами «насос-гидродомкраты», обеспечивающими соответствующие измене­ния скорости подачи органа на забой. Принцип построения системы автоматического регулирования (САР) режима работы буровых машин для поддержания заданного значения нагрузки заключается в изменение скорости подачи в зависимости от нагрузки на приводной электродвигатель. Отличительная особенность САР буровой установки является наличие режима забуривания, который проводится при заведомо пониженной скорости.

2. Стабилизация на заданном уровне среднего значения момента электродвигателя подсистемы привода исполнительного органа на основе частотно-регулируемого электропривода путем регулирования скорости резания.

3. Автоматическое наращивание става путем последовательного выполнения следующих операций: выдвижка питателя с новой штангой на линию бурения; соединение новой штанги с буровым станком; возвращение питателя в заданном положении; бурение скважин на длину одной штанги; возвращение питателя в заднее положение. За тем цикл повторяется и бурение происходит до тех пор пока последняя штанга не выйдет из питателя. Процесс бурения может продолжаться после загрузки питателя штангой.

В настоящее время существует ряд технических средств автоматизации буровых установок, краткая характеристика которых приведена далее по тексту.

Пропорционально-интегральный регулятор ПРИЗ-М

Электрогидравлический, пропорционально-интеграль­ный, релейно-импульсного типа регулятор ПРИЗ применяется при автоматизации буровых ус­тановок и проходческих комбайнов [9].

Регулятор ПРИЗ обеспечивает выполнение следующих функций:

— стабилизацию тока электродвигателей установки на заданном уровне путем изменения скорости подачи режущего органа на забой;

— двухступенчатую защиту электродвигателей от технологических пере­грузок и опрокидываний;

— ограничение скорости подачи при пуске машины, забуривании и дли­тельном перегрузе;

— забуривание по заданному времени;

— блокировки, исключающие подачу режущего органа на забой при вы­ключенных электродвигателях привода;

— индикацию режимов работы контролируемых электродвигателей.

В состав регулятора ПРИЗ – М входит блок регулятора для формирования требуемого закона управления, датчик тока для определения нагрузки на электропривод, сервопривод для изменения скорости подачи исполнительного органа в соответствии с сигналами управления.

Принцип действия регулятора заключается в сравнении сигналов, снимае­мых с датчиков тока главных электродвигателей в блоке регуля­тора, с сигналами задания и выдачи команд на изменение или отключение подачи комбайна на забой. Подача отключается, но ток электродвигателя достигает двукратного номинального значения. При этом срабатывает безынерционный каскад защиты регу­лятора ПРИЗ. Если в течение 1—2 с перегрузка не устранилась электродвигатели отключаются. Регулятор нагрузки стабилизирует ток нагрузки электродвигателя режущего органа на заданном уровне путем изменения количества масла, подаваемого в гидро­цилиндры перемещения стрелы, а также защищает электродвигатель от перегрузок.

Комплекс технических срадств автоматизации КТСА

Комплекс КТСА предназначен для дистанционного управления буровым станком типа Б15-50 Э с автоматическим наращиванием става буровых штанг с функциями управления механизмами бурового станка в автоматическом, дистанционном и маневровом режимах и оповещением обслуживающего персонала в звуковом и световом виде [2].

Станок буровой типа Б15-50 Э предназначен для бурения дегазационных, увлажнительных скважин и скважин другого назначения. Наибольшая глубина скважины может доходить до 200 м в пологих и до 150 м в крутых угольных пластах из подготовительных выработок и камер.

Комплекс КТСА рассчитан для эксплуатации в подземных выработках шахт, опасных по газу и пыли, в том числе на выбросоопасных или угрожающих по выбросам угля, породы и газа пластах.

Современная элементная база комплекса с применением программируемого микропроцессорного контроллера, дисплея на пульте дистанционного управления позволи­ла реализовать следующие оновные функции:

— дистанционное управление механизмами бурового станка с пульта дистанционного управления с использованием блокировок, которые исключают поломку ме­ханизмов при ошибочных действиях обслуживающего персонала и при выполнении маневровых операций;

— автоматическое наращивание бурового става;

— автоматическое продолжение операции по наращиванию буро­вого става после прерывания напряжения питания с дальнейшим включением его нажатием кнопки «Пуск маслостанции»;

— отображение на дисплее информации о положении механизмов станка; о включении бурового станка в режиме автоматического, дис­танционного и маневрового управления; о выполнении станком про­цесса бурения скважины;

— диагностика отказов электродвигателей, питателя, механизмов подхвата, подачи, контроль уровня масла в маслобаке насосной стан­ции и его перегрева;

— при не включении одного из электродвигателей и при отсутст­вии подачи на дисплее указывается причина отказа;

— отображение на пульте дистанционного управления наличие буровых штанг в питателе, конечные положения питателя и каретки вращателя, окончание процесса свинчивания штанг.

