TDS-11SA交流变频顶部驱动钻井装置简介
TDS-11SA交流变频顶部驱动钻井装置是美国VARCO  BJ公司1996年推出的新型产品。它是由两台交流变频电机驱动，电机上没有电刷、电刷齿轮或转换开关，交流电机内没有产生电弧的装置，同时顶部驱动钻井装置本身带有液压系统，不需要单独的液压装置和液压油管汇，这些新的设计降低了顶部驱动钻井装置的维护和配件费用。
二、交流顶驱和直流顶驱在性能上的比较：

1. 交流顶驱比直流顶驱有更高的扭矩和更宽的适应范围；
2. 交流顶驱无须维护电刷；
3. 交流顶驱比直流顶驱有更高的零转速时的最大扭矩；
4. 交流顶驱采用的是交流防爆电机，比直流顶驱更安全；
5. 交流顶驱比直流顶驱具有更小的整体尺寸；
6. 交流顶驱比直流顶驱有更轻的重量和更高的可靠性；
7. 交流顶驱比直流顶驱能更精确地控制扭矩和转速。

三、TDS-11SA交流变频顶驱工作过程
VARCO顶部驱动电气系统运转过程是：柴油发电机组输出一个三相600V的稳定交流电源，接入VARCO顶驱变频房，通过SCR整流桥整流和IGBT管的逆变，把发电机发出的交流电转化成连续可调的，顶驱和各种器件适用的电源。VARCO顶驱变频房的作用就是为顶驱上的电机和控制系统提供调制后的电源，处理和传输各种控制信号。系统简图如下：

   图4-3 VARCO TDS-11SA顶驱电气控制系统分布图
 
四、TDS-11SA交流变频顶驱系统介绍
1、电机部分：
TDS-11SA顶驱使用两台400马力或350马力交流电机，它们安装在齿轮箱顶部，可以保证井中心线与导轨后缘之间的距离最短。电机采用三相575V交流电，输入频率为0到80赫兹，每一部电机需要1100立方英尺/分钟的冷却空气。电机转速从0变到1200转/分钟时都可获得最大连续扭矩，而且从1200转/分钟到2400转/分钟时，最大额定转速可获得400马力或350马力连续功率。使用两台350马力交流电机（总计700马力）和10.5：1齿轮传动比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供32500英尺·磅(约14742.6公斤力)扭矩；保持700马力输出功率，可在228转/分钟的最大钻杆转速下产生15100英尺·磅扭矩。这些电机配备有两台安装在钻井电机顶部的5马力交流电电机。冷却系统经过制动器抽进空气，经过刚性气道将空气排送到每台钻井电机顶部的风口。这种结构简单、坚固耐用的设计保证了强制通风的可靠性。
2、VARCO  TDS-11SA顶驱变频房的整流和变频部分：
系  统  简  图

  图4-4 VARCO TDS-11SA顶驱变频控制系统简图
VARCO  TDS-11SA顶驱变频房采用的德国西门子公司的产品，西门子变频器主要有70系列和36系列，70系列采用IGBT（绝缘栅极双极晶体管）控制，36系列采用GTO（可关断晶闸管）控制，它们的区别是IGBT每秒钟开关几千次，而GTO每秒钟只有几十次。具体型号可以见西门子手册。
对于马达的屏蔽保护，配备西门子36系列变频器的设备使用GLASS TYPE（玻璃类型），采用西门子70系列变频器的设备使用VR2（VARCO 2号）。因为西门子70系列变频器使用IGBT，其变换速度更快，发热量大，因此使马达负重大，所以VARCO公司推出了适合此类产品的VR2。胜利油田的TDS-11SA顶驱控制部分使用的是控制单元矢量控制板和通讯板的组合。不同的电路板组合在PLC内部有不同的文件设置，在测量时必须用软件或附带键盘检查，使用故障号码找出问题。
⑴ 整流部分
来自交流母线的三相交流电源通过断路器向变频房SCR柜中的SCR桥供电。SCR桥可以将交流电源整流成连续可调的直流电源。整流装置为六只可控硅组成的三相全控整流桥，整流桥通过断路器与交流电网相隔离。在每个SCR柜内装有供冷却用的鼓风机，用来冷却SCR桥，以防SCR温度超过110℃。
通常在出现下面四种情况时断路器将跳闸：

