1.绞车的传动形式

石油钻机变频绞车按照名义钻深分为JC30DB、JC40DB、JC50DB、JC70DB、JC80DB、JC90DB、JC120DB等型号，通常JC70DB及以上绞车都通过两台电机（A\B）驱动，既可以单电机运行，也可以双电机并联运行，简图如下：

以下讨论均以双电机驱动展开

2.双电机的控制逻辑

绞车的这两台电机各有一台与之对应的、功率匹配的变频器来驱动，通过编码器（电机转速反馈信号），操作手柄（电机速度给定和正反转）以及PLC系统（信号采集、逻辑控制），形成闭环控制。变频器通常为西门子S120系列、ABB ACS800/880、禾望HD2000系列、汇川MD880-11S系列。PLC系统常采用西门子S7-300/400、S7-1200、S7-1500系列。

在当前典型的控制系统中，双电机采取主从逻辑并联运行，既能以A电机为主电机，也能以B电机为电机。PLC程序表达如下：

PLC实现电机主从切换的程序片段

绞车的速度以主电机的速度给定为准，从机接受主机的转矩指令并依赖实时转速反馈用于从机自身的闭环控制，其在变频器中的逻辑关系和参数如下：

S120变频器主从给定逻辑示意图

（1）、主机角色：

• 接收操作手柄的速度给定（如+10Hz）

• 执行速度闭环控制（速度环PID）

• 输出计算结果：转矩指令值（如800Nm）

• 通过内部电流环控制自身电机转矩（电流环PID）

• 依赖自身编码器实现磁场定向控制

（2）、从机角色：

• 不执行速度闭环（速度环被禁用）

• 直接接收主机的转矩指令

• 执行转矩闭环控制（电流环PID）

• 依赖自身编码器实现磁场定向控制

当其中一台电机出现故障时（比如编码器损坏），其对应的变频器停机，PLC系统发出指令，让另外一台变频器也停机，同时液压盘刹紧急制动（工作钳和安全钳全部处于刹车状态）。

程序如下：

PLC控制故障刹车信号输出程序片段

上述这种控制逻辑中，如果恰巧遇到液压盘刹因为刹车块厚度不足、阀件卡住等原因出故障时，就会出现刹车力矩不足，井内钻柱带着顶驱、游车下滑、加速，最终导致顶驱、游车砸到钻台面上、钻柱落井的事故，乃至发生人身伤害，损失巨大。中东地区某钻井队就曾出现过一起这样的事故，开始时没有刹住下滑，速度不断加快，导致两台绞车电机烧毁、顶驱砸坏、转盘砸坏。

3.优化分析

为了最大限度避免上述恶性事故的发生，除了加强日常的维保，使液压盘刹处于正常的工作状态，还可以考虑在一台电机出故障时，另一台电机的变频器不停机，而是迅速切换到转矩控制模式，以变频器允许输出的最大扭矩来运行（以S120变频器为例，可以容许150%的额定电流，持续60秒），这样可以在问题发生的初始给液压盘刹以助力，就有可能刹住绞车，不下滑，即使力矩还不足以完全刹住，也可以减小下滑的加速度，在顶驱接触到钻台面上时的冲击力量减小，最大限度减少设备损害。

该方案的特点是转矩环不直接响应速度变化，速度成为“自由变量”。但在某些情况，如“盘刹失效+轻载”工况下，1.5倍电机扭矩会超过重力矩和盘刹力矩之和，引发游车速度失控。这时可以考虑使用速度环控制电机速度归零，让电机输出反向制动转矩。

4.最终工程解决方案

时时读取悬重载荷（悬重传感器已经安装），由PLC系统进行采集；升级PLC控制逻辑和变频器参数，根据载荷大小实施相应制动方案，由PLC控制变频器和盘刹进行配合制动：

（1）、轻载情况（悬重低于200吨）：利用速度环控制游车速度归零后，盘刹介入。该方案核心是单电机可以拖动负载正常运行，轻载单电机速度可控，因为一旦超载，速度环的积分作用会恶化响应（从0缓增），同时转矩限幅会阻断制动转矩增长空间。

（2）、重载情况（悬重高于200吨）：150％转矩模式过载制动+盘刹立即介入。该方案核心是牺牲速度可控性最大限度防止游车下滑，在该方案中，PLC程序必须预设应急扭矩方向始终为制动方向（即抵抗负载运动方向），防止游车速度失控。

5. 结语

通过以上的逻辑优化，充分发挥了变频器的性能，进一步增强了绞车运行可靠性，最大限度避免或降低因盘刹意外故障引发的事故及损失。

【参考文献】：S120矢量控制大全