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1、顶驱控制系统 www.bode- 交流电传动控制系统 顶驱控制系统 一、顶驱介绍 顶部驱动装置（简称顶驱）实现钻 井工艺中的钻井、上扣、卸扣等各 种功能的装备。 交流电传动控制系统 机械液压部分 电气部分 主电机和风机电机系统 减速箱部分 主轴 提环部分 鹅颈管部分 单导轨和滑车部分 IBOP装置 背钳部分 刹车装置 回转装置 倾斜油缸装置 液压源电机 平衡油缸 储能器及移运架等 下面一一介绍其结构组成和功能。 二、顶驱的机械和液压部分 1、主电机和风机电机系统 两台主电机并排安装在齿轮箱上，电机为双轴伸 结构，下端联结主传动小齿轮，上端联接刹车装置。 每个主电机可以通过变频调速系统无级调速。
2、 主电机 为交流变频专用电机，可承受 6g 的振动。采用牢固的 铸钢机座外壳结构，强度大，减小了电机运行时的振 动。电机绝缘采用 Class F绝缘材料以及 100 环氧树 脂的真空压力浸渍，并采用开式脂润滑防磨轴承。 在 主电机的上方装有风冷电机，由功率为 5.5 kW 的隔爆 三相交流异步电机驱动。风机转动后将风从盘式刹车 外壳处的吸风口吸入（该吸风口也是减速箱润滑系统 的热交换器，这样就同时给润滑油散热了）， 通过风 道压至主电机上部的入风口内，然后通过电机内部， 由下部的出风口通过双层金属网排出，从而实现对主 电机的强制风冷。 在主电机内部装有温度传感器，用 于监测和保护主电机。 2、
3、减速箱机构 减速箱在顶驱中是非常重要的部件。该减 速箱采用二级齿轮传动，传动比大，为10.5： 1。两对齿轮均为斜齿轮，传递扭矩大，噪音 低，以适应电机崩扣时大扭矩的要求。减速箱 的润滑系统采用油泵强制润滑。润滑泵为摆线 齿轮结构，可逆式，由一个主电机输出轴驱动 ，正反转都可输出润滑油。 3、主轴 主轴系统是顶驱的主要组成部分，通 与减速箱中的齿轮和主轴上齿轮的咬合， 由主电机驱动其转动，从而实现主轴带动 钻杆打井的各种工况。 4、提环部分 提环为整体式水龙头提环，在 顶驱中是非常重要的承载零部件。 顶驱的总体重量都由提环负担。提 环通过提环销与减速箱相连，上面 吊在游车大钩上。 5、鹅颈管部
4、分 鹅颈管是钻井液的通 道，安装在冲管支架上。鹅 颈管下端与冲管相连，上端 打开后可以进行打捞和测井 等工作。鹅颈管鹅嘴端通过 S型管与水龙带相连，是钻 井液的入口。 6、IBOP装置 内防喷器（Internal Blowout Prevent ,即IBOP ）的作用是：当井内压 力高于钻柱内压力时， 可以通过关闭内防喷器 切断钻柱内部通道，从 而防止井涌或者井喷的 发生。 7、背钳机构 背钳主要由夹紧系统、悬挂系统和扶正部分组成。 夹紧系统是背钳的功能部分，它由液压缸、前后端盖、活塞、钳牙座 和钳体等 零部件组成，夹紧时，液压缸进油，推动活塞向前移动，当钳牙接触到 钻杆后，活塞停止运动，液压
5、力推动液缸向后移动，带动前侧钳牙夹住 钻杆。主轴旋转完成上/卸扣的动作。 8、回转机构 回转头上端与减速箱相接 ，独立于主轴运动，其结构见 图所示。回转头的转动是靠液 马达带动大齿轮驱动的，回转 头可以作顺时针、逆时针两个 方向的运动，带动吊环吊卡转 动，以便适应去鼠洞抓取单根 ，以及在主体上移至二层台时 对准钻杆排放架。 9、倾斜机构 由倾斜油缸推动 吊环吊卡作两个方 向的运动，可实现 前倾、后倾，并具 有自动复位功能使 吊环吊卡自动复位 到中位。前倾可伸 向鼠洞或二层台抓 放钻杆；后倾的作 用是使吊卡回位， 最大后倾时使吊卡 离钻台面更远，可 充分利用钻柱进行 钻进。 前倾角度为 30，后
