基于PLC的鉆井電氣設備自動化變頻調速方法

李可成

(廣西工業職業技術學院 智能制造學院，廣西 南寧 530001)

目前，鉆井電氣設備還不夠智能，傳統的鉆井電氣設備調速系統不能及時對工況信息進行分析和處理，所以技術人員在使用鉆井電氣設備工作時，鉆井電氣設備容易出現線路故障[1-3]、控制線路復雜、調速效果差、不利于維護等缺點。為解決半潛式海洋鉆井平臺主空壓機自動化程度較低的問題，基于西門子S7-200系列PLC和MCGS觸摸屏進行程序設計和編程，并對原控制系統進行改造[4]。但是由于海面情況未知性較大，再加之該電機不穩定，所以存在設備技術落后、安全性差的問題。在太赫茲(THz)頻率范圍內，時變交指型光電導天線(IPCA)和時變超表面頻率轉換的電氣控制。超快近紅外(NIR)光脈沖可快速改變IPCA和亞表面的電導率；然而，外部電壓可以延緩這種導電性轉變。因此，外部電壓可用于基于太赫茲波和時變表面之間的相互作用來控制頻率轉換過程。在IPCA中，頻率上下轉換過程都受到外部電壓的抑制。在超表面中，下轉換被外部電壓顯著抑制，而上轉換的抑制效果較差[5]。該方法雖然實現了電氣設備的電壓控制，但是尚未應用于鉆井電氣設備中，因而其應用效果尚未可知。

為了避免鉆井電氣設備帶來的危險，解決傳統的鉆井電氣設備帶來的危險問題，PLC是一種可編程邏輯控制器，也是一種可以進行數字運算的電子系統。PLC在控制系統中被廣泛使用，本身具有可靠性強的特點，提出了應用PLC的鉆井電氣設備自動化變頻調速方法。

1 應用PLC的鉆井電氣設備

1.1 構建PLC控制系統

為了有效地對鉆井電氣設備自動化變頻調速方法進行研究，首先需要構建一個PLC控制系統，便于對鉆井電氣設備進行自動化變頻調速控制。

一般來說，PLC具有以下幾點特性：①PLC應用到任意系統或設備中時，在執行的過程中具有較強的實時性；②PLC可以確保系統或設備中的控制代碼不受到外界影響，具有較強的安全性；③PLC能夠保證系統或設備在運行過程中的操作魯棒性及可靠性；④利用PLC對系統或設備進行讀、寫、輸入等操作時，不僅會保證它的實時性，還便于工作人員的編程效率，有利于工作人員的使用；⑤由于PLC的功能具有較強的獨立性，所以使用PLC對系統或設備進行控制時，它的控制響應效率具有專一性；⑥PLC可以在任何環境中應用，所以它對環境的要求較低；⑦PLC本身是一種可編程邏輯控制器，因此在應用PLC時，只需將其放置到需要裝置的位置即可，有著裝置方便的優點。

基于上述對PLC特性的分析，構建一個PLC鉆井電氣設備控制系統，以此提升鉆井電氣設備自動化變頻調速效率，那么構建的PLC控制系統如圖1所示。圖1中的PLC主控系統可以利用編程器對控制系統中的控制程序進行編寫。若控制系統不能夠對想要控制的程序進行控制，那么只需要利用編程器對控制編程[6-7]進行改寫即可，這樣可以降低控制系統維護量，提升了控制系統的抗干擾能力。同時還可以在PLC控制系統中添加新的控制功能，這樣不僅增強了PLC控制系統的安全可靠性，還可以降低投資成本，提高了自身的性價比。

圖1 PLC控制系統Fig.1 PLC control system diagram

1.2 設置雙饋調速裝置

對鉆井電氣設備進行變頻調速時[8-9]，只有PLC控制系統還不足以達到變頻調速效果，所以需要設置1個雙饋調速裝置，將該裝置與PLC控制系統相結合，以此實現鉆井電氣設備自動化變頻調速方法的研究。

