电动钻机发电机功率均衡的设计

电动钻机发电机功率均衡的设计摘要：针对发电机功率均衡在电动钻机中应用的特性，设计了一种以功率变送器作为检测元件，PLC为控制中心，采用多输入多输出模糊控制算法的实现方法。关键词：功率均衡PLC模糊控制DesignofPowerEqualizationofGeneratorforElectricDriveDrillingRigAbstract：accordingtothecharacteristicofpowerequalizationofgeneratorforelectricdrivedrillingrig,designasyetemwhichusepowertransducerasdetectcomponent,plcasacontrolcenterandadoptmulti-input&multi-outputfuzzycontrolArithmetic.Keyword：powerequalizationplcfuzzycontrol电动钻机动力系统由多台柴油发电机组组成，发电机在满足并联运行的条件下通过并车控制并入动力系统。这可使发电机在额定负载下运行，提高了经济性；当其中的任一台出现故障或停机检修时钻机可不间断作业，提高了可靠性；当并联运行时，系统容量增加，使得电压和频率更稳定，提高了供电质量。而保证发电机并车后可靠稳定运行的关键是：在各种钻井工况下，发电机组间的功率均衡或按比例分配。主从控制方式是电动钻机中应用最广泛发电机并车控制方式，它控制各机组的有功功率电流和有功功率反馈电压相等，这就可以实现发电机的有功功率均衡分配[1]，但由于给定信号精确性和调速器的也存在非线形等缺陷，使系统设计的结构复杂。本文提出一种新的功率均衡实现方法，以下就该实现方法的硬件设计和软件设计展开论述。一系统硬件设计单台柴油发电机控制原理图见图1，从图可知，系统采用双闭环控制，外环转速，内环以功率作为控制参量，这样可满足发电机的个体差异和长时间运行后性能的变化，从而保障钻机电力供应的稳定可靠。调速器调速器执行器柴油发电机组转速反馈功率反馈给定图1单台柴油发电机控制原理图该系统采用西门子S7-400可编程控制器作为控制中心，以有功功率变送器为主要检测器件，硬件框图见图2。有功功率变送器用来检测各发电机的有功功率P，将该信号送入PLC的模拟量输入模块处理，之后，由PLC的模拟量端口输出电压叠加到调速器。同时也可将有功功率P信号作为动力系统的功率反馈信号和驱动系统功率限制信号，使发电机稳定可靠运行。功率变送器功率变送器S7-400PLC功率变送器功率变送器P1P2P3去调速器来自发电机U1U2U3图2系统硬件示意图S7-400PLC硬件组态包含模拟量输入输出模块，按两线制连接，其量程卡选B。S7-400有多个CPU，4个累加器，较大的存储空间，块嵌套可多达16层，块的长度可达64KB，二进制指令执行时间不超过0.1uS[2]。有功功率变送器采用电磁隔离原理，它结构简单，安装简易，过载能力强，性能可靠，其接线如图2所示，技术性能指标如表1：表1有功功率变送器技术性能指标输入范围输出类型辅助电源静态功耗响应时间隔离耐压精度等级500VAC+10V+12VDC800mW600mS2500VDC0.5二系统软件设计根据被控对象的特点，系统采用多输入多输出模糊控制。由于模糊控制不要求知道控制对象的精确数学模型，对于非线形，强耦合等复杂系统仅需提供现场操作人员或专家的经验知识及操作数据。模糊控制用语言变量代替常规的数学变量，采用“不精确推理”来模拟人的思维过程[3]。由于目前对多输入多输出研究还不够深入，加之人对具体事物在逻辑思维上通常不超过三维，故而在实际工程中广泛应用还有一定困难[4]。本文采用非解解析化的方法减弱变量间的耦合，简化模糊关系，能够满足工程设计的要求。现定义P1，P2，P3分别为#1，#2，#3发电机的有功功率，作为可编程控制器的输入；而#1发电机与#2发电机及#3发电机的功率差为△P12，△P13其论域为[-50,50],模糊子集{NM,NS,ZO,PS,PM},隶属函数如图4(a)。U1，U2，U3可编程控制器的输出，作为修正量分别叠加到各自的执行器，从而使发电机的P1，P2，P3接近。其论域为[-20,20],模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隶属函数如图4(b)。例如：当P3＞P1＞P2，则U1输出接近零，U2，U3可以输出较合适的修正值，根据操作经验总结模糊控制规则表见表2。U1△P12△P13PMPSZONSNBPMNMNSNSZOPSPSNSNSZOZOPSZONSNSZOPSPSNSNSZOZOPSPSNMNSZOPSPSPMU2△P12△P13PMPSZONSNBPMPSZONSNMNBPSPSZOZONSNMZOPMPSZONSNMNSPMPSZOZONSNMPBNMPSZONSU3△P12△P13PMPSZONSNBPMPSPSPMPMPBPSZOZOZOPSPMZONSNSZOPSPSNSNMNSNSZOZONMNBNMNMNSNS图4(a)图4(b)模糊控制的实现就在于控制算法的编制，在此采用SIEMENSSTEP7集成开发软件来完成。在程序中运用结构化编程思想，其具体结构为：OB1为主程序，系统在上电后执行完启动程序后，就循环执行OB1，它要完成对功能块FB1的调用，主程序见图5。DB1中主要包含模糊规则表，其中元素采用ARRAY数据类型。图5主程序四结论设计过程证明该电动钻机发电机并车功率均衡设计其结构简洁，可靠性好；软件结构化程度高，可重用性较好，并且该程序设计可通过变量观察表实时监测。同样地，以上设计思路可应用到发电机无功功率均衡及多台柴油发电机组的模糊控制。系统设计有较大的实际价值。参考文献[1]李育良，电动钻机电气控制系统，西北工业大学出版社[M