商紅波

勝利石油管理局海洋鉆井公司，山東東營(yíng) 257000

0 引言

勝利四號(hào)平臺(tái)是1985 年3 月從美國(guó)斯德華特和斯蒂文森有限公司（Stewart&Stevenson）引進(jìn)的一條坐底式鉆井平臺(tái)。平臺(tái)原配的直流調(diào)速系統(tǒng)由四個(gè)可控硅控制柜、一個(gè)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(nèi)，利用脈沖放大板、模擬量采集板、觸發(fā)板、電源板等幾個(gè)模塊電路板組成控制核心，驅(qū)動(dòng)可控硅進(jìn)行交-直流轉(zhuǎn)換，調(diào)壓調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)及泥漿泵等鉆井設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。這套系統(tǒng)是上世紀(jì)八十年代的產(chǎn)品，其配件大多都已不再生產(chǎn)，所使用的電路板元器件老化嚴(yán)重，系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定，故障率很高。

2008 年海洋鉆井公司對(duì)該平臺(tái)電氣系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)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(hào)，但配上一塊脈沖放大板，即可實(shí)現(xiàn)“小馬拉大車”的作用。既節(jié)省了成本，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)字精確控制，提高了穩(wěn)定性。

1 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)改造

1.1 勝利四號(hào)平臺(tái)系統(tǒng)主回路

勝利四號(hào)平臺(tái)電網(wǎng)由4 臺(tái)CAT3516 柴油發(fā)電機(jī)組供電，每臺(tái)機(jī)組輸出功率為1050KW，供電電壓是600V，頻率是50Hz，機(jī)組發(fā)出的電通過(guò)母排送到四個(gè)可控硅控制柜，可控硅控制柜采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)三相全控橋進(jìn)行交—直轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行作業(yè)。其中，1#可控硅可帶轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤和1#泥漿泵。

1.2 直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件組成

可控硅控制柜內(nèi)由數(shù)字直流調(diào)速裝置SIMOREG 6RA70 代替了原先的模擬控制板，由S7-300PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)及控制指令的采集，代替了原先的中間繼電器實(shí)現(xiàn)的模擬控制電路，由PROFIBUS-DP 背部總線實(shí)現(xiàn)了PLC 主站和從站之間的信息傳遞。通過(guò)數(shù)字化參數(shù)設(shè)置，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。6RA70 裝置帶有參數(shù)設(shè)置單元PMU, 能夠隨時(shí)監(jiān)控直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)的故障做出判斷，并且可以隨時(shí)對(duì)調(diào)速裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。6RA70 裝置控制系統(tǒng)的控制精度高，響應(yīng)速度快，調(diào)速的動(dòng)、靜態(tài)性能好。

1.2.1 6RA70 裝置原理

1）手輪給定。由一個(gè)滑動(dòng)電位器組成，能實(shí)現(xiàn)DC 0-10V連續(xù)可調(diào)輸出，一定的電壓對(duì)應(yīng)著一定的SCR 導(dǎo)通角，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就不同；

2）指令開(kāi)關(guān)。用來(lái)選通不同設(shè)備和不同的SCR 之間的控制邏輯，選定不同的指令開(kāi)關(guān)，將接通不同的可控硅控制柜，同時(shí)把相應(yīng)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(lái)接通和斷開(kāi)直流主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(jù)控制電壓的不同，導(dǎo)通角就不同，電機(jī)的電壓就不同，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速就不同。整流器這部分還采用平臺(tái)原有的部分，實(shí)現(xiàn)了成本的節(jié)約；

5）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路。要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速，就必須把最終的控制量（轉(zhuǎn)速）和擾動(dòng)量（電流）通過(guò)一定的方式傳輸?shù)娇刂茊卧?，由于四?hào)平臺(tái)采用的是串勵(lì)直流電機(jī)，所以轉(zhuǎn)速的反饋要利用反電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)一定的函數(shù)計(jì)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(fā)脈沖信號(hào)必須經(jīng)過(guò)功率放大，再去觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。這塊功率板是國(guó)內(nèi)廠家自己生產(chǎn)的，其質(zhì)量有待改進(jìn)。

1.2.2 S7-300PLC 及各輸入輸出模塊構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[2]

放在電纜連接柜內(nèi)的PLC 主站（S7-300 CPU315-DP）通過(guò)PROFIBUS-DP 背部總線與放置在四個(gè)直流傳動(dòng)柜內(nèi)的從站及放置在司鉆手輪箱和司泵手輪箱內(nèi)的從站相連，通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的程序，進(jìn)行通訊。SIMATIC S7-300PLC 系統(tǒng)硬件組成主要有：1）CPU 模塊；2）數(shù)字量輸入模塊SM321（DI），這個(gè)模塊分為交流輸入和直流輸入兩種方式，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)輸入原件，只要求提供開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，輸入信號(hào)進(jìn)入模塊后，都經(jīng)過(guò)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(gè)模塊主要由A/D 轉(zhuǎn)換部件，模擬切換開(kāi)關(guān)，補(bǔ)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(zhuǎn)換采用計(jì)分方法；4）模擬量輸出模塊（AO），這個(gè)模塊可以輸出電壓也可輸出電流，采用內(nèi)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(tái)及司泵電控臺(tái)

