基于S7-300型PLC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,北京100083)

基于S7-300型PLC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,北京100083)

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PLC的特点,给出了模糊控制在PLC上的实现方法和基于西门子S7-300 PLC的模糊控制器的设计方法。在钻机上试验的结果表明,利用PLC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。

自动送钻;模糊控制;可编程逻辑控制器

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[1]。目前,国内自动送钻的钻压控制大多采用PID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[2]。

近年来,可编程控制器(PLC)已进入了各个领域的控制系统[3],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PID控制外的特殊控制策略。目前已有一些PLC生产厂商开发出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S7-300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、PLC、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[5-6],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,钻进速度持续增加到设定钻进速度;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[3],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ec作为模糊控制器的输入信号,经PLC模糊化、模糊决策、清晰化运算后,输出速度指令,通过Profibus-DP总线传到变频器[7],控制交流送钻电机的转速。自动送钻模糊控制原理如图2。

图2 自动送钻模糊控制原理

PLC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e和ec模糊化后的模糊输入;U为模糊输出量;u为清晰化后的精确输出量。

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ec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e的隶属函数

表2 偏差变化率ec的隶属函数

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ifE=X andEC=Ythen U=Z的模糊条件语句组成的推理规则,这样的语句共有25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

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 u,u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

3 模糊控制算法的PLC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S7-300型PLC,配置S7-315-2DP CPU和MMC64KB存储器,扩展模块为DI32×DC24 V、DO32×DC24 V/015 A、AI8×12 Bit。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PLC上的主要工作是PLC梯形程序图设计。在模糊控制系统设计中,采用S7-300型PLC,利A/D用转换模块将输入量采集到PLC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 Ke,Kec,Ku分别写入PLC的数据寄存器S7-300中;然后采样计算e和ec,置入DB1.DBD60和DB1.DBD64中,将模糊化后 E和EC分别置入DB1.DBD36和DB1.DBD48中;再将计算得出的模糊控制量U放入DB1.DBD68,解模糊得出的精确控制量u放入DB1.DBD76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{-6,-5,-4, -3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}转换为{0,1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12},采用基址+变址的寻址方式,将模糊控制量表中U的控制结果按由上到下、由左到右的顺序依次填入PLC的数据寄存(保持)区DB2.DBD0～DB2.DBD672中。控制量的基址为0,其偏移地址为0+EC×5+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u。(限于篇幅,完整的PLC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ZJ70/4500DB型钻机主控制器S7-300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70 kN时,钻压波动不超过±5 kN,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PLC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PLC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。

图5 采集的ZJ70/4500DB型钻机钻压数据

[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[J].石油矿场机械,2007,36(11):60-64.

[2] 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,2002.

[3] 苏昆哲.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[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,2003,31(5):14-17.

[5] 张 敬,樊岩松,戴克文,等.JC70DB型海洋绞车[J].石油矿场机械,2008,37(7):90-92.

[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,2007,36(4):19-21.

[7] 刘曙光.模糊控制技术[M].北京:中国纺织出版社, 2001.

Fuzzy Control of Auto-drilling with Variable Frequency Drive Using S7-300 PLC

REN Hong-biao,ZHANG Da-zhi,ZHAN G Yong-jun
(N ational Engineering Research Center f or A dvanced Rolling,US TB,Beijing100083,China)

The auto-drilling system of oil rigs has problem of the long time lag and nonlinearity and the precise mathematic model that is hard to build.To apply a fuzzy-control method on autodrilling is proposed.The principles of auto-drilling with variable frequency drive and complete the design of fuzzy-controller was explained.According to the principles of fuzzy control and the features of PLC,a method of realizing fuzzy control based on the PLC is proposed,and suggests a design of the fuzzy controller based on Siemens S7-300 PLC.The effective control for auto-drilling has been realized on the experimental installation.The experiment results indicate that the fuzzy control system is reliable and efficient in operating and thus better than the traditional PID control in performance.

auto-drilling;fuzzy control;PLC

1001-3482(2010)04-0024-04

TE928

A

2009-10-30

任宏彪(1973-),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-mail:yizuan2000@163.com。