电动钻机电控系统优化

长城钻探工程有限公司国际项目｜柴武



电动钻机电控系统优化

长城钻探工程有限公司国际项目｜柴武

通过对ZJ70D钻机电控系统的动力输出调节不均衡、因缺少功率限制导致的负载增加系统断网、通讯系统不能正常实现控制功能、监控系统不能正常联网、绞车动力滞后等问题的分析和研究，对ZJ70D钻机的供电系统、配电系统、通讯系统、传动系统进行了软件及硬件的完善和优化。优化后的电控系统具有加载稳定、动力分配平衡、通讯系统恢复控制功能、监控系统可实时监控钻机动态运行情况，从而实现了整套ZJ70D钻机的平稳运行，并顺利完成钻井任务，为安全生产提供了有力保障。关键词：供电系统；配电系统；通讯系统；传动系统

电控系统是整个电动钻机的心脏，直接控制着发电系统的运行和动力分配，再通过传动系统及马达控制中心（MCC）合理分配给绞车电机、泥浆泵电机、转盘电机和循环固控的驱动设备。本文涉及的电动钻机电控系统，因不能很好的控制发电系统的运行、在发电系统动力分配过程中存在致命缺陷、传动系统在控制绞车电机、泥浆泵电机、转盘电机时从通讯系统到使能信号再到给定信号处理都存在重大缺陷及安全隐患。为保障稳定的钻井生产效益，及设备安全无隐患的运行，对其硬件及程序控制部分做了整改和优化。供生产作业人员及软、硬件设计人员参考。

供电系统

供电系统为四台卡特3512A（1457KVA）柴油发电机，柴油机的速度控制及调压控制分别由伍德沃德2301A电子调速器及西门子6RA70调速装置中的励磁功能完成。系统的功率检测及显示部分由数字电子仪表EPM5500+及西门子工控机完成，同时输出相应信号值至模拟、数字模块供程序对系统功率的监控及控制。

为使四台柴油机任意几台并网工作时不过流、不过载、不过功率、不逆功率【1】，应在控制系统部分加入相应的保护措施，一旦出现上述任何一个或几个问题，系统都将在限定时间内实现断网以保护柴油发电组。但是本文所涉及的电控系统对供电柴油机的控制部分缺少过功率保护限制的设计，因而在正常生产过程中多次出现因瞬间负荷过高造成的过流跳闸，以致全网停电，给安全生产带来了隐患、钻井时效造成了影响。

对柴油机控制系统增加功率限制功能【2】需要更改五个传动柜（分别控制三台泥浆泵、一部绞车、一部转盘）内西门子6RA70调速装置的内部参数及EPM5500+监控报警程序。