司鉆電控臺(tái)由不銹鋼材質(zhì)制成，水密結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級(jí)為IP56，內(nèi)有充氣裝置，平時(shí)為正壓防爆。司鉆電控臺(tái)具有四個(gè)可控硅控制柜的選停，絞車、泥漿泵及轉(zhuǎn)盤的選停和調(diào)速功能，還有運(yùn)行顯示和故障報(bào)警的功能。還能夠?qū)τ趹?yīng)急事件進(jìn)行緊急停車。

司泵電控臺(tái)由不銹鋼材質(zhì)制成，水密結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級(jí)為IP56。司泵電控臺(tái)具有泥漿泵現(xiàn)場(chǎng)啟停和調(diào)速功能。其選停和司鉆電控臺(tái)的選擇形成互鎖，以達(dá)到本質(zhì)安全的目的。

1.3 軟件系統(tǒng)

1）6RA70 裝置的系統(tǒng)軟件已經(jīng)固化在的EPROM 中，初始調(diào)試過(guò)程中，只需要根據(jù)設(shè)備實(shí)際參數(shù)和外圍電路情況，對(duì)內(nèi)部調(diào)節(jié)器做一些邏輯選擇，定義輸入、輸出端口，定義內(nèi)部連接量和運(yùn)算器的工作，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。在實(shí)際使用過(guò)程中，還可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的連接量的定義，實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)系統(tǒng)的自我改造。

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是將轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際值進(jìn)行比較，根據(jù)它們之間的差值輸出相應(yīng)的電流給定值送給電流調(diào)節(jié)器（原理：帶有電流內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)）。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，在設(shè)備安裝上之后即可進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動(dòng)優(yōu)化，還可以通過(guò)手動(dòng)改變參數(shù)，如比例增益和積分時(shí)間等，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的最優(yōu)控制；

（2）電流調(diào)節(jié)器：電流調(diào)節(jié)器是具有相互獨(dú)立設(shè)定的P-放大值和調(diào)節(jié)時(shí)間的PI 調(diào)節(jié)器。電流實(shí)際值通過(guò)三相交流側(cè)的電流互感器檢測(cè)，經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻，整流，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送到電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出形成觸發(fā)裝置的控制角。

2）S7-300PLC 程序的編制，都是借助STEP 7 編程庫(kù)方便用戶直接使用現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。S7-300 的編程語(yǔ)言包括梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊。對(duì)于已經(jīng)成型的產(chǎn)品，其程序已經(jīng)編好，并存放在智能存儲(chǔ)卡中，程序運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用，在使用過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)有不合適的地方，用戶還可以用編程電纜自己對(duì)程序進(jìn)行修改和編程，以使程序更好的服務(wù)于過(guò)程控制。

2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

勝利四號(hào)平臺(tái)通過(guò)對(duì)原有直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造，由原有的模擬控制改為了數(shù)字控制，有其優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定的不足之處，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。西門子直流傳動(dòng)技術(shù)在國(guó)際上比較先進(jìn)，系統(tǒng)控制單元運(yùn)行可靠，內(nèi)部數(shù)字電路的應(yīng)用，減少了過(guò)去使用模擬運(yùn)算電路所帶來(lái)的運(yùn)算誤差，排除了以前模擬元件老化所帶來(lái)的系統(tǒng)性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象；2）6RA70 控制單元內(nèi)有多種運(yùn)算模塊，其參數(shù)均可修改，可以優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，還可以通過(guò)修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則函數(shù)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)人員可以通過(guò)更改參數(shù)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)算；3）控制單元內(nèi)設(shè)置有多重保護(hù)功能，并可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)輸出，實(shí)現(xiàn)邏輯互鎖，防止各類誤操作的發(fā)生，提高了設(shè)備的本質(zhì)安全性。

2.2 系統(tǒng)缺點(diǎn)

1）系統(tǒng)比較復(fù)雜，接口較多，新手必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間摸索才能掌握；2）脈沖放大板為廠家自己生產(chǎn)，質(zhì)量一般，容易損壞。

總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)升級(jí)改造，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可更改、可操作性，減少了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的維護(hù)強(qiáng)度，減少了工作量。在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，減少了系統(tǒng)故障率，減少了由此帶來(lái)的鉆井生產(chǎn)的時(shí)間消耗和復(fù)雜情況的發(fā)生。

3 結(jié)論

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家在對(duì)原有系統(tǒng)升級(jí)改造過(guò)程中都選用“小馬拉大車”的設(shè)計(jì)思路，在使系統(tǒng)提升了一個(gè)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(guò)程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于自制元器件的質(zhì)量監(jiān)控，保證系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)檫@些元器件的故障發(fā)生問(wèn)題，繼續(xù)完善這個(gè)系統(tǒng)。

[1]利用SIMOREG 6RA24改造海上鉆井平臺(tái)電氣傳動(dòng)系統(tǒng).

[2]HZ19-2/3海洋鉆機(jī)電控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì).