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DB交流钻机电控系统概述

交流钻机电控系统概述
（ZJ50DB钻机电控系统）

一、系统概述
ZJ50DB钻机采用先进的ABB全数字交流变频控制技术，该钻机电控系统能够满足5000m钻井工艺要求，能够实现绞车四象限运行完美的实现绞车从0速到给定速度的无级调速，优秀的DTC（直接转矩控制）控制性能满足绞车在重载下的低速运行及零速悬停。绞车分单、双电机运行方式运行，由 2 台 800kW 交流电机驱动，最大钩载达到450T。2 台泥浆泵各由 1 台 1200kW 交流电机驱动。泥浆泵闭环恒速控制可满足钻井工况对泵冲的精确要求。转盘采用独立驱动方式，由 1 台 800kW 的交流电动机驱动，具有低速运行及零速零速大扭矩停车功能，完备的系统控制可防止转盘在负载扭矩突然增大时发生倒转。自动送钻由 1 台 45kW 交流变频电机驱动，实现小电机恒钻压、０－３６m/h恒钻速控制。另外 1 台 1250KVA 6.3KVAC/400VAC 变压器通过变压提供 400VAC 50Hz 交流电供给 MCC、自动送钻控制系统、照明供电系统。MCC系统采用西门子软启动装置驱动电机，软启动可以减少电机启动时对电网的冲击，控制为冗余软启动系统,使用单独的S7-２００ＣＰＵ控制可在与主ＣＰＵ脱离通讯时单独控制软启系统、主ＣＰＵ采用冗余PLC控制系统（冷备）。
二、系统网络图
系统采用西门子S7-300和S7-200PLC实现网络冷备份，。VFD房中的PC柜内的两台冷备S7-300PLC通过MPI通讯方式与上位机连接。上位机主要用于装置参数显示、数据记录、故障报警输出等等。S7-300 PLC通过PROFIBUS-DP通讯方式与绞车、转盘、泥浆泵及自动送钻变频器通讯实现远程控制。采用EM277通讯模块实现与VFD房、司钻房的S7-200 PLC通讯。

系统网络（1）
三、主要系统组成
1、供电系统
该电控系统为高压网电供电，采用1套箱式高压开关箱将网电与变压器房连接，并通过1台负荷开关及3台真空开关将电网与2台2500KVA 6.3KVAC/600VAC变压器连接构成600VAC供电系统，为传动控制系统提供电源；此外，通过电网与1台1250KVA 6.3KVAC/400VAC 50Hz变压器构成400VAC供电系统为钻机MCC和生活用电设施供电。
电控系统亦可采用自发电方式供电，采用4台600VAC/50Hz 1200KW卡特彼勒发电机组供电，通过电控系统发电机控制柜实现发电机的控制和四台发电机组的并网供电。
网电供电单线图（2）
2、主传动系统单线图
主传动系统包括绞车、转盘、泥浆泵及自动送钻传动系统。
传动系统单线图（3）

传动系统单线图（4）

系统房体布置图（5）

3、系统主要组成
整个电控系统由电源系统、MCC系统、传动系统、ＰＬＣ系统、 仪表系统、防碰系统、上位计算机控制系统、司钻房控制系统、远程控制系统、接地系统组成。
1）电源变压器
变压器主要参数：

1250KVA变压器参数
2500KVA变压器参数
数量
1台
2台
型号
SCLB9-1250/6.3
SCLB9-2500/6.3
额定高压
6300V
6300V
额定低压
380V
600V
额定频率
50Hz
50Hz
额定电流
114.6/1899A
229.1/2406A
额定功率
1250KVA
2500KVA
相数
3
3
温升
100K
100K
连接方式
Dyn11
Dyn11 Dd0
最高工作温度
55℃
55℃

变压器（6）
2）电源柜框架断路器
参数
数量
2台
额定工作电压
690V
额定不间断电流
800/2000A
额定频率
50～60Hz
额定绝缘电压
1000V
额定冲击耐受电压
12KV
额定短路耐受电流能力
65KA
额定短路合闸能力
187KA
额定运行短路分断能力
85KA
工作温度
-25℃～+70℃
储存温度
-40℃～+70℃

