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2 0 1 0年 第 3 9卷 第 4期第 2 4页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 - 3 4 82 2 01 0 04 0 02 4 0 4 基 于 S 7 3 0 0型 P L C的变 频 自动送钻系统 模糊控制 任宏彪 ， 张大志 ， 张勇军 北京科技大学 高效轧制国家工程研究中心 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 钻机 自动送钻 系统的控 制 对 象存在 大时滞 、 非线性 和难 以建 立精确 数 学模型 等 问题 。提 出将 模糊 控制技 术 应 用于 自动送钻 。概 述 了变频 自动 送钻原 理 ， 完成 了模糊控 制 器设计 。根 据 PI C 的 特 点 ， 给 出了模 糊控 制在 P I C上 的 实现 方 法和基 于西 门子 S 7 3 0 0 P L C的模糊 控制 器 的设计 方法 。 在钻 机上 试验 的结 果表 明 ， 利 用 P L C实现模糊 控 制 简单 可 靠 ， 控制 效果 良好 ， 能够 满足 现场 生产 要 求 。 关键 词 自动送钻 ； 模糊 控制 ； 可编程逻 辑控 制 器 中 图分类 号 T E 9 2 8 文 献标 识码 A Fu z z y Co nt r o l o f Au t o d r i l l i n g wi t h Va r i a b l e Fr e q u e n c y Dr i v e Us i ng S 7 3 0 0 PLC REN Ho n g b i a o ， ZHANG Da z h i ， Z HANG Yo n g j u n Na t i o n a l En gi n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r f o r Ad v a n c e d Ro l l i n g， USTB， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a Ab s t r a c t Th e a ut o dr i l l i n g s ys t e m of oi l r i g s h a s p r ob l e m o f t he l o n g t i m e l a g a nd n on l i ne a r i t y a nd t h e p r e c i s e m a t h e ma t i c mod e l t ha t i s h a r d t o bu i l d ． To a p pl y a f u z z y c o nt r o l m e t ho d on a ut o dr i l l i ng i s pr o p os e d ．The pr i n c i p l e s o f a u t o d r i l l i ng wi t h v a r i a b l e f r e qu e n c y d r i ve a n d c o m p l e t e t he d e s i g n of f u z z y c o nt r o l l e r wa s e xp l a i n e d ． Ac c o r di ng t o t he pr i n c i pl e s o f f u z z y c o nt r o l a n d t h e f e a t u r e s o f PLC，a me t h od o f r e a l i z i n g f u z z y c on t r o l ba s e d o n t he PLC i s p r o p os e d，a n d s u gg e s t s a de s i g n of t he f u z z y c on t r o l l e r ba s e d on S i e me n s S7 3 0 0 PLC． The e f f e c t i ve c o nt r o l f o r a u t o d r i l l i n g ha s b e e n r e a l i z e d on t h e e x pe r i me nt a l i n s t a l l a t i on． Th e e x pe r i m e nt r e s ul t s i nd i c a t e t h a t t h e f uz z y c on t r ol s y s t e m i s r e l i a b l e a n d e f f i c i e nt i n o pe r at i ng a nd t hus b e t t e r t ha n t h e t r a d i t i o na l PI D c o nt r o l i n pe r f or ma nc e ． Ke y wo r d s a u t o d r i l l i ng； f uz z y c on t r o l ； PLC 自动送 钻是 指钻 机在 正常钻 进 过程 中不依 靠 司 钻调节 ， 而 是按 照钻井 工艺 要求 ， 通 过控制 系统 自动 调 节钻 压 和转 盘 转 速来 送 进 钻 具 。 