6、倾角度为 50。摆动的水平 距离与吊环长度有 关。 10、刹车机构 每个电机主轴上部的轴伸 端装有液压操作的盘式刹车 ，通过刹车油缸对刹车盘施 以夹紧力，以实现刹车，其 制动能量与施加的压力成正 比。 刹车装置的安装结构如下 图所示。 当电机飞车时，刹车装置 起制动作用。 11、单导轨和滑车机构 导轨的主要作用是承受顶 驱工作时的反扭矩。 DQ70BSC顶驱所用的单导 轨采用双销连接。与顶驱减速 箱连接的滑车穿入导轨中，随 顶驱上下滑动，将扭矩传递到 导轨上。导轨最上端与井架天 车底梁上安装的耳板以U型环连 接，导轨下端与井架大腿的扭 矩梁连接，使顶驱的扭矩直接 传递到井架下端，避免井架上 端
7、承受扭矩。其结构见下图所 示。 12、液压源电机 液压源电机给各液压油缸提供动力，使其各机构电磁阀动作，液压源 电机大多都安装在减速箱左下方。 13、平衡油缸 一个顶驱装置由两个平衡油缸组成，安装在提环上部，其主要作用在于 平衡本体重量，功能相当于大钩的补偿弹簧，保护丝扣在上卸扣时不至于 磨损。 14、储能器 储能器在液压系统中起着储 存能量、稳定压力、减少功率消 耗、补偿漏渗和缓和冲击力等。 15、液压控制阀组 控制阀组为叠加式集成阀组，安装在本体阀座 上，由防爆电磁阀，双向平衡阀，单向阀，节流阀 ，溢流阀等组成。如图： 各电磁阀油路为： 16、移运架 顶驱系统在发运 中，为了安全和损坏 ，
8、将顶驱的主体机构 安装在移运架上进行 发运。 三、电气部分 电气部分主要由电控房和 CP箱组成。 电控房作为顶驱控制系统的一部分，具有非常重要的作用。电控 房适合钻井工程野外工作条件，和采用适合油田恶劣工况的托撬式 底座，可整体吊运。具有防火、防水、防沙、防腐、防震、保温等 功能。变频器、MCC、过压保护、综合控制等均放置于电控房内， 电控系统主要包括供电部分，传动部分，PLC部分，液压站控制 部分，司钻台操作部分、画面监控部分及空调等。传动部分为变频 传动；控制部分为网络控制方式，网络控制方式采用S7-300 PROFIBUS-DP总线技术；监控部分采用SIEMENS OP 270图形显 示
9、屏进行监控，同时OP270显示屏可对系统进行操作。 1、供电部分 发电机输送3AC 600V 50Hz电源到电控房。连接到整流 单元，转换为DC 810V输出到直流母线。逆变器工作在该直 流电网上，利用脉冲宽度调制方法（PWM），生成三相频率 可调的供电电源，输出经电抗器到顶驱主电机。同时，600V 交流电经空气开关连接到辅助变压器，转换为380V交流电， 做为辅助电源，通入电源柜。由PLC柜提供三相AC 380V电 源、AC 220V辅助系统电源和控制电源、DC 24V控制电源。 2、传动部分 SIEMENSSIEMENS 6SE70/71系列 ABBABB ACS800系列 系统由1台（3
10、50T）或2台（450T）变频器一对一拖动电机进 行传动。顶驱主电机各配置一台冷却风机、液压泵电机，冷却 风机和液压泵电机的起停由PLC自动控制。 3、PLC部分 PLC部分由SITOP电源，CPU模块， ET模块，I/O模块，开关电源 ，端子排组成。实现了对整个VFD房内设备的操作与控制。从VFD房内 各个柜体来的输入信号先进PLC柜的端子排，再进入相应的PLC输入模 块，经程序处理，再经PLC输出模块输出实现操作。PLC柜面板布置图 如下： PLC柜柜面布置图 4、液压站控制部分 液压站在司钻箱和HMI均可启停。司钻箱上的【液压泵】 旋钮，控制所选泵的运行。PLC系统正常时，旋至 “启动”
