基于PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法

李可成

(广西工业职业技术学院 智能制造学院，广西 南宁 530001)

目前，钻井电气设备还不够智能，传统的钻井电气设备调速系统不能及时对工况信息进行分析和处理，所以技术人员在使用钻井电气设备工作时，钻井电气设备容易出现线路故障[1-3]、控制线路复杂、调速效果差、不利于维护等缺点。为解决半潜式海洋钻井平台主空压机自动化程度较低的问题，基于西门子S7-200系列PLC和MCGS触摸屏进行程序设计和编程，并对原控制系统进行改造[4]。但是由于海面情况未知性较大，再加之该电机不稳定，所以存在设备技术落后、安全性差的问题。在太赫兹(THz)频率范围内，时变交指型光电导天线(IPCA)和时变超表面频率转换的电气控制。超快近红外(NIR)光脉冲可快速改变IPCA和亚表面的电导率；然而，外部电压可以延缓这种导电性转变。因此，外部电压可用于基于太赫兹波和时变表面之间的相互作用来控制频率转换过程。在IPCA中，频率上下转换过程都受到外部电压的抑制。在超表面中，下转换被外部电压显著抑制，而上转换的抑制效果较差[5]。该方法虽然实现了电气设备的电压控制，但是尚未应用于钻井电气设备中，因而其应用效果尚未可知。

为了避免钻井电气设备带来的危险，解决传统的钻井电气设备带来的危险问题，PLC是一种可编程逻辑控制器，也是一种可以进行数字运算的电子系统。PLC在控制系统中被广泛使用，本身具有可靠性强的特点，提出了应用PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法。

1 应用PLC的钻井电气设备

1.1 构建PLC控制系统

为了有效地对钻井电气设备自动化变频调速方法进行研究，首先需要构建一个PLC控制系统，便于对钻井电气设备进行自动化变频调速控制。

一般来说，PLC具有以下几点特性：①PLC应用到任意系统或设备中时，在执行的过程中具有较强的实时性；②PLC可以确保系统或设备中的控制代码不受到外界影响，具有较强的安全性；③PLC能够保证系统或设备在运行过程中的操作鲁棒性及可靠性；④利用PLC对系统或设备进行读、写、输入等操作时，不仅会保证它的实时性，还便于工作人员的编程效率，有利于工作人员的使用；⑤由于PLC的功能具有较强的独立性，所以使用PLC对系统或设备进行控制时，它的控制响应效率具有专一性；⑥PLC可以在任何环境中应用，所以它对环境的要求较低；⑦PLC本身是一种可编程逻辑控制器，因此在应用PLC时，只需将其放置到需要装置的位置即可，有着装置方便的优点。

基于上述对PLC特性的分析，构建一个PLC钻井电气设备控制系统，以此提升钻井电气设备自动化变频调速效率，那么构建的PLC控制系统如图1所示。图1中的PLC主控系统可以利用编程器对控制系统中的控制程序进行编写。若控制系统不能够对想要控制的程序进行控制，那么只需要利用编程器对控制编程[6-7]进行改写即可，这样可以降低控制系统维护量，提升了控制系统的抗干扰能力。同时还可以在PLC控制系统中添加新的控制功能，这样不仅增强了PLC控制系统的安全可靠性，还可以降低投资成本，提高了自身的性价比。

图1 PLC控制系统Fig.1 PLC control system diagram

1.2 设置双馈调速装置

对钻井电气设备进行变频调速时[8-9]，只有PLC控制系统还不足以达到变频调速效果，所以需要设置1个双馈调速装置，将该装置与PLC控制系统相结合，以此实现钻井电气设备自动化变频调速方法的研究。

双馈调速装置主要由多个部分组成，分别是钻井电气设备整流变压器、变频器[10]、电抗器、传动控制、多个操控开关等，如图2所示。

图2 双馈调速装置Fig.2 Doubly fed speed regulating device

其中选取的变频器需要利用三相交变频电路构成，这样当电网为6 kV时，就可以利用整流变压器对变频电路供电，电路结构如图3所示。

图3 双馈调速装置主回路Fig.3 Main circuit of doubly fed speed regulating device

设置整流变压器为1 300/450 kVA的干式四绕组电压器，这时的变频电路发出的额定输出电流就为1 500 A，而变压器在第1次发出的额定电压为6 kV、第2次发出的额定电压为380 V。所以此时的三相交变频电路的电感值就为0.6 mH。

此时利用PLC控制系统的控制技术及控制交频电路对钻井电气设备的转子电流[11]及机组转速进行调节，而钻井电气设备的可调速范围在1 200～1 550 r/min。

钻井电气设备通过变频方式[12-13]启动后，就可以对钻井电气设备中的液体电阻进行设置，当钻井电气设备的转动速度达到1 200 r/min及以上时，就可以利用PLC控制系统去除掉液体电阻，并在钻井电气设备中引入设置的双馈调速装置，依据设定的转速，对钻井电气设备进行转速调节。

2 自动化变频调速方法

2.1 钻井电气设备的控制

根据构建的PLC控制系统，将设置的双馈调速装置引入到PLC控制系统中，依据控制系统及双馈调速装置对钻井电气设备的控制，实现钻井电气设备自动化变频调速。

钻井电气设备自动化变频调速的关键就在于对钻井电气设备中电机电磁转矩的控制。利用双馈调速装置对钻井电气设备进行调速时，需要保证定子磁场的稳定性，令其不发生任何变化，这样就可以通过调速转子电流转矩分量对钻井电气设备的转矩进行调节，以此达到钻井电气设备自动化变频调速的目的。