目前 ， 国 内 自 动送钻 的钻压控 制 大多 采 用 P I D 控制 ， 其 控 制 算法 在系 统 的控 制效 果 、 快速性 、 精 确性 和稳 定性 方面都 达不 到钻进 要求 。传 统 的控制 方法 是 以数学公 式描 述控制 过程 ， 需要 给 出十分 严 密和 明确 的表达 式 ， 但 是 自动送钻 系统 是 一 个 多 变量 、 时 变 、 时滞 、 非 线性 的系统 ， 很 难用 一个 具体 的表 达式表 示 ， 而且 由于在 常规控 制 中参 数 是恒 定 的 ， 因此 对 于有 大 扰 动 的 自 动 送钻 系统 ， 控 制效 果 不 好 。 由于模 糊 控 制 理论 是 不 需要 建立 精确模 型 的控 制 理论 ， 因此 模 糊 控 制在 自动送 钻领 域得 到广 泛应 用L 2 。 近年来 ， 可 编程 控 制 器 P L C 已进 入 了各 个 领 域 的控 制 系统 ] ， 具 有 运 行 可靠 、 操 作 简 易 、 开 发 灵 活等特 点 ， 倍 受 工控行 业 的青 睐 ， 通过 软件 编程 和扩 展相应 功 能硬件 ， 可 以实 现 除传 统 P I D控 制外 的特 殊控制策略。目前 已有一些 P L C生产厂商开发出 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 3 0 作者简介 任宏彪 1 9 7 3 一 ， 男 ， 吉林松原人 ， 高级工程师 ， 在职硕士研究生 ， 从事石油钻井 设备研究 与管理工作 ， E m a i l y i z u a n 2 0 0 0 1 6 3 ． c o rn。 第 3 9 卷第 4期 任宏 彪 ， 等 基于 s 7 3 0 0型 P L C的变频 自动送钻 系统模糊 控制 模糊 控制 功 能模 块 供用 户选 用 ， 但 其 价格非 常 昂贵 。 本研 究利 用 S 7 3 0 0编程 软件 ， 通过 梯 形 图编 程 语 言 实 现对钻 压 的模糊 控制 。 1 变频恒钻压 自动送钻原 理 变频 自动 送 钻 原 理 如 图 1 ， 主 要 由 触 摸 屏 、 P I C、 变频 器 、 悬 重 传感 器 、 速度传 感 器 、 送 钻 电 机及 离合 器 、 绞 车等 组 成 _ 6 _ ， 绞 车 内包 含 有 传 感 器 及 送 钻 电机和 离合器 。司钻可 根 据钻井 参 数要求 设 定钻 压， 自动送钻系统依据实际钻压的变化来控制实际 送钻速 度 。 当实 际 钻压 设定 钻压 时 ， 钻进速 度持 续减 小 ， 直到实 际钻 压≤ 设 定钻压 ； 如果 钻进速 度减 小到 零 时 ， 实 际钻 压还是 大 于设定 钻 压 ， 自动送 钻 系统将 反 转运 行 ， 将 钻具 提 起 一 段 后 再 执 行 自动 送钻 。当游 车 到下 限时 ， 自动 送 钻 系 统 将 以 零 速送 钻 。 图 1 变频调速 自动送钻 系统 原理 2模糊控制基本原理及结构 系统采 用“ 双 入单 出” 模 糊 控 制 器口 ， 被 控 变 量 是变频器的速度输出， 即将反馈 的钻压与给定钻压 进 行 比较 ， 所得 的偏 差 e 及 此偏 差值 的变化 率 c作 为模糊控制器的输入信号 ， 经 P L C模糊 化、 模糊决 策 、 清 晰化运 算后 ， 输 出速 度指 令 ， 通过 P r o fi b u s D P 总线 传 到变 频 器 ， 控 制 交 流 送 钻 电机 的 转 速 。 自 动送 钻模 糊控 制原 理 如 图 2 。 钻压 实 际 钻 压 S 7 ≮；O O 钻压模 糊控制 钻压 闭环 钻压 输出 图 2 自动送钻模糊 控制原理 P L C实 现模 糊控 制 器 功能 ， 模 糊 控 制器 主要 包 括 输入 量模 糊化 、 模 糊决 策 和模糊 输 出量 清晰 化 解 模 糊 3个 部 分 ， 如 图 3 ， 其 中 ， E 和 EC 分别 为 g和 e c模 糊化 后 的模糊 输 入 ； U 为模 糊 输 出量 ； “为 清晰 化 后 的精确 输 出量 。 e 压力偏差 ； e c 一压 力偏 差变化率 ； “ 一模糊控制器 的输 出控制量 ； K 、 K 、 K 误差 e 、 误差变化率 e c 的量化 因子 和控制量 “的比例因子 图 3 模糊控制器示 意 根据专家的钻井经验 ， 采用隶属函数 的数值定 义 ， 可 列写 其语 言值 隶属 函数表 ， 偏差 e的隶 属 函数 如 表 1 ， 偏 差 变化 率 e c的隶 属 函数 如表 2 ， 输 出控制 量 的隶 属 函数如 表 3 。 表 1 偏 差 P的 隶属 函 数 一 6 5 4 ～ 3 2 1 NB 1． 0 0． 8 0． 4 0 0 0 N S 0 0． 2 0． 6 1 ．0 0 ．6 0 ．2 Z0 0 0 0 0 0．2 0 ．6 PS 0 0 0 0 0 0 PB 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 O O ． 8 6 0 O 0 0 1 ．O 表 2偏 差 变 化 率 P c的隶 属 函 数 2 3 4 NB 1 ． 0 0． 8 0．4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0． 2 0． 6 1 ． 0 0 ．6 0． 2 0 0 0 0 0 0 0 ZO 0 0 0 0 0 ．2 0． 6 1． 0 0．6 0 ．2 0 0 0 0 PS 0 。0 0 0 0 0 0 0．2 0 ．6 1 ．0 0． 2 0 0 PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ．2 0 ． 8 1 ．0 2 2 4 O 0 O ． ． O O 0 3 0 O O ．O I 2 6 2 O O ． ．O O O 6 2 1 0 0 ． ．O O O O O 0 0 ．0 O 【 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 4月 表 3输出控制量 U的隶属函数 模糊 控制 器 的控 制 规 则 是基 于手 动 控 制 策 略 ， 而手 动控 制策 略又 是 人 们 经过 学 习 、 试 验 以及 长期 的经验积累逐渐形成且存储在操作者头脑中的一种 技术 知识 的集合 。采用如 i f EX a n d E Cy t h e n UZ的模 糊 条件 语 句组 成 的 推 理 规 则 ， 这 样 的语 句共 有 2 5条 ， 根 据 实际经 验可 将它 们总结 为模 糊控 制状 态 ， 如 表 4 。 表 4模 糊 控 制 规 则 E U EC NB NB NS NS Z0 Z0 NS NS NS Z0 Z0 PS Z0 NS Z0 Z0 PS PS PS Z0 Z0 PS PS PB PB Z0 PS PS PB PB NB NS Z0 PS PB 通过模 糊推 理 合成 规 则 ， 计 算 出相 应 的模 糊控 制输 出量 ， 然后 采用加 权平 均法得 出模 糊判 决结果 ， 最后得到模糊控制决策， 如表 5 。 为实 现基 本 模 糊控 制 器 的控 制 ， 通 常 的作 法是 将 表 5存放 到可 编 程 控 制器 中 。在 过 程 控 制 中 ， 可 编程控 制器 直接 根据采 样 和论域 变换得 来 的以论域 元素形式表现的偏差和偏差变化率 ， 由查询表 5的 第 i 行和第 J列找到与误差和误差变化率对应 的、 同样 以论 域 元 素 形 式 表 现 的 控 制 量 “ ， “乘 以 比例 因子 ， 得到实 际控 制量作 用 于执行 机构 ， 即模糊 控制 策 略通 过离线 计算 和在 线 查 询 实现 ， 可 得 到 较好 的 控 制 品质和 良好 的实 时性 。 表 5模糊控制决策 E U EC 3 4 3 模糊控 制算 法的 P L C实现 3 ． 1 配 置 与程序 设计流 程 在 自动送 钻 控 制 系 统 中 ， 选 用 西 门 子 公 司 S 7 3 0 0型 PL C， 配置 S 7 3 1 5 2 DP CPU 和 MMC 6 4 KB 存储器 ， 扩展模块 为 D I 3 2 DC 2 4 V、 D O3 2 D C 2 4 v／ o ． 5 A、 AI 8 1 2 B i t 。 自动 送 钻 程 序设 计 流 程 如 图 4 。 3 ． 2梯 形 图程序设 计 模糊 控制 在 P L C上 的主 要 工作 是 P L C梯形 程 序 图设计 。在 模糊 控制 系统设 计 中 ， 采 用 S 7 3 0 0型 P L C， 利 A／ D用 转换 模块将 输 入 量采 集 到 P L C 中， 然后 由系统总线输出对执行机构进行控制 。首先将 量化因子 K ， K K 分别写入 P L C的数据寄存器 S 7 3 0 0中 ； 然后采 样 计算 P 和 g c ， 置入 D B 1 ． D B D 6 0 和 D B 1 ． DB D 6 4中， 将模糊化后 E和 EC分别置人 O O O O O ． 8 O O O O ． O 2 2 0 O O ． ． O O 0 O O O ．O 2 6 O O ． ．O O O 6 2 O O ． ．0 O 0 O O O ．O O 2 6 O ． ．O O O O 6 2 O ． ．O O O O O O ．O O O 4 6 ． ． 