電動鉆機電控系統優化

長城鉆探工程有限公司國際項目｜柴武

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電動鉆機電控系統優化

長城鉆探工程有限公司國際項目｜柴武

通過對ZJ70D鉆機電控系統的動力輸出調節不均衡、因缺少功率限制導致的負載增加系統斷網、通訊系統不能正常實現控制功能、監控系統不能正常聯網、絞車動力滯后等問題的分析和研究，對ZJ70D鉆機的供電系統、配電系統、通訊系統、傳動系統進行了軟件及硬件的完善和優化。優化后的電控系統具有加載穩定、動力分配平衡、通訊系統恢復控制功能、監控系統可實時監控鉆機動態運行情況，從而實現了整套ZJ70D鉆機的平穩運行，并順利完成鉆井任務，為安全生產提供了有力保障。關鍵詞：供電系統；配電系統；通訊系統；傳動系統

電控系統是整個電動鉆機的心臟，直接控制著發電系統的運行和動力分配，再通過傳動系統及馬達控制中心（MCC）合理分配給絞車電機、泥漿泵電機、轉盤電機和循環固控的驅動設備。本文涉及的電動鉆機電控系統，因不能很好的控制發電系統的運行、在發電系統動力分配過程中存在致命缺陷、傳動系統在控制絞車電機、泥漿泵電機、轉盤電機時從通訊系統到使能信號再到給定信號處理都存在重大缺陷及安全隱患。為保障穩定的鉆井生產效益，及設備安全無隱患的運行，對其硬件及程序控制部分做了整改和優化。供生產作業人員及軟、硬件設計人員參考。

供電系統

供電系統為四臺卡特3512A（1457KVA）柴油發電機，柴油機的速度控制及調壓控制分別由伍德沃德2301A電子調速器及西門子6RA70調速裝置中的勵磁功能完成。系統的功率檢測及顯示部分由數字電子儀表EPM5500+及西門子工控機完成，同時輸出相應信號值至模擬、數字模塊供程序對系統功率的監控及控制。

為使四臺柴油機任意幾臺并網工作時不過流、不過載、不過功率、不逆功率【1】，應在控制系統部分加入相應的保護措施，一旦出現上述任何一個或幾個問題，系統都將在限定時間內實現斷網以保護柴油發電組。但是本文所涉及的電控系統對供電柴油機的控制部分缺少過功率保護限制的設計，因而在正常生產過程中多次出現因瞬間負荷過高造成的過流跳閘，以致全網停電，給安全生產帶來了隱患、鉆井時效造成了影響。

對柴油機控制系統增加功率限制功能【2】需要更改五個傳動柜（分別控制三臺泥漿泵、一部絞車、一部轉盤）內西門子6RA70調速裝置的內部參數及EPM5500+監控報警程序。