那么电气设备的电机电磁转矩定义为：

(1)

为了能够提升对钻进电气设备变频调速的控制效果，需要将PLC控制系统优化为一个外环为转速环、内环为电流环的双闭环控制系统[14-15]，优化后的PLC双闭环控制系统定义为：

(2)

根据优化后的控制系统，将交频电路转换成无环流逻辑电路，把转换后的电路引入到控制系统编程中，以此增强钻井电气设备自动化变频调速效果。

2.2 转子电压前馈技术

利用双馈调速装置对钻井电气设备进行变频调速时，双馈调速装置会带来静差影响，所以对钻井电气设备的转子电流进行调节时，可以利用前馈技术消除钻井电气设备中的交叉耦合[19]，从而实现无静差。而钻井电气设备中，转子电压的转子侧能够全部归算到定子侧中，用方程表达式定义为：

(3)

通过式(3)可知，钻井电气设备中的转子电压前馈主要由电气设备的参数决定的，但在实际操作中，温度的变化会对电气设备的参数带来影响，温度上升越高，电气设备参数提升得就越快。所以在这种情形下，需要与实际数值的大小情况相结合，简化方程(3)的参数，简化后的式(3)定义如下：

(4)

简化后的式(4)可以完全消除双馈调节装置带来的静差影响，消除掉静差影响后的双馈调节装置可以精准地对钻井电气设备进行自动化变频调速。

通过分析PLC的特性构建了一个PLC控制系统，由于该系统不能达到变频调速的效果，所以设置了一个双馈调速装置，将双馈调速装置引入到PLC控制系统中，利用调速转子电流转矩分量对钻井电气设备的转矩进行调节，达到钻井电气设备自动化变频调速的目的。由于双馈调速装置在调速期间会带来静差影响，所以采用转子电压前馈技术消除静差，消除静差后的双馈调节装置就可以有效的对钻井电气设备进行自动化变频调速，以此实现应用PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法。

3 应用分析

为了验证应用PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法的整体有效性，需要对该方法进行应用分析。为了保障钻井电气设备自动化变频调速的测试效果，以某钻井电气设备为测试对象，进行钻井电气设备进行变频调速效果测试。具体调速过程如图4所示。

图4 调速过程Fig.4 Speed regulation process

依据图4对钻井电气设备进行变频调速时，它的可靠性及维护性起到关键作用，所以针对钻井电气设备自动化变频调速的可靠性及维护性，采用应用PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法对其进行测试分析，以此验证本文所提方法的变频调速效果。

(1)可靠性分析。选择钻井电气设备中的整流变压器用作可靠性分析对象，分别对其进行安全性及稳定性测试，测试结果越高，说明本文所提方法的变频调速效果越高，测试结果越低，说明本文所提方法的变频调速效果越差，具体测试结果如图5所示。

图5 钻井电气设备变频调速可靠性测试Fig.5 Reliability test of frequency conversion speed regulation of drilling electrical equipment

分析图5中的数据发现，利用本文所提方法对钻井电气设备中的整流变压器进行安全性测试时，整流变压器的安全性达到90%以上，由此可见整流变压器的安全性极高。而对整流变压器进行稳定性测试时，整流变压器的稳定性处于85%以上，这足以说明本文所提方法下的钻井电气设备整流变压器的安全性与稳定性极高，以此验证了钻井电气设备变频调速的可靠性最优。

这主要是因为利用设置的双馈调速装置对钻井电气设备的转矩进行调节，从而提升了钻井电气设备变频调速的可靠性，增强了钻井电气设备自动化变频调速效果。

(2)维护性能分析。基于上述实验测试对象，采用该方法对整流变压器进行器件损耗测试，以此证明钻井电气设备自动化变频调速的维护性能，器件损耗越低，说明本文所提方法的维护性能越高，反之则越低。测试结果如图6所示。

图6 钻井电气设备维护性能测试Fig.6 Drilling electrical equipment maintenance performance test

设置整流变压器的器件耗损为α，利用该方法对其进行测试时，随着时间的不断提升，该器件损耗程度也在不断增加。但在测试期间，整流变压器的最终器件损耗为15 kWh且器件损耗上升速度较慢，表明了本文所提方法的整流变压器器件损耗低、维护性能强，证明了本文所提方法的变调调频效果较好。

4 结语

在过去，矿井工业还没有受到国家的关注，致使我国钻井技术发展不够完善，钻井电气设备老化程度高，随着时代的发展，矿井工业发展速度日渐提升，而钻井技术也因而得到了广泛应用，针对钻井电气设备自动化变频调速方法存在的问题，提出应用PLC的钻井电气设备自动化变频调速方法。该方法为了能够精准的对钻井电气设备进行自动化变频调速，以此构建了PLC控制系统，同时设置了双馈调速装置，将该装置应用到PLC控制系统中，用来调节钻井电气设备转矩。由于双馈调速装置对转矩进行调节时容易带来静差影响，所以利用转子电压前馈技术消除静差，使其能够更加有效的对钻井电气设备进行变频调速，进而实现钻井电气设备自动化变频调速方法。