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(tǒng)優(yōu)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(tǒng)的動力輸出調(diào)節(jié)不均衡、因缺少功率限制導(dǎo)致的負載增加系統(tǒng)斷網(wǎng)、通訊系統(tǒng)不能正常實現(xiàn)控制功能、監(jiān)控系統(tǒng)不能正常聯(lián)網(wǎng)、絞車動力滯后等問題的分析和研究，對ZJ70D鉆機的供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)進行了軟件及硬件的完善和優(yōu)化。優(yōu)化后的電控系統(tǒng)具有加載穩(wěn)定、動力分配平衡、通訊系統(tǒng)恢復(fù)控制功能、監(jiān)控系統(tǒng)可實時監(jiān)控鉆機動態(tài)運行情況，從而實現(xiàn)了整套ZJ70D鉆機的平穩(wěn)運行，并順利完成鉆井任務(wù)，為安全生產(chǎn)提供了有力保障。關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；配電系統(tǒng)；通訊系統(tǒng)；傳動系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是整個電動鉆機的心臟，直接控制著發(fā)電系統(tǒng)的運行和動力分配，再通過傳動系統(tǒng)及馬達控制中心（MCC）合理分配給絞車電機、泥漿泵電機、轉(zhuǎn)盤電機和循環(huán)固控的驅(qū)動設(shè)備。本文涉及的電動鉆機電控系統(tǒng)，因不能很好的控制發(fā)電系統(tǒng)的運行、在發(fā)電系統(tǒng)動力分配過程中存在致命缺陷、傳動系統(tǒng)在控制絞車電機、泥漿泵電機、轉(zhuǎn)盤電機時從通訊系統(tǒng)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(wěn)定的鉆井生產(chǎn)效益，及設(shè)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(yōu)化。供生產(chǎn)作業(yè)人員及軟、硬件設(shè)計人員參考。

供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)為四臺卡特3512A（1457KVA）柴油發(fā)電機，柴油機的速度控制及調(diào)壓控制分別由伍德沃德2301A電子調(diào)速器及西門子6RA70調(diào)速裝置中的勵磁功能完成。系統(tǒng)的功率檢測及顯示部分由數(shù)字電子儀表EPM5500+及西門子工控機完成，同時輸出相應(yīng)信號值至模擬、數(shù)字模塊供程序?qū)ο到y(tǒng)功率的監(jiān)控及控制。

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

對柴油機控制系統(tǒng)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(zhuǎn)盤）內(nèi)西門子6RA70調(diào)速裝置的內(nèi)部參數(shù)及EPM5500+監(jiān)控報警程序。

a更改EPM5500+的監(jiān)控報警程序。對機組最大視在功率進行限制。

報警參數(shù)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(shù)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(shù)，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(zhuǎn)換開關(guān)（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(fā)電系統(tǒng)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(nèi)（如圖四），PLC程序調(diào)用存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)實現(xiàn)過功率報警。同時也將數(shù)據(jù)送入五個6RA70的第一塊通訊板（CB板），該數(shù)據(jù)計入開關(guān)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(tài)，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(xù)跟蹤。當U223的邏輯字由“1”變?yōu)椤?”時，最后應(yīng)用在y的輸出值被凍結(jié)，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(shù)值，該值由司鉆臺給定手輪經(jīng)PLC及6RA70轉(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)功率限制報警后，U223=0，司鉆調(diào)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(jié)的U221.1的值，從而實現(xiàn)增大手輪無法增加設(shè)備負載的目的，也就滿足了功率限制的功能。

配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)是將發(fā)電機輸出的電力經(jīng)過一系列相序、轉(zhuǎn)速、電壓、功率分配等參數(shù)的控制，從而實現(xiàn)任意多臺發(fā)電機并網(wǎng)運行時有功功率和無功功率的同步【3】。然而，此電控系統(tǒng)在經(jīng)過一段時期的運行后發(fā)現(xiàn)，各發(fā)電機在并網(wǎng)運行前后無法實現(xiàn)速度、電壓的微調(diào)和有功功率、無功功率的均衡，調(diào)節(jié)幅度過大甚至容易導(dǎo)致發(fā)電機跳網(wǎng)。針對這種情況對四個配電系統(tǒng)控制單元進行了如下的改造：

a更換各配電單元的調(diào)壓電位器和調(diào)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(nèi)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(fā)現(xiàn)3號配電單元的電壓波動較大，確定是電壓調(diào)節(jié)器的問題，更換調(diào)壓器后進行加載調(diào)試，3號交流柜運行穩(wěn)定。檢查替換下來的調(diào)壓器，調(diào)壓板的一個晶閘管中其中一個觸發(fā)引腳已經(jīng)斷裂。

通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)是電動鉆機的神經(jīng)中樞，負責處理設(shè)備的使能信號、速度給定信號、監(jiān)控設(shè)備的運行參數(shù)，以此來保證其控制的絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵的平穩(wěn)、可靠運行。通訊系統(tǒng)的主要設(shè)備是西門子PLC的CPU模塊、數(shù)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(qū)動單元內(nèi)的西門子6RA70調(diào)速模塊。他們之間通過雙絞線、數(shù)據(jù)總線插頭（DP頭）、通訊板連接并依據(jù)PRFIBUS-DP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