11、位置，将启动液压泵，“液压泵运行”指示 灯亮。扳到“停止”位置，将使液压泵停止运行， “液压泵运行”指示灯熄灭。 同时可通过OP270显示 屏液压站画面中的启停软键来启停液压泵。 电磁阀控制 液压系统正常运行下，可进行电磁阀操作，完成各种工况。 1.内防喷器 （二位自锁开关） 将【内防喷器】旋钮置于“打开”或“关闭”位置时，内防喷 器打开或关闭，其关闭时司钻箱有状态指示灯亮。在钻井工作方式 下，内防喷器不能被关闭。 2.刹车油缸 （三位选择旋钮） 将【刹车】旋钮置于“自动”位置时，PLC根据顶驱运行模式， 自动控制刹车。顶驱电气系统启动时，在建立实际转矩之后，刹车 自动松开；停车时，当A电机或
12、B电机转速低于3（3r/min）时，电 磁阀持续得电，刹车夹紧，保持刹车状态。 在运行状态下，将【刹车】旋钮扳到“刹车”位置，系统将降 速停车，刹车装置在主电机转速低于3（3r/min）时刹住电机主轴 ，电磁阀持续得电，保持刹车状态。在此工作状态下，系统将不能 启动。 3.夹紧缸 （二位自锁旋钮） 在处于“正常”状态时，将旋钮旋置“夹紧”，在上扣加扭或卸扣 加钮状态延时5S，夹紧缸夹紧。 在处于“调试”状态时，可直接夹紧。旋钮旋置“放松”时，夹紧缸松开 4.倾斜油缸 （三位自复位开关） 需要前倾和后倾时，倾斜油缸可以随时前倾和后倾。当【保持/浮动 】旋钮旋至“浮动”位时，吊环回到中位。 5.回
13、转头 （三位自复位） 【回转头正反转】旋钮旋到正转或反转时，回转头可以随时正转或反 转。 6.弹跳油缸 在置于“调试”状态时，将【弹跳油缸】旋钮旋置“上跳”，弹跳 油缸上跳。 在置于“正常”状态时，PLC根据程序自动控制弹跳油缸。在主电 机处于卸扣加扭工作状态时，弹跳油缸运行。 7.急停 系统出现紧急情况需要紧急停止时，按下司钻箱上的【急停】按钮 或者PCZ【急停】按钮时，顶驱系统所有设备快速停机；松开司钻箱【 急停】按钮或者PCZ【急停】按钮后之后，系统复位. 解除急停后，请重 新启动系统。 8.报警/静音 当故障发生时，故障灯亮，声报警响起，只要按下【复位/静音】 按钮，声报警消声，但故障
14、灯仍亮，当排除故障后，故障灯灭，再次按 下【复位/静音】按钮，系统恢复正常。进行急停操作后，及部分装置故 障，需要重新启动系统。 5、司钻台操作部分 司钻控制台由300号不锈钢制成，采用防水密封门，并配有增压防爆 系统，该系统与空气净化器连接后提供防爆功能，可满足危险地区作业的 需要。电缆通过司钻台侧面的密封接插件进入。司钻台的面板上操作元件 包括按钮、功能选择开关、速度给定手轮、力矩给定和上扣力矩给定手轮 等。速度和力矩给定手轮采用编码器。 司钻箱具有钻井所需的基本操作功能。采用西门子ET200M远程模块 ，可以设置顶驱装置的转速、转矩、操作模式及钻井工况所需的各种辅助 操作。司钻电控箱通过Profibus-DP网络连接，实现对系统各装置的远程数 据传输和故障监控，并有故障复位功能 6、画面监控部分 画面监控部分采用西门子OP27显示屏显示当前的钻井状态， 通过CPU的MPI接口连接PLC系统，可以实时显示顶驱的转速、扭 矩及电机的电流和趋势图等。 地址：西安市高新区锦业路69号创业研发园C区瞪羚谷A座五层邮编：710075 电话：(+86-029)88323387(5线) / 88338630 传真：(+86-029)88323336 网址：www.bode- 谢 谢 西安宝德自动化股份有限公司
