电气自动化在海洋石油模块钻机中的运用现状分析

电气自动化在海洋石油模块钻机中的运用现状分析

刘晓林

（中海油田服务股份有限公司广东湛江524000）

摘要：模块钻机是海洋石油开采中利用的一种较便捷经济的开采方式，在我国目前的石油开采行业发展中取得了较广泛的应用，同时也取得了较好的发展。电气自动化技术的快速发展在很大程度上提升了我国海洋钻井作业的工作效率，为我国海洋石油开采提供了技术保障。在传统的石油开采过程中，虽然也取得了一定的成绩，但是还是存在着一定的缺陷，主要的缺点表现为可开采海洋作业水深限制，石油开采作业效率低以及石油开采的施工成本较高等。电气自动化技术在海洋石油开采的过程中的推广运用有效地避免传统石油钻机技术的缺点，提高了石油开采时效，降低了石油开采成本，特别是在低油价的环境下为石油工业发展的带来了生机。目前我国海洋石油模块钻机的多项自动化技术都取得了大幅度的提升，其中进步较为明显如PLC技术、变频技术等运用。

关键词：电气自动化；模块钻机；交流变频传动；PLC控制

电气自动化：控制理论和电力网理论是电气工程及自动化专业的基础，电力电子技术、计算机技术则为其主要技术手段，同时也包含了系统分析、系统设计、系统开发以及系统管理与决策等研究领域。该专业还有一些特点，就是强弱电结合、电工电子技术相结合、软件与硬件相结合，具有交叉学科的性质，电力、电子、控制、计算机多学科综合；在海洋石油模块钻机运用主要体现在自动电站、PLC控制及变频技术等。

模块钻机（modularizeddrillingrig），海上石油固定平台模块钻机的简称，由钻井设备系统模块、钻井支持系统模块、散装罐模块、固井模块、测井模块和录井模块等组成

模块钻机通常由动力驱动系统、旋转系统、控制系统、钻机底座、起升系统、钻机辅助设备系统、钻井液循环系统以及传动系统等八个系统组成，其控制系统通过运用内设PLC、全数字控制技术、三级网络系统以及网络技术建立起具备网络化、智能化和自动化的钻机控制系统以及设备管理系统平台，不仅将钻井仪表参数的记录、显示和存储结合了起来，还完成了远程通讯钻机信息系统及对钻机电、气、液的控制，大大降低了事故的发生概率，提高了石油钻井的安全性。

动力系统主要是由发电机及控制系统、变频控制系统组成。一个典型的发电机控制系统框图如下：

发电机控制系统主要由：发电机综合管理器（例：PPM-3）、发电机调压器（例：DECS-100）、发电机调速器（例：2301E）、同步控制器（例：SPM-D11）

发电机综合管理器PPM-3

PPM-3的主要功能:

1.控制发电机的启停机，断路器分合闸。启停机分为全自动和半自动。完整的起机过程：每一台起机后自动怠速60S后，通过速度斜坡达到额定转速1500RPM。半自动第一台自动起机。第一台起机后自动合闸。第二台需要手动起机，手动合闸。全自动起机由功率管理(>75%)时来触发。停机：半自动停机需要手动停机，停机冷却时间180S。最后一台需要强制停机。全自动停机由功率管理(<50%)时来触发。

2.辅助调节发电机的转速/频率、电压来并车与负荷分配。在全自动与半自动时调节激活，手动模式（SWBD)PPM-3不参与调节。辅助速度调节，输出最大+/-3V的电压信号给2301E实现并车与有功分配时的频率微调节。辅助电压调节，输出最大+/-3V的电压信号给DECS-100实现并车与无功分配的电压微调节。

3.对发电机进行保护，过/欠压，过/欠频，过电流，逆功保护，瞬时电流保护等。报警：过功率报警95%；柴油机报警：缸套水位低，中冷水位低。跳闸保护：过压跳闸起点：105%欠压跳闸起点：95%；过频跳闸起点：105%；欠频跳闸起点：95%；逆功跳闸起点：-8%。

