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胜利四号平台直流调速系统改造

2016-12-01 10:40:30来源:论文网浏览:评论:0

  本文主要讲述了胜利四号钻井平台如何在原有SCR模拟控制柜基础上,利用全数字直流调速装置(6RA70)和可编程序控制器(S7-300PLC)及智能从站(ET200M)等组成数字集中控制网络,对两台绞车直流电机,六台泥浆泵直流电机及一台转盘直流电机进行驱动控制。

  胜利四号平台是1985年3月从美国斯德华特和斯蒂文森有限公司(Stewart&Stevenson)引进的一条坐底式钻井平台。平台原配的直流调速系统由四个可控硅控制柜、一个电缆连接柜、一些控制用中间继电器和司钻手轮箱等组成。其核心SCR控制柜内,利用脉冲放大板、模拟量采集板、触发板、电源板等几个模块电路板组成控制核心,驱动可控硅进行交-直流转换,调压调速,从而实现驱动钻机及泥浆泵等钻井设备运转。这套系统是上世纪八十年代的产品,其配件大多都已不再生产,所使用的电路板元器件老化严重,系统参数不稳定,故障率很高。

  2008年海洋钻井公司对该平台电气系统进行了升级改造。在改造方案中采用保留原有功率单元即可控硅整流桥,控制部分采用西门子6RA70装置,该装置选取的是小功率型号,但配上一块脉冲放大板,即可实现“小马拉大车”的作用。既节省了成本,又实现了数字精确控制,提高了稳定性。

  1 数字直流调速系统改造

  1.1 胜利四号平台系统主回路

  胜利四号平台电网由4台CAT3516柴油发电机组供电,每台机组输出功率为1050KW,供电电压是600V,频率是50Hz,机组发出的电通过母排送到四个可控硅控制柜,可控硅控制柜采用转速和电流双闭环三相全控桥进行交―直转换,驱动直流电机进行作业。其中,1#可控硅可带转盘和2#泥浆泵,2#可控硅可带绞车和2#泥浆泵,3#可控硅可带绞车和1#泥浆泵,4#可控硅可带转盘和1#泥浆泵。

  1.2 直流驱动系统硬件组成

  可控硅控制柜内由数字直流调速装置SIMOREG 6RA70代替了原先的模拟控制板,由S7-300PLC进行数据及控制指令的采集,代替了原先的中间继电器实现的模拟控制电路,由PROFIBUS-DP背部总线实现了PLC主站和从站之间的信息传递。通过数字化参数设置,对电机进行优化。6RA70装置带有参数设置单元PMU, 能够随时监控直流电机的运行状态,对出现的故障做出判断,并且可以随时对调速装置进行参数设置,进而实现最优控制。6RA70装置控制系统的控制精度高,响应速度快,调速的动、静态性能好。

  1.2.1 6RA70装置原理

  1)手轮给定。由一个滑动电位器组成,能实现DC 0-10V连续可调输出,一定的电压对应着一定的SCR导通角,相应的电机转速就不同;

  2)指令开关。用来选通不同设备和不同的SCR之间的控制逻辑,选定不同的指令开关,将接通不同的可控硅控制柜,同时把相应的继电器及接触器接通;

  3)直流接触器。接受由PLC控制的电路用来接通和断开直流主电路,实现对电机的控制;

  4)整流器。采用三相桥式全控整流电路,六组晶闸管,根据控制电压的不同,导通角就不同,电机的电压就不同,相应的转速就不同。整流器这部分还采用平台原有的部分,实现了成本的节约;

  5)转速、电流双闭环调节电路。要实现闭环调速,就必须把最终的控制量(转速)和扰动量(电流)通过一定的方式传输到控制单元,由于四号平台采用的是串励直流电机,所以转速的反馈要利用反电动势,经过一定的函数计算获得;

  6)脉冲功率放大板。由于采用的是“小马拉大车”式的改造方案,所以其触发脉冲信号必须经过功率放大,再去触发可控硅导通。这块功率板是国内厂家自己生产的,其质量有待改进。

