獨(dú)立轉(zhuǎn)盤變頻改造

1、石油鉆機(jī)獨(dú)立轉(zhuǎn)盤變頻改造丁寶東（勝利油田高原石油裝備有限公司，山東 東營(yíng) 257013）摘要： 本文以勝利油田黃河鉆井五公司40666井隊(duì)轉(zhuǎn)盤變頻改造為例，論述了變頻器在石油鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：石油鉆機(jī)；轉(zhuǎn)盤；變頻改造；PLCFrequency Conversion Transforming on Independent Rotary Table of Drilling RigDing Bao-dong(Shengli Oil Field Highland Petroleum Equipment Co., Ltd., Shandong Dongying

2、257013 )Abstract：The paper takes frequency conversion transforming on independent rotary table of Crew 40666 in Huanghe Drilling Co. of Shengli Oil Field for an example. Application of frequency converter in electric driving system of drilling rig is introduced. In addition, total system scheme is e

3、xpounded.Key words: Drilling rig; Rotary table; Frequency conversion transforming; PLC中圖分類號(hào): TP273 文獻(xiàn)標(biāo)示碼: A1 引言隨著石油鉆機(jī)的發(fā)展，無(wú)論是交流、直流電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，還是機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)（半電動(dòng)）石油鉆機(jī)，對(duì)于轉(zhuǎn)盤的獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)方式得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)更趨向于對(duì)于轉(zhuǎn)盤采取變頻的方式進(jìn)行控制。2009年2月，應(yīng)勝利油田黃河鉆井五公司機(jī)動(dòng)科的需求，對(duì)其下屬40666井隊(duì)一套ZJ40DB鉆機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)盤變頻改造。與轉(zhuǎn)盤的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式相比，變頻驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤具有調(diào)速方便、響應(yīng)快速、節(jié)能等重要優(yōu)點(diǎn)

4、，同時(shí)，可以大幅度降低司鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度。原鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤部分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式，而原有ZJ40DB鉆機(jī)電控系統(tǒng)采用應(yīng)急操作模式控制，沒(méi)有采用目前在電控系統(tǒng)中廣泛使用的總線技術(shù)，無(wú)法在原有電控系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)獨(dú)立轉(zhuǎn)盤電控房和獨(dú)立司鉆臺(tái)，以總線模式和應(yīng)急模式兩種方式完成對(duì)于轉(zhuǎn)盤的變頻改造。2 總體方案新配轉(zhuǎn)盤電機(jī)為永濟(jì)電機(jī)廠產(chǎn)品，主要電氣參數(shù)如表1所示。我們選擇SIEMENS變頻器規(guī)格為600VAC，630KW，型號(hào)為6SE7136-5HG62-3BA0，完全滿足電機(jī)應(yīng)用要求。表1 轉(zhuǎn)盤電機(jī)參數(shù)型 號(hào)YJ23B額定功率(kW)600額定電壓(V)600額定輸入電流(A)714額定轉(zhuǎn)速(r/mi

5、n)660恒功最高轉(zhuǎn)速(r/min)1060額定頻率(Hz)335額定轉(zhuǎn)矩(N.m)8684極 數(shù)6冷卻風(fēng)機(jī)參數(shù)11KW 380V 50Hz綜合考慮鉆井五公司機(jī)動(dòng)科對(duì)此項(xiàng)變頻改造的具體要求，我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)方案圖如圖1所示。系統(tǒng)動(dòng)力電源從原VFD房預(yù)留的頂驅(qū)電源接口取得，經(jīng)轉(zhuǎn)盤電控房的對(duì)外接線板接入房?jī)?nèi)主開(kāi)關(guān)Q1，另外有斷路器Q2向房?jī)?nèi)變壓器供電，產(chǎn)生400/230VAC電源，供控制電源、風(fēng)機(jī)、油泵、房?jī)?nèi)照明、插座等使用。圖1 轉(zhuǎn)盤變頻改造方案將本系統(tǒng)具體為以下三個(gè)部分：1) 轉(zhuǎn)盤電控房房體由兩部分組成，左側(cè)為轉(zhuǎn)盤電控房主體，右側(cè)為電纜儲(chǔ)藏室。房?jī)?nèi)由三臺(tái)柜體組成，分別是綜合控制柜，開(kāi)關(guān)柜，轉(zhuǎn)盤變頻

