勝利四號平臺直流調速系統改造

商紅波

勝利石油管理局海洋鉆井公司，山東東營 257000

0 引言

勝利四號平臺是1985 年3 月從美國斯德華特和斯蒂文森有限公司（Stewart&Stevenson）引進的一條坐底式鉆井平臺。平臺原配的直流調速系統由四個可控硅控制柜、一個電纜連接柜、一些控制用中間繼電器和司鉆手輪箱等組成。其核心SCR控制柜內，利用脈沖放大板、模擬量采集板、觸發板、電源板等幾個模塊電路板組成控制核心，驅動可控硅進行交-直流轉換，調壓調速，從而實現驅動鉆機及泥漿泵等鉆井設備運轉。這套系統是上世紀八十年代的產品，其配件大多都已不再生產，所使用的電路板元器件老化嚴重，系統參數不穩定，故障率很高。

2008 年海洋鉆井公司對該平臺電氣系統進行了升級改造。在改造方案中采用保留原有功率單元即可控硅整流橋，控制部分采用西門子6RA70 裝置，該裝置選取的是小功率型號，但配上一塊脈沖放大板，即可實現“小馬拉大車”的作用。既節省了成本，又實現了數字精確控制，提高了穩定性。

1 數字直流調速系統改造

1.1 勝利四號平臺系統主回路

勝利四號平臺電網由4 臺CAT3516 柴油發電機組供電，每臺機組輸出功率為1050KW，供電電壓是600V，頻率是50Hz，機組發出的電通過母排送到四個可控硅控制柜，可控硅控制柜采用轉速和電流雙閉環三相全控橋進行交—直轉換，驅動直流電機進行作業。其中，1#可控硅可帶轉盤和2#泥漿泵，2#可控硅可帶絞車和2#泥漿泵，3#可控硅可帶絞車和1#泥漿泵，4#可控硅可帶轉盤和1#泥漿泵。

1.2 直流驅動系統硬件組成

可控硅控制柜內由數字直流調速裝置SIMOREG 6RA70 代替了原先的模擬控制板，由S7-300PLC 進行數據及控制指令的采集，代替了原先的中間繼電器實現的模擬控制電路，由PROFIBUS-DP 背部總線實現了PLC 主站和從站之間的信息傳遞。通過數字化參數設置，對電機進行優化。6RA70 裝置帶有參數設置單元PMU, 能夠隨時監控直流電機的運行狀態，對出現的故障做出判斷，并且可以隨時對調速裝置進行參數設置，進而實現最優控制。6RA70 裝置控制系統的控制精度高，響應速度快，調速的動、靜態性能好。

1.2.1 6RA70 裝置原理

1）手輪給定。由一個滑動電位器組成，能實現DC 0-10V連續可調輸出，一定的電壓對應著一定的SCR 導通角，相應的電機轉速就不同；

2）指令開關。用來選通不同設備和不同的SCR 之間的控制邏輯，選定不同的指令開關，將接通不同的可控硅控制柜，同時把相應的繼電器及接觸器接通；

3）直流接觸器。接受由PLC 控制的電路用來接通和斷開直流主電路，實現對電機的控制；

4）整流器。采用三相橋式全控整流電路，六組晶閘管，根據控制電壓的不同，導通角就不同，電機的電壓就不同，相應的轉速就不同。整流器這部分還采用平臺原有的部分，實現了成本的節約；

5）轉速、電流雙閉環調節電路。要實現閉環調速，就必須把最終的控制量（轉速）和擾動量（電流）通過一定的方式傳輸到控制單元，由于四號平臺采用的是串勵直流電機，所以轉速的反饋要利用反電動勢，經過一定的函數計算獲得；

6）脈沖功率放大板。由于采用的是“小馬拉大車”式的改造方案，所以其觸發脈沖信號必須經過功率放大，再去觸發可控硅導通。這塊功率板是國內廠家自己生產的，其質量有待改進。

1.2.2 S7-300PLC 及各輸入輸出模塊構成的網絡控制系統[2]

放在電纜連接柜內的PLC 主站（S7-300 CPU315-DP）通過PROFIBUS-DP 背部總線與放置在四個直流傳動柜內的從站及放置在司鉆手輪箱和司泵手輪箱內的從站相連，通過預先設定好的程序，進行通訊。SIMATIC S7-300PLC 系統硬件組成主要有：1）CPU 模塊；2）數字量輸入模塊SM321（DI），這個模塊分為交流輸入和直流輸入兩種方式，對于現場輸入原件，只要求提供開關觸點，輸入信號進入模塊后，都經過光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩存器，等待CPU 采樣；3）模擬量輸入模塊331(AI)，這個模塊主要由A/D 轉換部件，模擬切換開關，補償電路、恒流源、光電隔離部件及邏輯電路等集成在一起，A/D 轉換采用計分方法；4）模擬量輸出模塊（AO），這個模塊可以輸出電壓也可輸出電流，采用內部繼電器控制；5）PS307 電源模塊，輸出直流24V 電源，供給CPU 及各模塊使用。

