1   項(xiàng)目簡(jiǎn)介

    西門子交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能調(diào)速指標(biāo)，它可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并且變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)要高，其外圍控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，西門子交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用是今后石油鉆機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。

    （1）50DB鉆機(jī)項(xiàng)目是遼河石油勘探局重點(diǎn)項(xiàng)目，用戶是勘探局內(nèi)的一家鉆井公司，我公司為其生產(chǎn)整套鉆機(jī)，包括底座、井架、泥漿罐、電控系統(tǒng)等設(shè)備，電控系統(tǒng)由我公司電控分廠完成，我公司以生產(chǎn)鉆機(jī)為主，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)為輔的大型工程企業(yè)，年產(chǎn)值達(dá)5.5億，生產(chǎn)能力十分強(qiáng)大，電控分廠年產(chǎn)電控達(dá)7部左右，發(fā)展是不可估量的。

（2）50DB項(xiàng)目中主要的電控系統(tǒng)采用的西門子6SE71系列變頻調(diào)速柜，整機(jī)的控制系統(tǒng)采用的西門子S7-300PLC，通訊采用PROFIBUS進(jìn)行通訊，發(fā)電系統(tǒng)采用的是6RA70直流調(diào)速系統(tǒng)，整機(jī)制造符合現(xiàn)場(chǎng)要求，工藝控制嚴(yán)格，設(shè)計(jì)完全符合EMC導(dǎo)則。

    (3)項(xiàng)目當(dāng)中使用的西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的型號(hào)、數(shù)量、類型、控制對(duì)象見下表。

表1  西門子自動(dòng)化產(chǎn)品參數(shù)

（4）實(shí)際照片如圖1所示。

圖1  實(shí)物圖

2  控制系統(tǒng)構(gòu)成

    （1）整個(gè)項(xiàng)目選型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和使用工曠、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的產(chǎn)品，本著經(jīng)濟(jì)，實(shí)用、故障率低的原則選型。

    （2）系統(tǒng)的硬件配置圖，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)的硬件配置圖

    （3）應(yīng)用中的監(jiān)視畫面，如圖3所示。

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圖3   應(yīng)用中的監(jiān)視畫面

3  控制系統(tǒng)完成的功能

    整個(gè)系統(tǒng)控制用觸摸屏和兩方向控制手柄一個(gè)，進(jìn)行對(duì)井場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制，其中懸停功能是整個(gè)系統(tǒng)重要組成部分，也是發(fā)揮西門子變頻器與制動(dòng)單元功能的重要部分，自動(dòng)送鉆部分采用了變頻器中的PID調(diào)節(jié)器，進(jìn)行速度控制，這些都是系統(tǒng)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

    項(xiàng)目中的難點(diǎn)

   （1）絞車變頻器和制動(dòng)單元的選擇

    我們考慮到工況的特殊性，鉆機(jī)提升設(shè)備要經(jīng)常提升和下放上百噸的重物，且速度在1m/s以上，這時(shí)對(duì)變頻器的選擇上提出了很高要求，在能滿足工曠又能節(jié)省成本的前提下選出合適的型號(hào)。

    我們實(shí)際上使用的是兩臺(tái)720kW變頻電機(jī)，根據(jù)電機(jī)電流選擇變頻器，加上電機(jī)的1.5倍的過載能力，得到變頻器的電流值，選擇變頻器為1000kW變頻器。

變頻器選擇后，制動(dòng)單元又成為系統(tǒng)選擇的難點(diǎn)，因?yàn)槲鏖T子變頻器要求制動(dòng)單元的功率PDB不能大于0.6倍的變頻器功率，而且要滿足實(shí)際的制動(dòng)工況，又能滿足節(jié)省成本成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。根據(jù)制動(dòng)單元的選用回頭效驗(yàn)變頻器是否合適。

    我們根據(jù)鉆井的工況做如下計(jì)算，繪制出曲線：（曲線只描述了，最大負(fù)荷的情況）

  ●　第一階段分析：（上提減速過程由最大速度1秒減至零速）

    △W（總）=△W（動(dòng)能）-△W（勢(shì)能）

    △W（動(dòng)能）=1/2*J* [ω(1)2-ω(0)2];