a更改EPM5500+的監控報警程序。對機組最大視在功率進行限制。

報警參數第一組－第六組啟動報警1－不等式變量選擇寄存器

報警參數第七組啟動報警2－不等式符號選擇寄存器，判斷上限或者下限。

b更改5個傳動柜的西門子6RA70的主給定參數，分別為

U380：反號器1，輸入信號的源（輸出=B9450）U380=B3405

U223：控制信號“RESET”，“TRACK”和“STORE”的源。U223=B9450

U222：輸入量（X）的源。U222=k9210

U221：最小值選擇的源。U221.1=k9195、U221.2=k9210、U221.3=k9210

P433:標準給定的源。P433=k9194

U240：輸入量的源。U240.1=k3002、U240.2=k207

U241：控制信號的源。U241=k10

圖一跟蹤/存儲單元（tracking/storageelements）

圖二接觸器轉換開關（connectorchangeoverswitcher）

圖三最小值選擇（minimumselection）

圖四功率限制報警程序（powerlimitalarmprogram）

cEPM5500+檢測到發電系統最大視在功率超過報警7限制的最大值時，輸出控制字到CPU，CPU處理控制字后存入PW存儲器內（如圖四），PLC程序調用存儲器內數據實現過功率報警。同時也將數據送入五個6RA70的第一塊通訊板（CB板），該數據計入開關量連接器B3405，B3450的值賦予反號器U380后，U380通過B9450將值賦予U223，U223用來控制跟蹤/存儲單元（圖一）的輸出狀態，當U223的邏輯字為“1”時，圖一y的輸出值等于x的輸入值并連續跟蹤。當U223的邏輯字由“1”變為“0”時，最后應用在y的輸出值被凍結，即連接器K9195的值恒定，K9195的值存入最小值選擇的源U221.1。同時，U221.2和U221.3接收來自連接器K9210的數值，該值由司鉆臺給定手輪經PLC及6RA70轉換后所得（如圖二），最小值選擇單元（如圖三）比較U221.1、U221.2、U221.3中的最小值輸出給連接器K9194，連接器K9194將所得數值存入標準給定的源P433作為最終直流電機的輸出給定。當出現功率限制報警后，U223=0，司鉆調大手輪致使U221.2和U221.3的值增大，最小值選擇單元將輸出較小的被凍結的U221.1的值，從而實現增大手輪無法增加設備負載的目的，也就滿足了功率限制的功能。

配電系統

配電系統是將發電機輸出的電力經過一系列相序、轉速、電壓、功率分配等參數的控制，從而實現任意多臺發電機并網運行時有功功率和無功功率的同步【3】。然而，此電控系統在經過一段時期的運行后發現，各發電機在并網運行前后無法實現速度、電壓的微調和有功功率、無功功率的均衡，調節幅度過大甚至容易導致發電機跳網。針對這種情況對四個配電系統控制單元進行了如下的改造：

a更換各配電單元的調壓電位器和調速電位器及其連接電纜，將原1.5mm連接線更改為0.5mm連接線，縮短焊接時間以避免對電位器內部線圈因長時間焊接過熱造成的損害。

b在后期加載試驗階段，發現3號配電單元的電壓波動較大，確定是電壓調節器的問題，更換調壓器后進行加載調試，3號交流柜運行穩定。檢查替換下來的調壓器，調壓板的一個晶閘管中其中一個觸發引腳已經斷裂。

通訊系統

通訊系統是電動鉆機的神經中樞，負責處理設備的使能信號、速度給定信號、監控設備的運行參數，以此來保證其控制的絞車、轉盤、泥漿泵的平穩、可靠運行。通訊系統的主要設備是西門子PLC的CPU模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、工控機及分布在五個驅動單元內的西門子6RA70調速模塊。他們之間通過雙絞線、數據總線插頭（DP頭）、通訊板連接并依據PRFIBUS-DP協議實現數據交換。

如果CPU與6RA70之間通訊發生問題，將直接影響到傳動系統的正常工作。該鉆機因通訊系統的故障已經影響了設備的正常使用，長期在BYPASS狀態下工作。PLC控制系統沒能發揮其應有的設備控制及保護設備安全的作用。通訊系統故障的影響因素很多，諸如DP頭的損壞、通訊板故障、雙絞線虛接、電源線虛接造成的電壓不足等都會影響到通訊系統不能正常工作。鑒于此，對通訊系統進行了分級逐項的檢查：

a系統配備的監控PC機可以直觀的反應通訊系統的工作狀態【4】，因此為了有效的查找通訊故障點，首先需要恢復監控PC機與CPU的通訊以方便以后的故障點檢查及維護。

檢查通訊板的驅動設置路徑及通訊板硬件狀態，確認通訊板金手指所插的插槽處有焦灼點，遂更換新的通訊板至備用插槽處，更改通訊板驅動設置路徑，PC機上電后step7與CPU之間實現正常通訊。

b針對以往運行及搬家安裝后再次上電過程中，DP頭經常損壞的現象。①采取逐級分段檢查PLC系統的電源，發現在經過濾波電源后，輸出部分的接線在出廠時a1一L1、c1一N接反，導致進入PLC電源模塊的L、N相顛倒，影響了整套PLC模塊的用電狀態。②在鉆臺控制電路部分的ET200側加裝一臺獨立的DC24V開關電源，以保證ET200的用電穩定，其他的數字量模塊、模擬量模塊及電磁閥組繼續使用原DC24V供電【5】。如圖五，斷開X2：3、X2：4端的供電，接入加裝的開關電源DC24V電源輸出端。③更換鉆臺控制電路的ET200模塊及模擬量輸入模塊。④在司鉆房與SCR房之間使用25mm地線形成一個等電位連接點，避免因電焊的瞬間大電流擊穿鉆臺通訊系統元器件。

