基于plc的电动钻机自动启动和并网的研究

基于plc的电动钻机自动启动和并网的研究

优良的电磁机的可靠性是主要因素的。随着钻井技术的发展,特别是对一些高难度井和复杂井,以及在特殊作业中对关键设备必须连续提供动力。如果在这时突然停电,那么一个自动启动并网的应急电源系统就尤为重要,当钻井二公司的也门906钻井队投标世界第四大石油公司TOTAL公司在也门的钻井项目时,甲方就提出必须配备应急发电机,不然我们将要失去这个项目。通过讨论、实践最终解决了这个问题,得到甲方的认可。提出一个以PLC为控制核心的应急发电机的自动启动系统。1电动钻机主要用电设备电动钻机的供电网是将柴油机发电机组提供的三相交流电源转换成钻机所需要的各种形式的交直流电源,驱动各种功能的电动机。一个完整的供电网可由两个部分组成:工作电网和应急电网。工作电网是电动钻机电气系统的主要部分,按作用功能可分为以下四个部分:交流电源;可控硅整流电源;直流配电;交流配电。交流电源:柴油机;同步无刷发电机;断路器;交流母线;交流控制回路。作用:向电网提供一个稳定的交流电源。可控硅整流电源:整流桥;整流控制回路。作用:将发电机组提供的交流电源转化成一个可以连续可调的直流电。直流配电:逻辑控制电路;直流断路器。作用:在逻辑电路的控制下利用直流断路器将直流电传输到不同的直流电动机。交流配电:变压器;MCC;交流用电设备。井场除了直流电动机以外,还有很多交流用电设备需要电源。应急电网:柴油发电机组;自动启动和并网电路。但是现在很多电动钻机没有配套该套系统。钻井二公司也门906电动钻机的电网组成是3台CAT3512柴油发电机组和2台VOLVO发电机组。3台CAT3512发电机组作为主发电机组,给工作电网提供电源。VOLVO发电机组给井场380/220V用电设备供电。2地方照明及应急消防泵在生产过程中如果主发电机组因为故障突然停电,没有备用的电源继续供电,很可能造成事故。在应急情况下,应急电网至少有能力向以下设备供电:(1)重要区域照明,如钻台、循环罐、机房、可控硅房、井场办公室。(2)通讯设备。(3)井口防喷设备。(4)应急消防泵。另外甲方要求,不仅要满足以上的要求,而且应急发电机还要提供足够的动力驱动一台泵或绞车,因为该项目设计有几口水平井,设计水平井段长度860m,并且水平轨迹成倒U型,一旦钻具在井里长时间静止,很有可能造成全井报废或大量的钻具被埋在井里的严重后果,因此这也给我们的设备提出超常的要求。3柴油发电机钻井二公司也门906电动钻机的电网是两个相互独立的系统,3台CAT3512柴油发电机组产生600V、60Hz三相交流电,主要给泥浆泵、绞车、转盘、压风机、循环罐和部分照明。2台VOLVO发电机组产生380V50Hz三相交流电给部分照明,防喷器、液压大钳、井场办公室照明,消防泵和部分固空设备。(1)另一台并网时的并网运动①在原有设备的基础上,将一台VOLVO发电机组作为应急发电机,另一台作为日常工作,同时这一台发电机组即可自动也可手动,当另一台在检修时这台也可以并网工作。分析上面提到的关键设备,需要的电源是三相380V和两相220V,因此我们可以把这些设备组成一个专门的网络通过一个断路器并在主电网上。②不用两台VOLVO发电机组,将CAT3512发电机组增加到四台,3台作为主站,另一台作为应急发电机组,或选用一台国产济南柴油机厂生产的3112(A12V190ZL)发电机组作为应急发电机组。(2)方案2:直冷剂+发电机第一种方案的优点:①改造投入少,成本低。②系统简单,容易完成。第一种方案的缺点:①VOLVO属进口设备,维护和保养成本高。②配件必须备用不同的两套,并且配件都很昂贵,增加库存成本。③由于VOLVO发电机组的输出电压380V/50Hz/400kW,因此,没法与主站并网,仅能满足基本的应急功能,一旦主站故障停电,这时应急发电机无法驱动绞车、转盘或一台泥浆泵,如果长时间停机很可能造成井下复杂甚至卡钻,根本无法满足甲方要求。第二种方案的优点:①采用4台CAT3512,形式单一,不需要额外备用配件,降低了库存成本。②采用3112(A12V190ZL),虽然设备型号增加,但准备的配件都是国产化,成本也很低,并且采购周期短。③3112(A12V190ZL)发电机组输出600V/60Hz/1280kW连续功率,因此无论采用CAT3512或是3112(A12V190ZL)发电机组,一台发电机组完全可以驱动绞车或一台泥浆泵,所以我们可以将其并入主站的公共母线,一旦主站故障停电,这时应急发电机可以很快并网,它不仅可以满足基本的应急功能还能驱动绞车、转盘或一台泥浆泵,钻具不致静止在井内,并且可以建立泥浆循环。满足了甲方的要求。④当一台机组出现故障,应急发电机可以转入手动状态启动,将其并网替换另一台工作,使它变为主发电机,这样在二开重负荷时不致因一台发电机故障而影响生产。因此,该方案也提高了系统的可靠性,这是第一种方案无法达到的。第二种方案的缺点:①前期投入费用高。