  1.2.2 S7-300PLC及各输入输出模块构成的网络控制系统[2]

  放在电缆连接柜内的PLC主站(S7-300 CPU315-DP)通过PROFIBUS-DP背部总线与放置在四个直流传动柜内的从站及放置在司钻手轮箱和司泵手轮箱内的从站相连,通过预先设定好的程序,进行通讯。SIMATIC S7-300PLC系统硬件组成主要有:1)CPU模块;2)数字量输入模块SM321(DI),这个模块分为交流输入和直流输入两种方式,对于现场输入原件,只要求提供开关触点,输入信号进入模块后,都经过光电隔离和滤波,然后才送至输入缓存器,等待CPU采样;3)模拟量输入模块331(AI),这个模块主要由A/D转换部件,模拟切换开关,补偿电路、恒流源、光电隔离部件及逻辑电路等集成在一起,A/D转换采用计分方法;4)模拟量输出模块(AO),这个模块可以输出电压也可输出电流,采用内部继电器控制;5)PS307电源模块,输出直流24V电源,供给CPU及各模块使用。

  1.2.3 司钻电控台及司泵电控台

  司钻电控台由不锈钢材质制成,水密结构,防护等级为IP56,内有充气装置,平时为正压防爆。司钻电控台具有四个可控硅控制柜的选停,绞车、泥浆泵及转盘的选停和调速功能,还有运行显示和故障报警的功能。还能够对于应急事件进行紧急停车。

  司泵电控台由不锈钢材质制成,水密结构,防护等级为IP56。司泵电控台具有泥浆泵现场启停和调速功能。其选停和司钻电控台的选择形成互锁,以达到本质安全的目的。

  1.3 软件系统

  1)6RA70装置的系统软件已经固化在的EPROM中,初始调试过程中,只需要根据设备实际参数和外围电路情况,对内部调节器做一些逻辑选择,定义输入、输出端口,定义内部连接量和运算器的工作,即可实现系统控制。在实际使用过程中,还可以根据需要进行相应的连接量的定义,实现使用者对系统的自我改造。   (1)转速调节器:转速调节器是将转速给定值与实际值进行比较,根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送给电流调节器(原理:带有电流内环的转速调节)。转速调节器是PI调节器,在设备安装上之后即可进行转速调节器自动优化,还可以通过手动改变参数,如比例增益和积分时间等,从而实现转速环的最优控制;

  (2)电流调节器:电流调节器是具有相互独立设定的P-放大值和调节时间的PI调节器。电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测,经过负载电阻,整流,再经过模/数转换后送到电流调节器。电流调节器的输出形成触发装置的控制角。

  2)S7-300PLC程序的编制,都是借助STEP 7编程库方便用户直接使用现成的运动控制指令,实现复杂的运动控制任务。S7-300的编程语言包括梯形图、语句表和功能块。对于已经成型的产品,其程序已经编好,并存放在智能存储卡中,程序运行时直接调用,在使用过程中若发现有不合适的地方,用户还可以用编程电缆自己对程序进行修改和编程,以使程序更好的服务于过程控制。

  2 系统评价

  胜利四号平台通过对原有直流驱动系统改造,由原有的模拟控制改为了数字控制,有其优点,但是也存在一定的不足之处,下面简要说明。

  2.1 系统优点

  1)系统运行稳定。西门子直流传动技术在国际上比较先进,系统控制单元运行可靠,内部数字电路的应用,减少了过去使用模拟运算电路所带来的运算误差,排除了以前模拟元件老化所带来的系统性能不稳定的现象;2)6RA70控制单元内有多种运算模块,其参数均可修改,可以优化设备运行,还可以通过修改参数,实现不规则函数运行,现场人员可以通过更改参数实现各种复杂的运算;3)控制单元内设置有多重保护功能,并可以实现保护输出,实现逻辑互锁,防止各类误操作的发生,提高了设备的本质安全性。

  2.2 系统缺点

  1)系统比较复杂,接口较多,新手必须经过长时间摸索才能掌握;2)脉冲放大板为厂家自己生产,质量一般,容易损坏。

  总体来说,经过升级改造,提高了系统的稳定性和可更改、可操作性,减少了现场技术人员的维护强度,减少了工作量。在提高系统稳定性的同时,减少了系统故障率,减少了由此带来的钻井生产的时间消耗和复杂情况的发生。

  3 结论

  当前,国内大多数厂家在对原有系统升级改造过程中都选用“小马拉大车”的设计思路,在使系统提升了一个档次的前提下,减少了成本投入,是一种很好的尝试。在使用这种改造方式的过程中,应该加强对于自制元器件的质量监控,保证系统不会因为这些元器件的故障发生问题,继续完善这个系统。

 

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