4.PMS，实现重载问询与功率管理。

功率管理：在全自动模式下，根据消耗功率来自动启动/停止发电机。当在线的发电机有功>75%时，会自动启动下一台发电机并自动并车。当在线的发电机有功总和除以在线数量-1<50%时，会自动解列一台发电机并冷却停机。

电压调节器DECS-100

DECS-100数字式电压调节器为发电机控制柜中比较重要的元件，它按AVR工作方式通过励磁输出来控制发电机端电压，同时接收PPM-3传输过来的微调信号(+-3V)对电压进一步校正，以保证控制精确。DECS-100在手动模式下也可以通过旋钮来调节电压大小。自动电压调节模式：自动电压调节模式下，DECS-100调节对象是发电机的输出电压。DECS-100通过检测发电机的输出电压、调整输出的励磁电流、维持发电机的输出电压在给定值。给定值可以通过电压增/减输入节点、辅助输入等调整。手动电流模式：手动模式下，DECS-100维持励磁电流在一定的等级，电流等级可以设定，通过增/减输入或者软件设定参数。

发电机数字负荷分配与速度控制器2301E

2301E系统有如下功能：速度控制功能：同步运行，KW有差运行，速度有差运行；负荷控制功能：同步负荷分配，同步基本负荷，柔性加载/卸载；发电机带有负荷时的同步/有差运行转移功能；燃料限制功能，启动燃料限制，扭矩燃料限制，歧管燃料限制，最大燃料限制；同步速度控制；KW有差速度控制。

SPM-D11为同步控制单元

SPM-D11为同步控制单元它检测发电机输出的电压、频率和相位；而且还要检测电网上的电压、频率和相位，并将两者进行比较。若检测值在设定范围内，则执行合闸并网；若检测值不稳定，则SPM-D11自动进行电压和频率的微调，直到满足并网要求。由于SPM-D11用于手动并车控制，而且是一个公用的，所以SPM-D11用于并车的判断与允许并车的信号输出。手动并车时需将发电机打到手动，机旁启动发电机。手动调节第一台发电机的速度与电压，稳定在600V与50Hz，将同期柜发电机选择旋钮选择到要合闸的发电机，按下同期柜的合闸按钮。机旁启动第二台发电机，手动调节第二台发电机让其频率稍稍高于50Hz，观察同期柜同步表，在同步表接近同步指示时，按下合闸按钮。两台发电机是否具备并车合闸条件是SPM-D11控制的。所以就算直按下合闸按钮，也要等到具备合闸条件了之后，合闸命令才会发出去。

交流变频传动:

交流变频传动系统包括输入电源、变频调速装置（变频器）、控制系统、终端负载（交流变频电机）等。其核心装置为变频调速装置（变频器），依靠控制变频器输出实现对终端电机（负载）的交流传动控制。

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

交-直-交变频器（AC-DC-AC），则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。海上钻井平台常用的ACS800系列，西门子S120系列、6SE70系列均为此种类型。

交-交变频器（AC-AC），即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。

PLC控制系统:

PLC是ProgrammableLogicController简写，译为可编程逻辑控制器，专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。如今随着海上石油模块钻机对于电力驱动钻机的广泛应用，PLC成为其关键的编程逻辑控制器。下图为一典型的模块钻机PLC框图：

1.光纤环网

在光纤环网上的设备：CPU1、CPU2、司钻房触摸屏、同期柜触摸屏、发电机1-PPM3、发电机2-PPM3、发电机3-PPM3、发电机4-PPM3、同期柜交换机、DES工控机1、DSM工控机2。

2.ABPLC现场总线controlnet

Controlnet总线简称C网，Controlnet子网中的设备：CPU1、CPU2、DESIO从站1、DESIO从站2、送钻电机变频器、转盘变频器、绞车A变频器、绞车B变频器、泥浆泵A1变频器、泥浆泵A2变频器、泥浆泵B1变频器、泥浆泵B2变频器、泥浆泵C1变频器、泥浆泵C2变频器、司钻房IO从站、DSMIO从站1、DSMIO从站2；