②必须再增加一套发电机组控制系统。将这两种方案进行比较,不难看出第二种方案的优点远远大于第一种,就讨论采取第二种方案时应急发电机的自动启动、并网设计。(3)原理分析应急发电机运行无论采用CAT3512还是济柴的3112作为应急发电机,他们的自动启动系统的设计基本相同,无须分个介绍,该项目选用了济柴3112作为应急发电机。钻井二公司也门906队的配电系统图如图1。应急电站原动机一般采用一台独立冷却和供油系统的柴油机,并配有自动启动,并网装置,保证在主站失电0～45s内启动并网。应急电动机通常是主电网的一个部分,在正常情况下,这些用电设备的电源来自主发电机,只是在应急情况下由应急发电机组供电,因此应急发电机主开关EK与主发电机的断路器K1,K2,K3的逻辑关系是只有在K1,K2,K3全部断开EK才能闭和,以免误操作;但是,K1,K2,K3的闭和与EK无关。另外,为了充分发挥EG的利用率,EG设有“自动/手动”工况开关,“自动”时,EG做为应急发电机处在随时启动状态;“手动”位置时,EG可以做为主发电机使用,当特别在3台主发电机全部并网运行,其中一台出现故障时,GE可以手动启动并网。这样大大提高系统的稳定性。同时也提高了该钻机的总共率。机组的运行工况自动启动:当正常供电出现故障(断电)时,机组能自动启动、自动升速、自动合闸,向电网供电。自动停机:当正常供电恢复,经判断正确后,控制切换开关,完成应急电到正常电的自动切换、然后控制机组降速到怠速、停机。自动保护:机组在运行过程中,如果出现油压过低(小于0.3MPa)、冷却水温过高(大于95℃)、电压异常故障,则紧急停机,同时发出声光报警信号,提醒维修人员进行检修。三次启动功能:机组有三次启动功能,若第一次启动不成,则第二次启动不成功,则延时后进行第三次启动。三次启动只要有一次成功,就按预先设置的程序运行下去;若连续三次启动均不成功,则视为启动失败,发出声光报警信号。自动维持准启动状态:机组能自动维持准启动状态。此时,机组的自动性周期性预供油系统、油和水的自动加温系数、蓄电池的自动充电装置投入工作。具备手动、自动两种操作模式。(4)系统管理的硬件设计应急发电机用plc代替识别元件PLC也叫可编程控制器,它是以微处理器为核心,综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点,近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛应用。因此,应急发电机利用PLC的代替以前的电子元件的继电器控制技术有很多优点,它主要通过软件控制,从而省去了硬件开发工作,外围电路很少,大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力;由于它简单易行的可编程序功能,无须改变系统的外部硬接线,便能改变系统的控制要求,使系统的“柔性”大大提高。管理系统硬件设计下面用PLC实现对柴油机自启动的控制。电路设计见图2所示。资源辅助控制部分设计说明:控制面板上有“手动/自动”选择按钮,平常将其打到“自动”位置以备应急状态,打到手动位置时,可以人为启动该发电机并将起并网运行。J4/J2/J3继电器对应“停机/怠速/运转”选择按钮。“启动”、“合闸”、“分闸”按钮,分别由J5、J7、J8继电器控制。速度继电器、电压检测、水温、油压都是外部开关信号。失电开关由主站各个发电机的断路器的辅助触点控制,当1～3号柴油发电机发生故障时,各机组的断路器K1～K3断开,其辅助触点使失电开关闭合。原始状态:柴油机处于“停机”状态,开关A闭合,开关B、C断开。一次启动过程:当突然发生故障(全部断电)后,失压开关闭合,经过5s确认,J2工作使开关A打开B闭合,使柴油发电机处于怠速状态;同时J1使启动马达运转5s,如果柴油机启动运行,在速度上升到700～800转时速度传感器工作,这时J3工作使开关C闭合,A、B打开,柴油机的转速升到额定转速1200转,发电机开始发电,电压正常后,电压正常开关闭合,这时J7工作断路器KE的合闸线圈得电,从而断路器KE闭合,应急发电机开始向电网送电。整个启动过程到此完成。三次启动过程:若一次启动失败后,则速度继电器仍在原位,由PLC内部的定时器来进行控制再次启动,以10s作为一个周期,三次启动时间约30s,32s后输出报警。启动失败及柴油机停机:启动失败后,系统进程50s后,J4工作使开A闭合,B、C断开,柴油机回到停机状态。模拟量的转换根据应急机组的自动的控制要求,所需PLC的输入点数为14个,输出点数8个。系统的控制量基本上是开关量,只有电压和转速是模拟量,为了降低成本,可以通过检测电路把模拟量转化成开关量、如电压监测可以用电压保护器代替。这样可以选用不带模拟量输入的PLC。经过对比分析,选用西门子的S7-200小型可编程序控制器,它可靠性高,体积小,输入点数为14个,输出点数是10个。电源输入、输出电压均为2