• SCR结温度超过125℃；
• 保护SCR的熔断器熔断时；
• SCR柜冷却鼓风机停转时；
• 失压脱扣电路与司钻台上的紧急停车按钮闭接点接在一起，司钻紧急停机时断路器也将跳闸。

⑵ 变频器部分：
变频器由整流器和电容器部分组成。在这一部分，将传来的三相交流电转换成直流电并贮存在电容器中，以供电力设备使用。另一选择为，绕过整流器，可采用810伏直流电流驱动变频器。而电力模块作用是产生控制电机转速需要的变频电压。为此需将直流电转换成一组脉冲组成的输出波形。控制好每个脉冲的时间，使传给交流电机的电压以交流正弦波出现，以达到变频目的。用脉冲产生波形并以正弦波传给电机的方法，称为脉冲宽度调制（PWM）。VARCO变频房中的脉冲宽度调制（PWM）使用绝缘栅极双极晶体管（IGBT）来实现。使用IGBT的优点是具有更低的驱动损耗，使马达的噪音更小，防止运转的马达过热。可以由电压控制闸阀，有更高的载波频率，更小的设备驱动体积和更低的费用。IGBT控制脉冲宽度调制（PWM）过程，然后输出连续不断的脉冲波形。所以为了改变电机转速，司钻使用一个手轮转动就可以进行控制，即手轮改变输入电机的频率。因为钻井电机是频率同步型电机，所以电机转速与频率成正比（例如，20赫兹对应电机转速600转/分钟，那么，40赫兹则对应1200转/分钟）。因此交流变频驱动最大的优点是转速和扭矩能够得到高质量的控制，使操作人员能在整个运转范围内准确地控制钻杆转速。
⑶ 控制部分
控制部分监测钻井电机的运转情况，接收TDS-11SA控制系统手轮和扭矩设定信号，以及控制电力模块的起动电路。
 
五、TDS-11SA交流变频顶驱PLC系统
1、PLC系统概念
PLC，即可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），也就是我们常说的PLC或PC，来代替一部分传统的继电器控制系统。PLC是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。它从七十年代初期诞生以来，在近三十年，特别是近十年来得到了迅猛的发展。PLC与机器人、CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）并列称为工业生产自动化的三大支柱。一般VARCO顶驱上使用的是西门子公司的PLC产品。下面是TDS-11SA顶驱PLC系统图解和实物图：

  图4-5 VARCO TDS-11SA顶驱PLC控制系统简图
 
2、德国西门子公司S7系列PLC实物图

  图4-6 德国西门子公司S7系列PLC实物图
3、PLC的硬件组成：
PLC实质是一种专用于工业控制的微机，其硬件结构与微型计算机基本相同，主要由CPU、存储器、输入输出接口和编程器四部分组成。
⑴  PLC的CPU作用与微型计算机中的CPU作用一样，是PLC的核心，其作用可概括为：

• 接收并存储从编程器输入的用户程序；
• 用扫描方式采集现场输入装置的状态和数据，并存入相应的数据

寄存器中；

• 诊断电源及PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误；
• 执行用户程序：从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程

序解释后逐条执行。完成程序规定的逻辑和算数运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作。
目前PLC所使用的CPU有单CPU、双CPU和多CPU几种，在类型方面，有的使用通用的Z80、8085、8086、6502、M6800等微处理器芯片，更高级的则使用8031、8051、8039、8049或8096等单片机芯片。目前VARCO TDS-11SA顶驱变频房中的PLC使用的CPU就是英特尔（Intel）公司生产的8051单片机芯片。
⑵  PLC中的存储器：
PLC的存储器用来存放程序和数据，分为系统程序存储器和用户程序存储器两大部分。有ROM、RAM、EPROM（紫外线可擦除ROM）等几种类型。