6、柜。綜合控制柜柜內(nèi)設(shè)有PLC總線系統(tǒng)，完成轉(zhuǎn)盤控制工藝的邏輯功能、保護(hù)功能、監(jiān)控功能及其他輔助功能。柜內(nèi)還裝有繼電器應(yīng)急控制系統(tǒng)（又稱旁路系統(tǒng)），當(dāng)PLC或總線故障時(shí)，應(yīng)急控制系統(tǒng)可以完成基本的轉(zhuǎn)盤操作功能。另外配備600/400變壓器一臺(tái)，海爾空調(diào)兩臺(tái)，170KW制動(dòng)電阻一臺(tái)等。轉(zhuǎn)盤電控房布局圖如圖2所示。圖2 轉(zhuǎn)盤電控房布局圖2) 轉(zhuǎn)盤司鉆臺(tái)司鉆通過(guò)操作轉(zhuǎn)盤司鉆臺(tái)上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、給定手輪和按鈕等可以控制轉(zhuǎn)盤的各種工況以及緊急停機(jī)。司鉆臺(tái)面板上安裝的主要器件是可供司鉆工操作的操作元件與顯示儀表板。操作元件包括按鈕、功能選擇開(kāi)關(guān)、給定手輪、轉(zhuǎn)盤力矩限制旋鈕等。顯示儀表板上主要有儀表和指示燈。3)

7、 轉(zhuǎn)盤電機(jī) 電機(jī)是整個(gè)變頻改造的控制目標(biāo)和中心。通過(guò)SIEMENS 6SE71變頻柜對(duì)轉(zhuǎn)盤電機(jī)的控制，可以可靠地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速及扭矩限制功能。3 系統(tǒng)軟件進(jìn)入20世紀(jì)90年代，石油鉆機(jī)的控制系統(tǒng)已由模擬式控制技術(shù)逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)字式控制技術(shù)，由繼電器控制模式逐步轉(zhuǎn)化為總線智能控制模式，并繼續(xù)朝著智能化控制方向發(fā)展和改進(jìn)。由于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)比較成熟，可靠性高，模塊化功能強(qiáng)大，組態(tài)靈活方便，故障率低，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)中。40666井隊(duì)獨(dú)立轉(zhuǎn)盤變頻改造設(shè)立兩種控制方式，PROFIBUS-DP總線控制方式和繼電器應(yīng)急控制方式。其中，總線控制方式是

8、正常狀態(tài)時(shí)使用的，繼電器應(yīng)急控制系統(tǒng)在系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)急使用。本節(jié)以總線控制方式為主進(jìn)行介紹。獨(dú)立轉(zhuǎn)盤電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下部分組成：1) 1個(gè)SIEMENS S7-300 PLC，型號(hào)為：6ES7 315-2AG10-0AB0；2) 1個(gè)SIEMENS 6SE71變頻柜，型號(hào)為：6SE7 136-5HG62-3BA0；3) 1個(gè)SIEMENS ET200遠(yuǎn)程模塊，型號(hào)為：6ES7 153-1AA03-0XB0；4) SIEMENS DI模塊，DO模塊，AI模塊。電傳動(dòng)系統(tǒng)中的變頻柜、PLC以及遠(yuǎn)程模塊，采用最少的硬件連接，依靠PROFIBUS-DP協(xié)議進(jìn)行通信。硬件組態(tài)和軟件編程工作均在STEP7

