亨士乐编码器技术助力石油钻机电气传动系统的高效运行

亨士乐编码器技术助力石油钻机电气传动系统的高效运行

Hengstler编码器在石油钻机电气传动系统中具有至关重要的作用，它是推动技术进步的关键元素。利用编码器，我们能够实现对石油钻机绞车的速度闭环控制，精确调节转盘的输出转矩和转速，并基于滚筒圈数准确计算大钩的高度。


图为使用亨士乐编码器的辽源50石油钻机现场

一、石油钻机电气传动系统的核心功能

石油钻机电气传动系统，作为整个钻机的控制中枢，涵盖了动力控制系统、主电机驱动及配电系统、自动化系统以及人机界面等多个模块。其驱动形式主要可以分为直流与交流两大类型。而当前的交流传动系统，特别是交流变频传动系统，因其在功能、技术、安全可靠性以及与现代钻井工艺的融合性上的卓越表现，正逐渐成为石油钻机电气传动系统的发展趋势。

二、编码器的应用及其工作原理

亨士乐编码器，作为一种能够将机械角度物理量的变化转化为电信号的装置，在石油钻机电气传动系统中主要用于测量转动物体的角位移、角速度以及角加速度。这些物理量被转化为电信号后，进一步输出给控制系统或仪表，从而实现对驱动装置的精确控制。

在ZJ50DBS钻机电气传动系统中，使用的编码器是24V增量式编码器，它们被分别安装在绞车变频电机、转盘变频电机、自动送钻变频电机和滚筒轴末端。这些Hengstler编码器在系统中扮演了不同的角色，例如，变频电机编码器主要负责采集转速信号，实现速度闭环控制；而滚筒编码器则通过反馈滚筒圈数给PLC控制系统，以精确计算大钩的高度。

编码器的工作原理相对简单。通常，编码器会引出多根接线，包括电源线和信号线。在实际应用中，根据具体需求进行接线。编码器通过内部的光电转换机制，将转动转化为电信号输出。通过测量这些信号的波形和相位关系，我们可以判断出编码器的旋转速度和方向。

三、编码器在钻机变频传动系统中的应用实践

在石油钻机电气传动系统中，绞车电机、转盘电机和自动送钻电机是需要精确控制的关键设备。由于这些设备对调速范围的要求较高，因此均需要安装编码器以实现精确的转速反馈和速度闭环控制。

在变频传动系统中，编码器的接线是一个重要的环节。通常，编码器的A、B、24V和0V等信号线需要连接到变频器的相应端子上。然而，由于变频电机与电控房之间的距离可能较远，导致编码器信号衰减，因此需要在两者之间安装DTI板进行电位隔离、信号放大和干扰抑制。

此外，变频器还需要对亨士乐编码器信号进行处理和参数标定。以SIEMENS 6SE70/71变频器为例，它能够通过A/D转换器将编码器输出的脉冲信号转化为数字信号，为速度闭环控制提供准确的转速反馈。当编码器出现故障时，变频器会显示相应的故障代码，如F053。同时，通过调整变频器的相关参数（如P100、P130等），可以实现编码器与变频器的最佳匹配，确保系统的稳定运行。在应急情况下，即使编码器损坏，也可以通过修改相关参数暂时去除Hengstler编码器的影响，使变频器继续工作，从而确保钻井生产的连续性。

四、编码器在变频钻机PLC控制系统中的应用

PLC控制系统是整个电气传动系统的核心。它主要实现参数采集、功能保护、数据计算和通讯等功能。其中编码器是PLC控制系统中不可缺少的一部分,它的功能是采集绞车滚筒圈数,以脉冲的形式送入单通道智能计数模板FM350-1。通过PLC控制系统计算出大钩高度,成为自动送钻、井深跟踪、上碰下砸等功能的主要基础参数。

(1)编码器在PLC控制系统中的接线。PLC控制系统中采用的编码器是24V增量式编码器,它和FM350-1的一般接线原理。大钩高度编码器需要引出5根信号线外带一根屏蔽线至FM350-1模块,这5根线包括24V、0V、A、B、O。

(2)编码器信号在PLC控制系统中的数据处理过程。编码器信号通过FM350-1模块输入CPU315-2DP后,利用编辑好的PLC程序,将编码器脉冲信号转换成数字量信号。运用数学公式可以准确计算出大钩高度的变化值△H。

具体见公式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—滚筒直径(m);d—钢丝绳直径(m);m—当前层数;n—初始层数;x—初始圈数;y—当前圈数;r—滚筒圈数;

五、结束语

阐述了Hengstler编码器在钻机电气传动系统中的应用过程,以ZJ50DBS钻机为实例,介绍了相应的接线技术、参数标定等,目的是为从事变频钻机电气传动系统设计、管理及维护人员提供一些理论依据以及实际应用方法,进一步理解编码器在系统中的重要作用和应用过程,以方便编码器在实际生产中的应用。

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