Состав комплекса КТСА: пульт дистанционного управления; блок управления;коробка клеммная маслостанции;коробка клеммная бурового станка;коробка клеммная питателя.

Количество контролируемых электродвигателей не менее 3 шт. Максимальная дальность расположения пульта дистанционного управления от станка при бурении, м, не более 30.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 9262 — | 7847 — или читать все.

источник

БУРОВЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

В литературе и практике буровые автоматические системы получили название «буровые автоматические регуляторы» (БАР). Однако по классическому определению автоматическая система включает в себя объект регулирования и регулятор. И в дальнейшем термин БАР будет относиться к буровой автоматической системе. При рассмотрении буровых автоматических систем регулирования многими авторами часто приводится описание регулятора и основных звеньев объекта регулирования, и в целом это называется также буровым автоматическим регулятором — БАР.

Ниже описываются в качестве примеров «классические» системы подачи инструмента (долота) как историческая справка. Описываемые регуляторы работают по жесткому алгоритму.

В настоящее время используются компьютеризированные системы управления процессом бурения, описанные в разделе 5.

Общие понятия о буровых автоматических системах

Автоматизация буровой установки предполагает автоматизацию двух основных процессов при сооружении скважин: процесса бурения и процесса спуско-подъемных операций (СПО). При автоматизации этих двух основных процессов буровую установку можно назвать комплексно автоматизированной. Комплексно-автоматизированная буровая установка включает и сложные автоматические системы, и простые, работа которых заранее может быть запрограммирована в пространстве и во времени.

Рис. 4.1. Блок-схема ручного регулирования осевой нагрузки при подаче с лебедки: ОП — оператор (бурильщик); Л — лебедка (ТК — тормозные колодки, БЛ — барабан лебедки); ТС — талевая система; БВ — буровой вал;

ДЗ — звено «долото — забой»; ГИВ-б — гидравлический индикатор веса (ТД — трансформатор давления, ИП — измерительный прибор — основной указатель)

Рассмотрим схему ручного управления осевой нагрузкой при подаче инструмента с лебедки (рис. 4.1), а затем «переконструируем» ее на автоматическое управление и посмотрим, что это влечет за собой.

Большинство систем автоматизации процесса бурения работают в функции осевой нагрузки, т. к. осевая нагрузка, как режимный параметр, во многом определяет успех бурения.

Управление осевой нагрузкой при подаче инструмента с лебедки производится путем перемещения его верхнего конца (верха буровой колонны).

Бурильщик, наблюдая за показаниями прибора (Fji

усилие в ходовой ветви ТС, сматываемой с барабана лебедки; Скр — усилие на крюк талевой системы, Got), т. е. при уменьшении тормозного усилия / увеличиваются скорость подачи верха колонны V_n и нагрузка на ПРИ, при увеличении тормозного усилия — скорость подачи и нагрузка уменьшаются. В установившемся режиме скорость подачи верха колонны У_п равна скорости подачи низа колонны F_M, т. е. и механической скорости бурения V_M.

Таким образом, роль бурильщика сводится к перемещению 5 рукоятки управления тормозом лебедки в функции изменения показаний прибора (р, т. е. и нагрузки Goc па ПРИ в соответствии с выражением

где AGoc — отклонение осевой нагрузки от заданного значения; к — коэффициент пропорциональности, показывающий, какое перемещение бурового инструмента приходится на единицу отклонения нагрузки.

Рис. 4.2. Структурная схема автоматического регулятора осевой нагрузки при подаче с лебедки:

3 — задатчик; У — усилитель; ИМ- исполнительный механизм; Уос

Для перехода на автоматическое управление с реализацией формулы (4.1) необходимо в схеме предусмотреть вместо бурильщика исполнительный механизм ИМ, воздействующий на тормоз лебедки. Естественно, потребуется введение и других узлов: задатчика, узла сравнения, усилителя и др. (рис. 4.2).

Как первый пример, так и второй — обе системы замкнутые, с обратной связью. Но в первом случае обратную связь осуществляет бурильщик, зрительно наблюдая за показаниями прибора. Во втором случае эту функцию выполняет звено обратной связи уос, в качестве которого может быть применен любой датчик с электрическим выходным сигналом и_ос (суммируются сигналы одной размерности). И в первом, и во втором случаях речь идет о стабилизаторе осевой нагрузки. При смене горных пород необходимо для задания и стабилизации новой осевой нагрузки изменять задающее воздействие.

источник