框架断路器（7）

3）ABB传动系统整流装置
参数
数量
2台
型号
ACS800-307-2720-7
额定电压
690V
额定电流
2278A
额定功率
2722KW
额定频率
48～63Hz
输入电压范围
525～690V（-10％～+10％）
额定电流
2278A
最大输出电流
3906A
效率
98％
工作温度
0℃～+70℃，无雾40℃～+50℃输出电流降容使用（1％∕1℃）
储存温度
-40℃～+70℃
制冷方式
干燥清洁空气

整流装置柜（8）

4）ABB传动系统逆变装置
逆变柜参数：

泥浆泵逆变器
绞车、转盘逆变器
数量
2台
3台
型号
ACS800-107
ACS800-107
额定电压
690V
690V
额定输出电流
1414A
953A
额定频率
48～63Hz
48～63Hz
输入电压范围
525～690V（-10％～+10％）
525～690V（-10％～+10％）
最大输出电流
2166A
1425A
功率因数
0.93～0.95
0.93～0.95
额定功率
1400KW
900KW
效率
98％
98％

逆变器控制盘（9）
5）MCC软启动装置
数量： 3台
型号： 3RW4073－6BB44
电源电压： 400V
控制电压： 230V AC(-15℅～+10℅)
额定电流： 230A
额定功率： 75KW

软启动器（10）
6）PLC控制系统

PLC控制柜（11）
7）自动送钻系统
自动送钻控制系统能够实现辅助电动机和主电机的自动送钻功能。辅助电机自动送钻控制系统采用 1 台 ABB 公司 ACS800-11 交流变频装置，可实现恒钻压及恒钻速自动送钻。钻压、钻速在设定范围内稳定可调，送钻平稳精确。整个传动系统主要由自动送钻变频器、自动送钻变频辅助电机及其编码器、辅助电机风机等装置组成。

自动送钻系统（12）
8）司钻房控制系统的电气组成
司钻房是集成化控制系统，由PLC柜、左手操作箱、右手操作箱、前面板、触摸屏五部分构成，实现对整个钻机系统的操作与控制。司钻台实现的功能操作来自左右手箱操作和触摸屏，通过PLC和通讯模块间的通讯来实现输入输出操作。

司钻台布置图（13）
9）绞车电子防碰
绞车电子防碰系统由检测元件、控制系统、执行元件三部分组成。其中检测元件主要由滚筒编码器和计数器组成；控制系统和整个电控系统的 PLC 公用；执行元件由系统的输出模块、阀岛系统和执行器即盘刹组成。通过PLC 系统根据所设定的相应参数和编码器的返回值，计算出游车当前的位置，实现绞车上行下行限位保护。
10）人机界面
人机界面可以高速、实时、稳定地监视整个系统的运转情况，并可以通过数据趋势图和数据记录观察分析系统各部分的工作状态，实现系统的实时报警功能。
人机界面主要包括三大部分：报警、MCC 监控和数据记录。其运行画面主要有九个，分别为：钻井、起下钻、电机参数、MCC 参数、数据记录、故障报警、趋势图和仪表标定。