• 系统程序存储器。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊

断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序关系到PLC的性能，由厂方提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。

• 用户程序存储器。用户程序存储器主要用来存储通过编程器输入

的用户程序，中小型PLC的容量一般在8K字节以下。用户程序存储器一般又分为程序存储器和数据存储器。数据存储器存放输入输出信息、中间运算结果、运行参数（如计数定时器的时间常数）等。
⑶  PLC的输入输出接口：
输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部件，是PLC的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即输入输出接口可以接受强电信号，输出接口可以直接和强电设备相连接。通常PLC的输入设备是各种控制开关、传感器等，输出设备有电磁开关、各种电动机、电磁阀、电磁继电器、电磁离合器、加热器等。下面介绍一下处理PLC的各种输入/输出量的接口模板：

•  开关量输入接口模板：

是将外部过程的数字量信号转换成PLC的CPU模块所需的信号电平，并传送到系统总线上。一般分为直流汇点输入方式、交流汇点输入方式和分隔式输入方式三种类型。

•  开关量输出接口模板：

用来将CPU模块的TTL电平转换成外部过程所需的信号电平，来驱动外部过程的执行机构、指示灯等负载。一般有晶体管输出方式、场效应管输出方式、固体继电器输出方式、有触点继电器输出方式等几种。

•  模拟量输入接口模板：

是用来将模拟量信号，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等，转换成PLC所能接收的数字信号，即进行模拟量到数字量的转换。这个转换过程称为模/数（A/D）转换。

•  模拟量输出接口模板：

就是用来将PLC内部输出的数字量转换成外部生产所需的模拟信号，以便对电磁阀、液压电磁铁等一类执行机构进行控制。这个转换过程称为数/模（D/A）转换。
另外对生产过程来说，还需要进行闭环控制，需要机器间的通信等特殊功能，因此还使用了一类智能接口模块，包括PLC的通讯处理模板、带有调节功能的模拟量控制模板、高速计数器模板、数字位置译码模板、阀门控制模板、中断控制模板等。下面是TDS-11SA顶驱中使用的ET200B输入/输出接口模块图：
ET200B 模 拟 输 出 模 块

图4-7 德国西门子公司ET200B模拟输出模块图
 
ET200B 数 字 输 入 / 输 出 模 块

  图4-8 德国西门子公司ET200B数字输入/输出模块图
⑷  编程器
编程器是开发、维护PLC控制系统的必备设备，包括键盘和显示器等。编程器通过电缆与PLC相连接，其主要功能如下；

• 通过编程器向PLC输入用户程序。
• 在线监视PLC的运行情况。
• 完成某些特定功能。如将PLC RAM中的用户程序写入EPROM，或

转存到盒式磁带上；给PLC发出一些必要的命令如运行、暂停、出错复位等。
 
4、PLC软件工作过程：
与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的，在软件的控制下，PLC才能正常工作。PLC的软件分为系统软件和应用软件两部分。系统软件一般用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。用一台PLC配上不同的应用软件，就可完成不同的控制任务。PLC的基本工作过程如下：

•  输入现场信息

在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点，读入
各输入点的状态；

•  行程序

顺次扫描程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容
进行逻辑运算；

•  输出控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。

上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期，PLC的扫描周期通常为10-40ms。在实际应用中，大多数钻井机械设备的工作过程可分解为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，比较简单、直观，程序容易编写和修改。
 