圖五原司鉆房DC24V電源電路圖

傳動系統

在懸重達到100噸以上的起鉆過程中，絞車在離合器掛合上的瞬間動力輸出不足，導致會有10cm左右的鉆具下滑現象，此時絞車轉速接近于零，這種狀態持續2-3秒后絞車開始帶動鉆具慢慢提升。這種情況在安全生產上埋下了不可預測的隱患。針對這種動力遲滯的現象，更改6RA70直流調速裝置的參數：

P155=0.05電樞電流調節器的P增益（比例增益）

P156=0.05電樞電流調節器的積分時間（I）

P225=1速度調節器P增益（比例增益）

P226=0.85速度調節器積分時間（I）

P303=3斜坡上升時間1

根據PI控制原理，過大的P值會導致系統不穩定，持續震蕩；過小的P值又會使系統反應遲鈍。合適的值應該使系統有足夠的靈敏度但又不會反應過于靈敏，所以P155 和P225的調節要根據絞車實際運行情況來最終判定。而積分時間（I）的大小表征了積分控制作用的強弱，積分時間越小，控制作用越強，反之，積分時間越大，控制作用越弱，所以一定時間的遲緩要靠積分時間（I）來調節【6】。

尹軍平的話彰顯出了商業理性。不管是并購方，還是被并購方，在中國的物流市場邏輯里，也許都是勝者，雙贏的局面會更多。

參數調試完畢后，絞車在加載后響應時間變短同時加載電流變大。這樣，在離合器掛合后絞車能夠在最短時間輸出足夠大的扭矩實現平穩上提鉆具【7】。

結束語

所有工作完成后對系統進行加載試驗，驅動絞車同時操作剎車勻速上提，絞車電流達到1200A時保持剎車狀態，此時發電機輸出電流是1100A，有功功率400KW，視在功率1154KVA（EPM5500+報警七設置最大視在功率值）。此時使用腳踏給定使絞車加速運轉，視在功率上升至1200KVA時鉆臺功率限制燈點亮，發電系統視在功率保持不變，說明功率限制已經啟動。司鉆降低絞車負荷并復位功率限制報警后系統恢復正常狀態。對將要并網及并網后的發電機進行轉速調節、電壓調節、有功功率調節、無功功率調節，微調旋鈕均可滿足要求。通過工控機啟動STEP7程序，實現對系統的程序監控，方便及時檢查系統通訊狀態及故障點。在負荷達到150噸左右時觀察絞車的操作狀態，動力遲滯的現象已經大有改善。整套設備經過二年四口油井的大負荷運行，最大連續運轉泵壓達到30MPa、起井架最大上提拉力280噸，目前整套供配電、通訊、傳動系統均運轉正常。成功滿足安全生產、保障鉆井生產效益的工作需求。

參考：

［1］GB/T23507.3—2009石油鉆機用電氣設備規范第三部分電動鉆機用柴油發電機組

［2］SY/T6725.2—2009石油鉆機用電氣設備規范第二部分控制系統5.15.6功率限制保護

［3］GB/T23507.3—2009石油鉆機用電氣設備規范第三部分電動鉆機用柴油發電機組4.10.3并聯運行

［4］SY/T6725.2—2009石油鉆機用電氣設備規范第二部分控制系統5.18.3.6現場總線控制系統

［5］SY/T6725.2—2009石油鉆機用電氣設備規范第二部分控制系統5.16.8.2為系統中各控制部件供電的低壓“控制電源”，應保證其供電獨立性和可靠性。控制電源應和輔助電源、照明電源等分開供電。

［6］《PID控制器參數整定與實現》，黃友銳、曲立國，中國科學出版社，2010.1.1

［7］SY/T6725.2—2009石油鉆機用電氣設備規范第二部分控制系統5.18.1電力電子變流裝置的選用

柴武（1982-），男，遼寧盤錦，2005年畢業于大慶石油學院電氣工程及其自動化專業，現從事70D電動鉆機的維護和維修工作。