0 O O O O 8 2 ． ． O O O O O O ． O O O O B S S B № № {2 O O O 1 3 3 5 5 5 5 6 7 7 0 O O 1 3 3 5 5 5 5 5 7 7 一 一 一 O 1 2 5 5 5 5 5 6 7 2 2 1 一 一 一 O O l 3 3 3 4 4 6 6 4 4 2 一 一 一 0 0 0 1 3 3 4 3 6 6 1 1 1 0 0 6 6 3 2 3 3 1 一 一 一 一 一 一 一 O O 4 4 6 6 3 2 3 3 3 2 一 一 一 一 一 一 一 一 O 4 4 7 6 5 5 5 5 5 2 2 一 一 一 一 一 一 一 一 一 0 O 2 2 7 6 6 5 5 5 5 3 3 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 O O 7 6 6 5 5 5 5 3 3 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 O O O 7 6 6 5 5 5 5 3 3 1 0 1 0 0 0 6 5 4 3 2 l 一 一 一 一 一 一 O l 2 3 4 5 6 第 3 9 卷第 4期 任宏彪 ， 等 基于 S 7 3 0 0型 P L C的变频 自动送钻系统模糊控制 D B 1 ． D B D 3 6和 D B 1 ． DB D 4 8中； 再将计算得 出的模 糊控 制量 u 放 入 D B 1 ． D B D 6 8 ， 解 模 糊 得 出 的精 确 控制 量 “放人 DB 1 ． D B D7 6中。 图 4自动送钻程序设计流程 在 模糊 控 制 算 法 中 ， 模 糊 控 制 量表 的查 询 是程 序设 计 的关键 。将 模糊 论 域 的元 素 { 一 6 ， 一 5 ， 一4 ， 一 3 ， 一2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 转 换 为 { 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 互 苗 拯 9 O 8 O 7 O 6 O 5 。 4 O 3 O ∞ 1 O O 5 ， 6 ， 7 ， 8 ， 9 ， 1 0 ， 1 1 ， 1 2 } ， 采 用 基 址 变 址 的 寻址 方 式 ， 将 模 糊控 制 量 表 中 【 ，的 控 制 结 果 按 由上 到下 、 由左 到右 的顺 序 依 次 填 入 P I C的 数据 寄 存 保 持 区 D B 2 ． D B D 0 D B 2 ． DB D6 7 2中 。控制量 的基 址 为 0 ， 其 偏 移地址 为 0 EC5 E， 地 址 找 到 后 ， 即 得 到模糊控制量 U， 经过解模糊运算 ， 可得到精确的控 制量 。 限于篇幅 ， 完整 的 P L C梯形 图程序在此 不再详 述 4 应 用 将 实 际控 制 程 序 写 入 在 用 Z J 7 0 ／ 4 5 0 0 D B型 钻 机 主控 制器 S 7 3 0 0控制 器 中 ， 送 钻试 验取 得 了 良好 效 果 ， 现场 采 集 的钻 压 数 据 如 图 5 。当 钻 压 设 定 为 7 0 k N时 ， 钻压波动不超过5 k N， 符合钻井工艺的 要 求 。 5 结 论 1 模 糊控 制是 解决 大 时滞 、 非线 性 、 建 模 困难 的工业对象控制的一种较为适用的方法 。 2 将 P L C与模 糊 控制 相结 合 ， 能较 简便 地 通 过软件实现模糊控制策略， 既保留了 P L C控制系统 可靠 、 灵 活 、 适 应 能 力 强 的 特点 ， 又 在很 大 程 度 上 提 高 了控 制系 统 的智能 化程 度 。 3 现 场试 验 结果 证 明 ， 模糊 控 制 能 够很 好 地 应用 于 自动送 钻 系统 中。 采样时间 图 5 采集的 Z J 7 O ／ 4 5 。 0 D B型钻机 钻压 数据 参考文献 [ 1 ] 张晓军 ， 王建才 ， 戴克文 ， 等． 交流变频电机 自动送 钻系 统 的原 理 和 应 用 l- j ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 7， 3 6 1 1 6 0 6 4． E 2 3 汤 冰勇 ， 路 林 吉 ， 王 文杰． 模糊 控 制 理 论 与应 用 技 术 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 苏 昆哲． 深入浅 出西 门子 S 7 3 0 0 P L C[ M] ． 北 京 北 京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 张 国山 ， 郑 明建． 石油钻机 主电机 自动送 钻系统 的设计 方案[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 3 ， 3 1 5 1 4 1 7 ． E 5 ]张敬 。 樊 岩 松 ， 戴 克 文 ， 等 ． ． I C7 0 DB 型 海 洋 绞 车 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 7 9 0 9 2 ． [ 6 ] 郭 世超． 浅析 绞车盘式 刹车 与 自动送钻 系统 [ J ] ． 石油 矿 场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 4 1 9 2 1 ． [ 7 ] 刘 曙光． 模 糊控 制 技术 [ M] ． 北 京 中国纺 织 出版 社 ， 2O O1 ．
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