如果CPU與6RA70之間通訊發(fā)生問題，將直接影響到傳動系統(tǒng)的正常工作。該鉆機因通訊系統(tǒng)的故障已經(jīng)影響了設(shè)備的正常使用，長期在BYPASS狀態(tài)下工作。PLC控制系統(tǒng)沒能發(fā)揮其應(yīng)有的設(shè)備控制及保護設(shè)備安全的作用。通訊系統(tǒng)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(tǒng)不能正常工作。鑒于此，對通訊系統(tǒng)進行了分級逐項的檢查：

a系統(tǒng)配備的監(jiān)控PC機可以直觀的反應(yīng)通訊系統(tǒng)的工作狀態(tài)【4】，因此為了有效的查找通訊故障點，首先需要恢復(fù)監(jiān)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(qū)動設(shè)置路徑及通訊板硬件狀態(tài)，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(qū)動設(shè)置路徑，PC機上電后step7與CPU之間實現(xiàn)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(jīng)常損壞的現(xiàn)象。①采取逐級分段檢查PLC系統(tǒng)的電源，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)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(dǎo)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(tài)。②在鉆臺控制電路部分的ET200側(cè)加裝一臺獨立的DC24V開關(guān)電源，以保證ET200的用電穩(wěn)定，其他的數(shù)字量模塊、模擬量模塊及電磁閥組繼續(xù)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(guān)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(tǒng)元器件。

圖五原司鉆房DC24V電源電路圖

傳動系統(tǒng)

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(dǎo)致會有10cm左右的鉆具下滑現(xiàn)象，此時絞車轉(zhuǎn)速接近于零，這種狀態(tài)持續(xù)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(chǎn)上埋下了不可預(yù)測的隱患。針對這種動力遲滯的現(xiàn)象，更改6RA70直流調(diào)速裝置的參數(shù)：

P155=0.05電樞電流調(diào)節(jié)器的P增益（比例增益）

P156=0.05電樞電流調(diào)節(jié)器的積分時間（I）

P225=1速度調(diào)節(jié)器P增益（比例增益）

P226=0.85速度調(diào)節(jié)器積分時間（I）

P303=3斜坡上升時間1

根據(jù)PI控制原理，過大的P值會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，持續(xù)震蕩；過小的P值又會使系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。合適的值應(yīng)該使系統(tǒng)有足夠的靈敏度但又不會反應(yīng)過于靈敏，所以P155 和P225的調(diào)節(jié)要根據(jù)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(diào)節(jié)【6】。

尹軍平的話彰顯出了商業(yè)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(shù)調(diào)試完畢后，絞車在加載后響應(yīng)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(xiàn)平穩(wěn)上提鉆具【7】。

結(jié)束語

所有工作完成后對系統(tǒng)進行加載試驗，驅(qū)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(tài)，此時發(fā)電機輸出電流是1100A，有功功率400KW，視在功率1154KVA（EPM5500+報警七設(shè)置最大視在功率值）。此時使用腳踏給定使絞車加速運轉(zhuǎn)，視在功率上升至1200KVA時鉆臺功率限制燈點亮，發(fā)電系統(tǒng)視在功率保持不變，說明功率限制已經(jīng)啟動。司鉆降低絞車負荷并復(fù)位功率限制報警后系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)。對將要并網(wǎng)及并網(wǎng)后的發(fā)電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)、無功功率調(diào)節(jié)，微調(diào)旋鈕均可滿足要求。通過工控機啟動STEP7程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)的程序監(jiān)控，方便及時檢查系統(tǒng)通訊狀態(tài)及故障點。在負荷達到150噸左右時觀察絞車的操作狀態(tài)，動力遲滯的現(xiàn)象已經(jīng)大有改善。整套設(shè)備經(jīng)過二年四口油井的大負荷運行，最大連續(xù)運轉(zhuǎn)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(tǒng)均運轉(zhuǎn)正常。成功滿足安全生產(chǎn)、保障鉆井生產(chǎn)效益的工作需求。

參考：

［1］GB/T23507.3—2009石油鉆機用電氣設(shè)備規(guī)范第三部分電動鉆機用柴油發(fā)電機組

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

［3］GB/T23507.3—2009石油鉆機用電氣設(shè)備規(guī)范第三部分電動鉆機用柴油發(fā)電機組4.10.3并聯(lián)運行

［4］SY/T6725.2—2009石油鉆機用電氣設(shè)備規(guī)范第二部分控制系統(tǒng)5.18.3.6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

［5］SY/T6725.2—2009石油鉆機用電氣設(shè)備規(guī)范第二部分控制系統(tǒng)5.16.8.2為系統(tǒng)中各控制部件供電的低壓“控制電源”，應(yīng)保證其供電獨立性和可靠性?？刂齐娫磻?yīng)和輔助電源、照明電源等分開供電。

［6］《PID控制器參數(shù)整定與實現(xiàn)》，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(shè)備規(guī)范第二部分控制系統(tǒng)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(yè)于大慶石油學院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事70D電動鉆機的維護和維修工作。