1.2.3 司鉆電控臺及司泵電控臺

司鉆電控臺由不銹鋼材質制成，水密結構，防護等級為IP56，內有充氣裝置，平時為正壓防爆。司鉆電控臺具有四個可控硅控制柜的選停，絞車、泥漿泵及轉盤的選停和調速功能，還有運行顯示和故障報警的功能。還能夠對于應急事件進行緊急停車。

司泵電控臺由不銹鋼材質制成，水密結構，防護等級為IP56。司泵電控臺具有泥漿泵現場啟停和調速功能。其選停和司鉆電控臺的選擇形成互鎖，以達到本質安全的目的。

1.3 軟件系統

1）6RA70 裝置的系統軟件已經固化在的EPROM 中，初始調試過程中，只需要根據設備實際參數和外圍電路情況，對內部調節器做一些邏輯選擇，定義輸入、輸出端口，定義內部連接量和運算器的工作，即可實現系統控制。在實際使用過程中，還可以根據需要進行相應的連接量的定義，實現使用者對系統的自我改造。

（1）轉速調節器：轉速調節器是將轉速給定值與實際值進行比較，根據它們之間的差值輸出相應的電流給定值送給電流調節器（原理：帶有電流內環的轉速調節）。轉速調節器是PI調節器，在設備安裝上之后即可進行轉速調節器自動優化，還可以通過手動改變參數，如比例增益和積分時間等，從而實現轉速環的最優控制；

（2）電流調節器：電流調節器是具有相互獨立設定的P-放大值和調節時間的PI 調節器。電流實際值通過三相交流側的電流互感器檢測，經過負載電阻，整流，再經過模/數轉換后送到電流調節器。電流調節器的輸出形成觸發裝置的控制角。

2）S7-300PLC 程序的編制，都是借助STEP 7 編程庫方便用戶直接使用現成的運動控制指令，實現復雜的運動控制任務。S7-300 的編程語言包括梯形圖、語句表和功能塊。對于已經成型的產品，其程序已經編好，并存放在智能存儲卡中，程序運行時直接調用，在使用過程中若發現有不合適的地方，用戶還可以用編程電纜自己對程序進行修改和編程，以使程序更好的服務于過程控制。

2 系統評價

勝利四號平臺通過對原有直流驅動系統改造，由原有的模擬控制改為了數字控制，有其優點，但是也存在一定的不足之處，下面簡要說明。

2.1 系統優點

1）系統運行穩定。西門子直流傳動技術在國際上比較先進，系統控制單元運行可靠，內部數字電路的應用，減少了過去使用模擬運算電路所帶來的運算誤差，排除了以前模擬元件老化所帶來的系統性能不穩定的現象；2）6RA70 控制單元內有多種運算模塊，其參數均可修改，可以優化設備運行，還可以通過修改參數，實現不規則函數運行，現場人員可以通過更改參數實現各種復雜的運算；3）控制單元內設置有多重保護功能，并可以實現保護輸出，實現邏輯互鎖，防止各類誤操作的發生，提高了設備的本質安全性。

2.2 系統缺點

1）系統比較復雜，接口較多，新手必須經過長時間摸索才能掌握；2）脈沖放大板為廠家自己生產，質量一般，容易損壞。

總體來說，經過升級改造，提高了系統的穩定性和可更改、可操作性，減少了現場技術人員的維護強度，減少了工作量。在提高系統穩定性的同時，減少了系統故障率，減少了由此帶來的鉆井生產的時間消耗和復雜情況的發生。

3 結論

當前，國內大多數廠家在對原有系統升級改造過程中都選用“小馬拉大車”的設計思路，在使系統提升了一個檔次的前提下，減少了成本投入，是一種很好的嘗試。在使用這種改造方式的過程中，應該加強對于自制元器件的質量監控，保證系統不會因為這些元器件的故障發生問題，繼續完善這個系統。

[1]利用SIMOREG 6RA24改造海上鉆井平臺電氣傳動系統.

[2]HZ19-2/3海洋鉆機電控系統的方案設計.