    其中ω(0)=0rad/s；

    △W（動(dòng)能）=1/2*J* [ω(1)2-ω(0)2]= -0.5*30*1.5*2842=-1814.76KJ；

    △W（勢(shì)能）=m*g*h；

    m*g=1200t；最大鉤載225t，實(shí)際鉤載假設(shè)120t；

    h=v(平均)*T(時(shí)間)=（1.4m/s-0m/s）/2*3s=2.1m；

    △W（勢(shì)能）=m*g*h=1200t*2.1m =2200KJ；

    △W（總）=W（動(dòng)能）-W（勢(shì)能）=-1814.760+2200=385.24KJ。

    P=△W/△t=385.24KJ/3S=128.4KW

    ●　第二階段分析：（帶載下放過程最大速度勻速下放）（PDB）

    △W（總）=△W（動(dòng)能）+△W（勢(shì)能）

    △W（動(dòng)能）=1/2*J* [ω(t)2-ω(t-1)2]；

    假設(shè)大鉤的速度最大1.4米m/s勻速下放；

    對(duì)應(yīng)絞車電動(dòng)機(jī)軸的角速度分別為：ω(t)，ω(t-1)；

    因?yàn)槭莿蛩龠\(yùn)動(dòng)，則△W（動(dòng)能）=0KJ

    △W（勢(shì)能）=m*g*h；

    m*g=1200KN；最大鉤載225t，實(shí)際鉤載假設(shè)120t；

    h=v(平均)*T(時(shí)間)=1.4m*s=1.4m;

    △W（勢(shì)能）=m*g*h=1200t*1.4m =-1680KJ；

    △W（總）=△W（動(dòng)能）+△W（勢(shì)能）=-1680KJ

    P=△W/△t=-1680KJ/3S=560KW

    ●　第三階段分析：（帶載下放減速由最大速度減到0速）（P3）

    △W（總）=△W（動(dòng)能）+△W（勢(shì)能）

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    W（動(dòng)能）=1/2*J* [ω(1)2-ω(0)2];

    其中ω(0)=0rad/s；

    △W（動(dòng)能）=1/2*J* [ω(1)2-ω(0)2]= -0.5*30*1.5*2842=-1814.76KJ；

    △W（勢(shì)能）=m*g*△h；

    m*g=1200KN；最大鉤載225t，實(shí)際鉤載假設(shè)120t；

    h=v(平均)*T(時(shí)間)=（1.4m/s-0m/s）/2*3s=2.1m；

    △W（勢(shì)能）=m*g*h=1200*2.1=2200KJ；

    △W（總）=W（動(dòng)能）+W（勢(shì)能）=-1814.76KJ -2200KJ =-4014.76KJ。

    如定加速減速曲線時(shí)間為3S時(shí)。

    P=△W/△t=4014.76KJ/3S= 1338KW

    如定加速減速曲線為1S時(shí)。

    P=△W/△t=4014.76KJ/1S= 4015KW

    通過上面論述結(jié)論P=4015KW是最大，我們?yōu)榱税踩鹨姲裀DB= 3200KW則在1S下P3=4800KW 完全滿足工況，其它余量用于處理事故時(shí)用。

    （2）變頻的加速斜坡曲線和減速諧波曲線

    根據(jù)上面論述變頻器的加速諧波和減速諧波曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器有效的控制加速時(shí)間和全速減至零速的時(shí)間，我們一般不考慮加速的時(shí)間，只考慮減速時(shí)間，因?yàn)闇p速時(shí)間體現(xiàn)了重物下放時(shí)的減速距離，也就是剎車距離，剎車距離被規(guī)定為1米以內(nèi)，這時(shí)要算減速時(shí)間，如減速時(shí)間設(shè)置過長不能滿足工況。通過上面的計(jì)算在大于1S時(shí)可行的，如小于1S可能就會(huì)對(duì)變頻器的電容有很大沖擊，甚至?xí)袸GBT、電容及制動(dòng)單元一同燒掉。所以減速諧波曲線的設(shè)置是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

4  項(xiàng)目運(yùn)行

    系統(tǒng)的投入時(shí)間，運(yùn)行情況，用戶的評(píng)價(jià)。

    50DB項(xiàng)目投入時(shí)間是2006年8月份，10月中旬出廠，現(xiàn)正在試運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好，并充分發(fā)揮了西門子變頻器的優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了方便，西門子自動(dòng)化產(chǎn)品在遼河鉆井一公司的50DB鉆機(jī)上成功應(yīng)用，得到了遼河石油勘探局的表彰，并且得到了一致的好評(píng)。

5  結(jié)束語

    在50DB項(xiàng)目中西門子自動(dòng)化產(chǎn)品給大家?guī)砹撕艽蠓奖悖⑶野涯芟胂蟮臇|西變成現(xiàn)實(shí)，其中包括安裝、調(diào)試、運(yùn)行、監(jiān)控等方面發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)也感謝西門子沈陽辦事處的同事給我們提供了巨大的技術(shù)支持。最后我們得到一個(gè)結(jié)論，西門子產(chǎn)品“入手比較難，應(yīng)用比較簡(jiǎn)單”。