钻井画面（14）

起下钻画面（15）

电子防碰画面（16）

绞车操作（17）

泥浆泵操作（18）

转盘操作（19）

自动送钻操作（20）

MCC系统（21）

故障报警（22）

数据记录（23）

应急画面（24）
四、主要传动系统操作使用
1、转盘系统
1）电气连锁
系统上电后，司钻操作人员从触摸屏启动转盘变频器。启动信号经过 PROFIBUS 网络从司钻台传至 PLC，经过程序互锁控制转盘电机、风机。当转盘变频器停止后，通过程序控制经 PROFIBUS发出转盘电机、风机停止指令，电机停止。
2）速度给定、扭矩限幅及正/反转控制
转盘电机控制系统可以通过司钻房内右手箱上的手轮手动给定输入速度并由一个三位自锁开关给定方向信号至 PLC。在触摸屏转盘画面设定转盘电机扭矩的限幅。通过 PLC 将该信号转化成装置控制信号并传递给转盘变频器，变频器再输出相应频率的电流控制电机，进而实现转盘的无级变速、扭矩限幅和正反转。同时人机界面可以提供转盘电机的实时电流、力矩、正/反转状态、转速等参数，实现对钻井过程中的转盘电流、力矩、转速等参数的监控功能。
3）保护功能
转盘控制系统根据转盘工作状态利用能耗制动并结合对转盘惯刹的逻辑控制可实现系统的防倒转保护功能。转盘风机风压保护是通过检测风压信号实现的。PLC 也可以根据风压信号了解转盘电机风机的实际运行情况。如果转盘电机运行中风机发生故障，PLC 可通过 PROFIBUS 网络将控制信号传送至司钻台，HMI 便会显示风压报警，提示操作人员处理；并延时后停止运行转盘主电机。

2、绞车系统
1) 电气连锁
系统上电后，司钻操作人员从触摸屏启动绞车变频器，启动信号经 PROFIBUS 网络从司钻台传至 PLC，然后通过程序互锁控制绞车主电机、风机、润滑泵的运行。当绞车变频器停止后，通过程序控制经过 PROFIBUS 发出绞车主电机风机与润滑泵停止的信号，使相应的电机停止。
2) 能耗制动控制
在下钻作业中，绞车传动系统的负载通过滚筒拖动主电机反转，使主电机处于发电状态。绞车传动系统负载的重力势能转化为滚筒的动能，该动能通过主电机转化为电能，电能再通过连接变频器的制动单元传至制动电阻以热能形式消耗，以此确保钻具以设定速度平稳安全下放。主电机在 0 rpm 转速时也能输出额定扭矩，因此，可实现钻具的悬停。
3) 速度控制
绞车电机控制系统可以通过司钻房内的控制手柄手动给定输入信号至 PLC，通过 PLC 将该信号转化成装置控制信号并传递给绞车变频器，变频器再输出相应频率的电流进而控制绞车主电机，从而实现绞车的无级变速和正反转。同时，变频装置可以提供绞车电机的实时电流、转速、力矩等参数，PLC 结合现场传感器采集的信号通过进行计算可以实现对钻井过程中的钻压、钻速、游车位置、系统压力等参数的监控功能。绞车电机控制系统可以自动控制游车减速和停车，有效地防止溜钻、卡钻、游车下砸事故的发生；同时，提高了钻速及钻井质量，并极大地减少了司钻的劳动强度。

3、泥浆泵系统
1）电气连锁
系统上电后，司钻从触摸屏启动泥浆泵电机模块。启动信号通过 PROFIBUS 网络从司钻台传至 PLC，经过程序互锁控制泥浆泵电机、风机、润滑泵、灌注泵运行的信号传送给装置，此时如果泥浆泵电机模块正常即接受 PLC 指令，电机开始运行。但当泥浆泵电机模块停止时，则通过程序控制经 PROFIBUS 发出泥浆泵电机风机、喷淋泵、润滑泵、灌注泵停止的信号至装置，电机停止。
2）泵冲控制
泥浆泵控制系统可以通过司钻房内泵冲给定手轮和触摸屏的应急画面给定输入泵冲。
3）保护功能
当泥浆泵控制系统在运行过程中突然过流、短路或者其他导致泥浆泵传动系统故障致使泥浆泵电机停止，S7-300 控制中心会立即做出反应，并通过智能司钻台告知操作人员出现何种故障。控制中心还可以通过风压检测信号检测泥浆泵风机的实际运行情况。如果泥浆泵电机运行中风机发生故障，系统会通过司钻台 HMI 显示报警提示操作人员，并延时自动停机。泵压限幅保护功能可以通过在触摸屏画面设定泵压限幅值来实现。当实际泵压超过限幅值时，PLC 发出指令使泥浆泵减速并且使泵压降至限幅之内。
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