3.ABPLC系统机架

硬冗余架构（两套PLC互为冷备系统）

CPU机架：ControlLogix系列：两个以太网模块、两个controlnet总线模块、两个CPU1756、一个同步模块；两个CPU需要通过同步模块进行同步，同步模块采用光纤通信。两个CPU切换的时候，会交换IP地址与controlnet地址。如机架1的CPU为主CPU，IP地址为192.168.0.1，机架2的CPU为从CPU，IP地址为192.168.0.2，当CPU切换主从时机架2的CPU变为主CPU，IP地址变为192.168.0.1.机架1的CPU变为从CPU，IP地址变为192.168.0.2

4.软件系统：

AB系统采用的为RSLogix5000EnterpriseSeries软件，此软件具有以下功能：易于配置，软件提供了图形controller管理器、I/O配置对话框、运动配置工具和点击配置方法。使用数组和用户定义的结构进行精密的数据处理，这使应用程序能够灵活多变，而不是迫使应用程序适应由controller数据表内存定义的特定内存结构。简单易用的I/O寻址方法；灵活的梯形编辑器允许同时修改逻辑的多个梯级以及从点击界面或通过ASCII输入提示符输入逻辑；灵活并且简单易用的继电梯形、功能块图、顺序功能图和结构化文本语言编辑器使您能够方便地创建应用程序。拖放编辑和导航使您能够快速地移动指令、逻辑梯级、功能块、routine、program和task，既可以在单个项目内移动，也可以在两份RSLogix5000EnterpriseSeries软件之间移动以创建项目库；健壮而专用的继电梯形、结构化文本和功能块图语言指令集。这些指令包括用于过程、驱动和运动应用程序的业界专用指令。允许您处理、存储和发送字符串数据的ASCII指令。以及用于简化许多设备之间的数据发送和接受的消息指令。逻辑应用程序组织和直观的编程环境，在此环境中，与IEC61131-3一致的Logixcontroller多任务操作系统提供了易于理解的图形树，这个图形树包含task、program和routine，并按它们在应用程序中的操作对其进行分组。诊断监控功能，即使用其它RockwellSoftware产品中的TrendX组件来提供图形化实时数据直方图来诊断和监控功能，从而允许您同时对多达8个不同的值运行趋势；此外，语言编辑器、Tag编辑器和数据监控器全都包含一个快速交叉引用工具，该工具允许您快速定位到特定的tag、说明文本、编辑或指令。能够强制设置值以针对各个位、tag、位和块指令以及完整的值测试逻辑。您可以指定完全controller访问权、只读访问权以及代码读取和数据读/写访问权以及使用源代码保护功能来保护各个routine。高度集成的运动支持。能够创建对于您的工作流程而言最合理的工具窗口布局，从而节约空间和时间。通过详尽的联机帮助系统、指令集参考或集成的联机教程提供的随需应变帮助。提供了已进行翻译的联机帮助版本和.pdf格式的硬件手册，所有软件菜单和对话框都提供了英语、法语、德语、意大利语、葡萄牙语和西班牙语版本。

这套系统将4台柴油发电机、3套泥浆泵、钻井绞车、转盘及自动送钻单元都由AB的PLC系统进行控制，并可以实现司钻操作台、DES配电间同期柜、DSM配电间综合控制柜进行数据、工况、等显示、查询。单这套系统没有能够实现将顶驱、钻井仪表、灰罐称重系统纳入到同一PLC系统中，而是由各自单独的系统进行控制。这样存在资源浪费、空间占用多、总体造价相对较贵等不足。现在部分海上模块钻井可以采用西门子ST1500PLC系统实现将变频器、钻井仪表、顶驱系统、灰罐称重系统融为一体，这样节省了空间又相对经济。

系统化、集成化、智能控制、远距离监控是海洋石油模块钻机发展的大方向，这样可以节省人力物力、降低成本和人员伤害危险因素，提升海洋石油开采的效率及安全因素。而现阶段采用的PLC、VFD等都还主要依赖进口，国产产品的利用率不高，有很大提升空间，近几年随着海洋石油开发的发展，海洋石油模块钻机的新建也如雨后春笋，国产PLC、VFD的研发并投入使用将改变对进口产品过度依赖现状；解决进口产品订货周期长、价格高、售后服务成本高等难题；对降低海洋石油开采成本，提升海洋石油开采效率有极其重要的意义。

参考文献

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