9、/5.4 SP4軟件中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3所示。圖3硬件組態(tài)圖首先在STEP 7中組態(tài)一個(gè)S7-300站，其中集成DP口選擇為主站模式。然后，在PROFIBUS-DP的硬件列表中，按照實(shí)際器件型號(hào)，選擇對(duì)應(yīng)的硬件從站型號(hào)，拖拽到DP主站總線上，每一臺(tái)硬件從站設(shè)備都需要設(shè)定好單獨(dú)的PROFIBUS-DP地址。這樣，電傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件組態(tài)過(guò)程就完成了。接下來(lái)進(jìn)行軟件程序部分的設(shè)計(jì)工作。程序部分界面如圖4所示。圖4 軟件程序塊首先，在S7塊中插入OB1,OB82,OB86,OB87,OB100,OB122，完成系統(tǒng)診斷檢測(cè)、IO檢測(cè)、導(dǎo)軌檢測(cè)、暖啟動(dòng)檢測(cè)、通信檢測(cè)等功能。OB1作為軟件的主處理程序

10、，主要完成對(duì)于各功能的順序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)盤和自動(dòng)送鉆等控制對(duì)象的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集。在OB1中，首先對(duì)系統(tǒng)設(shè)置故障進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)外部控制進(jìn)行必需判斷后，當(dāng)設(shè)置為總線模式時(shí)，順序調(diào)用執(zhí)行軟件中的各功能，并對(duì)通訊數(shù)據(jù)塊DB100中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；當(dāng)設(shè)置為應(yīng)急模式時(shí)，OB1中程序直接跳出，執(zhí)行NOP循環(huán)。4 變頻器參數(shù)設(shè)置西門子變頻器在使用的時(shí)候，必須要進(jìn)行以下兩步操作：系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)置，用戶參數(shù)設(shè)置。依據(jù)6SE70變頻器矢量大全專家設(shè)置說(shuō)明，進(jìn)行變頻器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，優(yōu)化中的主要參數(shù)有：p100=3； 無(wú)測(cè)速機(jī)的速度控制p101=600； 電機(jī)額定電壓p102=600； 電機(jī)額定電流p104=0.8

11、3； 電機(jī)額定功率因數(shù)p107=33.5； 電機(jī)額定頻率p108=660； 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速p113=8684； 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩p130=10； 無(wú)電機(jī)編碼器p339=3； 無(wú)邊緣調(diào)制系統(tǒng)。優(yōu)化完成后，進(jìn)行用戶需要的參數(shù)連接，用戶參數(shù)主要包括BICO控制，地址控制，使能控制，給定控制，轉(zhuǎn)矩控制，方向控制，數(shù)據(jù)控制等類型。BICO控制： P590=16地址控制： P918=3使能控制： P554.1=3100 .2=22給定控制： P443.1=3002 .2=11轉(zhuǎn)矩控制： P493.1=3004 .2=13P499.1=458 .2=459U98=3004U99=13方向控制： P571.1=31

12、11 .2=12P572.1=1 .2=1數(shù)據(jù)控制： P734.1=32 .2=148 .3=33 .4=24最后對(duì)控制字進(jìn)行逐位校驗(yàn)，便完成了對(duì)于變頻器的參數(shù)設(shè)置工作。5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 2009年在4月，本套轉(zhuǎn)盤變頻改造系統(tǒng)在40666鉆井隊(duì)投入使用，運(yùn)行效果良好，現(xiàn)場(chǎng)司鉆工可以非常容易地進(jìn)行轉(zhuǎn)盤的變頻操作。目前該系統(tǒng)在井隊(duì)運(yùn)行正常，得到了40666井隊(duì)和黃河鉆井五公司機(jī)動(dòng)科領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)和歡迎。 參考文獻(xiàn)1 廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). 深入淺出西門子S7-300 PLC. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20043 西門子. SIMOVERT MASTERDRIVES使用大全. 西門子電氣傳動(dòng)有限