a更改EPM5500+的监控报警程序。对机组最大视在功率进行限制。

报警参数第一组－第六组启动报警1－不等式变量选择寄存器

报警参数第七组启动报警2－不等式符号选择寄存器，判断上限或者下限。

b更改5个传动柜的西门子6RA70的主给定参数，分别为

U380：反号器1，输入信号的源（输出=B9450）U380=B3405

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

U222：输入量（X）的源。U222=k9210

U221：最小值选择的源。U221.1=k9195、U221.2=k9210、U221.3=k9210

P433:标准给定的源。P433=k9194

U240：输入量的源。U240.1=k3002、U240.2=k207

U241：控制信号的源。U241=k10

图一跟踪/存储单元（tracking/storageelements）

图二接触器转换开关（connectorchangeoverswitcher）

图三最小值选择（minimumselection）

图四功率限制报警程序（powerlimitalarmprogram）

cEPM5500+检测到发电系统最大视在功率超过报警7限制的最大值时，输出控制字到CPU，CPU处理控制字后存入PW存储器内（如图四），PLC程序调用存储器内数据实现过功率报警。同时也将数据送入五个6RA70的第一块通讯板（CB板），该数据计入开关量连接器B3405，B3450的值赋予反号器U380后，U380通过B9450将值赋予U223，U223用来控制跟踪/存储单元（图一）的输出状态，当U223的逻辑字为“1”时，图一y的输出值等于x的输入值并连续跟踪。当U223的逻辑字由“1”变为“0”时，最后应用在y的输出值被冻结，即连接器K9195的值恒定，K9195的值存入最小值选择的源U221.1。同时，U221.2和U221.3接收来自连接器K9210的数值，该值由司钻台给定手轮经PLC及6RA70转换后所得（如图二），最小值选择单元（如图三）比较U221.1、U221.2、U221.3中的最小值输出给连接器K9194，连接器K9194将所得数值存入标准给定的源P433作为最终直流电机的输出给定。当出现功率限制报警后，U223=0，司钻调大手轮致使U221.2和U221.3的值增大，最小值选择单元将输出较小的被冻结的U221.1的值，从而实现增大手轮无法增加设备负载的目的，也就满足了功率限制的功能。

配电系统

配电系统是将发电机输出的电力经过一系列相序、转速、电压、功率分配等参数的控制，从而实现任意多台发电机并网运行时有功功率和无功功率的同步【3】。然而，此电控系统在经过一段时期的运行后发现，各发电机在并网运行前后无法实现速度、电压的微调和有功功率、无功功率的均衡，调节幅度过大甚至容易导致发电机跳网。针对这种情况对四个配电系统控制单元进行了如下的改造：

a更换各配电单元的调压电位器和调速电位器及其连接电缆，将原1.5mm连接线更改为0.5mm连接线，缩短焊接时间以避免对电位器内部线圈因长时间焊接过热造成的损害。

b在后期加载试验阶段，发现3号配电单元的电压波动较大，确定是电压调节器的问题，更换调压器后进行加载调试，3号交流柜运行稳定。检查替换下来的调压器，调压板的一个晶闸管中其中一个触发引脚已经断裂。

通讯系统

通讯系统是电动钻机的神经中枢，负责处理设备的使能信号、速度给定信号、监控设备的运行参数，以此来保证其控制的绞车、转盘、泥浆泵的平稳、可靠运行。通讯系统的主要设备是西门子PLC的CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、工控机及分布在五个驱动单元内的西门子6RA70调速模块。他们之间通过双绞线、数据总线插头（DP头）、通讯板连接并依据PRFIBUS-DP协议实现数据交换。

如果CPU与6RA70之间通讯发生问题，将直接影响到传动系统的正常工作。该钻机因通讯系统的故障已经影响了设备的正常使用，长期在BYPASS状态下工作。PLC控制系统没能发挥其应有的设备控制及保护设备安全的作用。通讯系统故障的影响因素很多，诸如DP头的损坏、通讯板故障、双绞线虚接、电源线虚接造成的电压不足等都会影响到通讯系统不能正常工作。鉴于此，对通讯系统进行了分级逐项的检查：

a系统配备的监控PC机可以直观的反应通讯系统的工作状态【4】，因此为了有效的查找通讯故障点，首先需要恢复监控PC机与CPU的通讯以方便以后的故障点检查及维护。

检查通讯板的驱动设置路径及通讯板硬件状态，确认通讯板金手指所插的插槽处有焦灼点，遂更换新的通讯板至备用插槽处，更改通讯板驱动设置路径，PC机上电后step7与CPU之间实现正常通讯。

b针对以往运行及搬家安装后再次上电过程中，DP头经常损坏的现象。①采取逐级分段检查PLC系统的电源，发现在经过滤波电源后，输出部分的接线在出厂时a1一L1、c1一N接反，导致进入PLC电源模块的L、N相颠倒，影响了整套PLC模块的用电状态。②在钻台控制电路部分的ET200侧加装一台独立的DC24V开关电源，以保证ET200的用电稳定，其他的数字量模块、模拟量模块及电磁阀组继续使用原DC24V供电【5】。如图五，断开X2：3、X2：4端的供电，接入加装的开关电源DC24V电源输出端。③更换钻台控制电路的ET200模块及模拟量输入模块。④在司钻房与SCR房之间使用25mm地线形成一个等电位连接点，避免因电焊的瞬间大电流击穿钻台通讯系统元器件。