5、PLC的内部等效继电器电路：
如上所述，PLC是一种专用微机，其硬件结构与微机基本相同。但在目前，它主要用于完成较复杂的继电接触控制系统的功能。因此，在实际应用中，我们不必从计算机的角度去研究，而是将PLC的内部结构等效为一个继电器系统。实际上在PLC的存储器中专门设置了一个区域，可等效一个继电器阵列，其中包括若干输入继电器X，输出继电器Y，辅助继电器M，时间继电器T，计数继电器C等，用户就是使用这些软继电器，通过编程来实现所需要的逻辑控制功能的。
 
6、PLC的指令系统和编程：
PLC常用梯形图编程和指令编程两种方式。
梯形图类似电气原理图，简单直观，对于熟悉继电器接触控制的人来说，容易接受，是一种基本的编程方式。
指令编程类似于计算机的汇编语言编程，但要简单得多，PLC只有十几条基本指令，通常不会计算机的也很易学会。指令编程以梯形图为基础，一般是先按要求画出梯形图，再根据梯形图写出相应的指令程序。
一般熟悉电气线路和继电器的人都可以学会编PLC的程序。
7、PLC在电动钻机中的应用：
PLC对环境要求低，无需空调，适于在钻机现场工作，平均无故障时间在5万小时以上。顺序控制是电动钻机自动控制中最基本的环节，几乎各种钻机辅助设备的控制都可以分解成按步进行的顺序控制，因此，都可以采用PLC来完成。一般钻井机械设备的单机自动控制，多属简单的顺序控制，只要选用具有逻辑运算，定时器、计数器等基本功能的PLC就可以了。
 
六、编码器：
1、 什么是编码器？
编码器是一种传感器，它输出一种数字信号。这是一种一连串的脉冲输出。电压最大值和最小值总是一成不变的，随着轴的变化而变化的。随着轴转速的增加，输出频率也随之增加，随着轴转速的减小，输出频率将减小。同编码器相连的设备（交流变频器、PLC），通过记录一段时间内的脉冲数来确定轴的转速。记录脉冲数和计算转速反复连续进行。
 
2、 为什么需要编码器？
交流顶驱采用一种数字式编码器。在大多数钻井作业情况下，并不需要编码器的反馈信号。只是在进行上扣、卸扣时需要。当上扣、卸扣时，顶驱的扭矩必须平稳和规范，基于这一原因，需要编码器。
 
3、 VARCO TDS11SA交流顶驱编码器
VARCO TDS11SA交流顶驱的编码器是用来为变频器提供电机旋转位置的。编码器在VARCO顶驱的右部电机上，它能输出一种数字信号，这是一种一连串的脉冲输出。随着轴转速的增加和减少，输出频率也随之增加和减少。同编码器相连的设备（交流变频器，PLC），通过记录一段时间内编码器的脉冲数来确定轴转速，以进行对钻井电机的控制。记录脉冲数和记录转速是反复连续进行。
在大多数钻井作业情况下，并不需要编码器的反馈信号。只是在进行上扣、卸扣时需要。因为上扣、卸扣时，顶驱的扭矩必须平稳和规范。下面是VARCO TDS-11SA交流顶驱使用的编码器系统简图：

  图4-9 VARCO TDS-11SA交流顶驱使用的编码器系统简图
 
在现场的TDS-11SA交流顶驱上，编码器信号进入西门子数字式转速电路板（DTI），然后传输到VARCO顶驱变频房控制中心的CUVC电路板进行处理。用于编码器的+15VDC是由变频器内的+24VDC电源在DTI板上产生的。它同来自于通往X403接口的+15VDC电源完全隔绝。并仅用于变频器的A和B输出。
 
4、 编码器故障的判断
编码器故障的征兆是当已给出指令和启动手轮时，变频器拒绝转动或转动缓慢，现象是扭矩表读数高。如果我们看不到故障显示在变频器上，则变频器可能由于电流过大而跳闸。所以编码器电路有问题，最常见的显示是顶驱刚起动时司钻控制台上的仪表显示零或接近于零，扭矩急剧上升到极限。如果编码器尚未完全失效，它还能观察到顶驱间隙的不稳定表现，可通过急速改变的转速表和扭矩观察到。故障原因可能有以下几种：