图五原司钻房DC24V电源电路图

传动系统

在悬重达到100吨以上的起钻过程中，绞车在离合器挂合上的瞬间动力输出不足，导致会有10cm左右的钻具下滑现象，此时绞车转速接近于零，这种状态持续2-3秒后绞车开始带动钻具慢慢提升。这种情况在安全生产上埋下了不可预测的隐患。针对这种动力迟滞的现象，更改6RA70直流调速装置的参数：

P155=0.05电枢电流调节器的P增益（比例增益）

P156=0.05电枢电流调节器的积分时间（I）

P225=1速度调节器P增益（比例增益）

P226=0.85速度调节器积分时间（I）

P303=3斜坡上升时间1

根据PI控制原理，过大的P值会导致系统不稳定，持续震荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。合适的值应该使系统有足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，所以P155 和P225的调节要根据绞车实际运行情况来最终判定。而积分时间（I）的大小表征了积分控制作用的强弱，积分时间越小，控制作用越强，反之，积分时间越大，控制作用越弱，所以一定时间的迟缓要靠积分时间（I）来调节【6】。

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参数调试完毕后，绞车在加载后响应时间变短同时加载电流变大。这样，在离合器挂合后绞车能够在最短时间输出足够大的扭矩实现平稳上提钻具【7】。

结束语

所有工作完成后对系统进行加载试验，驱动绞车同时操作刹车匀速上提，绞车电流达到1200A时保持刹车状态，此时发电机输出电流是1100A，有功功率400KW，视在功率1154KVA（EPM5500+报警七设置最大视在功率值）。此时使用脚踏给定使绞车加速运转，视在功率上升至1200KVA时钻台功率限制灯点亮，发电系统视在功率保持不变，说明功率限制已经启动。司钻降低绞车负荷并复位功率限制报警后系统恢复正常状态。对将要并网及并网后的发电机进行转速调节、电压调节、有功功率调节、无功功率调节，微调旋钮均可满足要求。通过工控机启动STEP7程序，实现对系统的程序监控，方便及时检查系统通讯状态及故障点。在负荷达到150吨左右时观察绞车的操作状态，动力迟滞的现象已经大有改善。整套设备经过二年四口油井的大负荷运行，最大连续运转泵压达到30MPa、起井架最大上提拉力280吨，目前整套供配电、通讯、传动系统均运转正常。成功满足安全生产、保障钻井生产效益的工作需求。

参考：

［1］GB/T23507.3—2009石油钻机用电气设备规范第三部分电动钻机用柴油发电机组

［2］SY/T6725.2—2009石油钻机用电气设备规范第二部分控制系统5.15.6功率限制保护

［3］GB/T23507.3—2009石油钻机用电气设备规范第三部分电动钻机用柴油发电机组4.10.3并联运行

［4］SY/T6725.2—2009石油钻机用电气设备规范第二部分控制系统5.18.3.6现场总线控制系统

［5］SY/T6725.2—2009石油钻机用电气设备规范第二部分控制系统5.16.8.2为系统中各控制部件供电的低压“控制电源”，应保证其供电独立性和可靠性。控制电源应和辅助电源、照明电源等分开供电。

［6］《PID控制器参数整定与实现》，黄友锐、曲立国，中国科学出版社，2010.1.1

［7］SY/T6725.2—2009石油钻机用电气设备规范第二部分控制系统5.18.1电力电子变流装置的选用

柴武（1982-），男，辽宁盘锦，2005年毕业于大庆石油学院电气工程及其自动化专业，现从事70D电动钻机的维护和维修工作。