•  变频器和编码器之间的电缆短路或短路；
•  电缆接头的地方虚焊或断裂；
•  接头受潮或变松；
•  变频器内的模块接头变松；
•  由于不正确的电缆走线使信号含有杂音（编码器信号电缆太靠近

高压控制电路或顶驱风机电缆）；

•  由于不正确的屏蔽层接地使杂音进入信号；
•  简单的电子元件失效；
•  由于电源的故障引起；
•  顶驱在一段时间内工作正常，随后扭矩达到全值，但是转速为零，

这是由于间断性的短路造成的脉冲消失，编码器短路保护系统会切断输出一直到短路消除为止。
⑽  注意编码器与电机连接的皮带必须合适，太紧、太松都会造成错误。
5、编码器故障的解决
如果出现与编码器有关的故障，应该首先检查变频房中整流部分后面的直流输出电压（810V），如果没有问题再检查编码器。而西门子公司的数字式转速电路板（DTI）的作用是滤去编码器输出脉冲中的杂波，使输出信号变得规则、准确。在西门子变频房中的PLC键盘上可以得到控制编码器的参数：P130=11时，为使用编码器；P130=10时，为未使用编码器；而P151=1024/S，则是VARCO TDS11SA交流变频顶驱使用的编码器中光电管的照射频率。
七、VARCO TDS-11SA交流顶部驱动钻井装置系统维护和故障排除
VARCO顶部驱动钻井装置电气系统的维护参照随机维护手册进行，一般情况是每一年进行一次大的检修。关于故障查找，在PLC显示面板上就可以进行，显示面板会显示故障代码，每一个代码代表一个具体的故障点，我们可以以此来进行故障排除。代码列表在随机的技术手册里，这里只举几个简单的例子：

故障 号码	故障	防范措施 及对策
F001	主接触器检测反馈 如果一个主接触器检测反馈被配置，则在打开电源后P600的配置时间内没有检测反馈发生。 如果存在额外的同步电机（P095=12），在存在的电流单元中没有检测发生。	P591 屏幕主接触器信息。 参数值必须和主接触器连接器的检测反馈值相一致。 检查主接触器反馈线路（或在有同步电机存在情况下的励磁电流单元的反馈值）。
F002	预先充电 当预先充电时，最小的直流整流桥电压（P071线电压 1.34） 达不到80%。 最大的预先充电时间3秒钟已经被超过。	检查输入电压。 与P071线电压相比较（比较P071与直流单元上的整流桥上的直流电压）。 检查直流单元上的整流放大单元，在启动变频器之前必须先打开整流放大单元。
F006	整流桥过电压 由于整流桥过载而关闭。 线电压     直流电压 断开范围 208-230V  280V-310V  410V 380-460V  510V-620V  820V 500-575V  675V-780V  1020V 660-690V  890V-930V  1220V   对并联转换器 r949=1:  整流桥的主要部分过载。 r949=2:  整流桥的附属部分过载。	检查供给电压或直流输入电压。 整流部分在放大模式下不整流。 如果整流器的输入电压超过保护电压，则系统满负荷运行，F006也可能由于单相电的故障引起。 可能原因： 提高P464减速时间 激活P515直流桥电压（动作之前检查P071） 降低P526扫描搜索速度 降低P259最大放大功率（仅仅在P100=3，4或5）
F008	整流桥电压过低 低于整流桥电压（P071线电压）的76%，或启动动力缓冲时的61%。 电压过低时在“normal”状态下操作。 直流电压过低时启动动力缓冲，马达速率减少10%。 它是一个检测不到的“瞬间功率故障”，系统重新启动后才会出现。	检查： 输入直流电压 整流桥