雙饋調速裝置主要由多個部分組成，分別是鉆井電氣設備整流變壓器、變頻器[10]、電抗器、傳動控制、多個操控開關等，如圖2所示。

圖2 雙饋調速裝置Fig.2 Doubly fed speed regulating device

其中選取的變頻器需要利用三相交變頻電路構成，這樣當電網為6 kV時，就可以利用整流變壓器對變頻電路供電，電路結構如圖3所示。

圖3 雙饋調速裝置主回路Fig.3 Main circuit of doubly fed speed regulating device

設置整流變壓器為1 300/450 kVA的干式四繞組電壓器，這時的變頻電路發出的額定輸出電流就為1 500 A，而變壓器在第1次發出的額定電壓為6 kV、第2次發出的額定電壓為380 V。所以此時的三相交變頻電路的電感值就為0.6 mH。

此時利用PLC控制系統的控制技術及控制交頻電路對鉆井電氣設備的轉子電流[11]及機組轉速進行調節，而鉆井電氣設備的可調速范圍在1 200～1 550 r/min。

鉆井電氣設備通過變頻方式[12-13]啟動后，就可以對鉆井電氣設備中的液體電阻進行設置，當鉆井電氣設備的轉動速度達到1 200 r/min及以上時，就可以利用PLC控制系統去除掉液體電阻，并在鉆井電氣設備中引入設置的雙饋調速裝置，依據設定的轉速，對鉆井電氣設備進行轉速調節。

2 自動化變頻調速方法

2.1 鉆井電氣設備的控制

根據構建的PLC控制系統，將設置的雙饋調速裝置引入到PLC控制系統中，依據控制系統及雙饋調速裝置對鉆井電氣設備的控制，實現鉆井電氣設備自動化變頻調速。

鉆井電氣設備自動化變頻調速的關鍵就在于對鉆井電氣設備中電機電磁轉矩的控制。利用雙饋調速裝置對鉆井電氣設備進行調速時，需要保證定子磁場的穩定性，令其不發生任何變化，這樣就可以通過調速轉子電流轉矩分量對鉆井電氣設備的轉矩進行調節，以此達到鉆井電氣設備自動化變頻調速的目的。

那么電氣設備的電機電磁轉矩定義為：

(1)

為了能夠提升對鉆進電氣設備變頻調速的控制效果，需要將PLC控制系統優化為一個外環為轉速環、內環為電流環的雙閉環控制系統[14-15]，優化后的PLC雙閉環控制系統定義為：

(2)

根據優化后的控制系統，將交頻電路轉換成無環流邏輯電路，把轉換后的電路引入到控制系統編程中，以此增強鉆井電氣設備自動化變頻調速效果。

2.2 轉子電壓前饋技術

利用雙饋調速裝置對鉆井電氣設備進行變頻調速時，雙饋調速裝置會帶來靜差影響，所以對鉆井電氣設備的轉子電流進行調節時，可以利用前饋技術消除鉆井電氣設備中的交叉耦合[19]，從而實現無靜差。而鉆井電氣設備中，轉子電壓的轉子側能夠全部歸算到定子側中，用方程表達式定義為：

(3)

通過式(3)可知，鉆井電氣設備中的轉子電壓前饋主要由電氣設備的參數決定的，但在實際操作中，溫度的變化會對電氣設備的參數帶來影響，溫度上升越高，電氣設備參數提升得就越快。所以在這種情形下，需要與實際數值的大小情況相結合，簡化方程(3)的參數，簡化后的式(3)定義如下：

(4)

簡化后的式(4)可以完全消除雙饋調節裝置帶來的靜差影響，消除掉靜差影響后的雙饋調節裝置可以精準地對鉆井電氣設備進行自動化變頻調速。

通過分析PLC的特性構建了一個PLC控制系統，由于該系統不能達到變頻調速的效果，所以設置了一個雙饋調速裝置，將雙饋調速裝置引入到PLC控制系統中，利用調速轉子電流轉矩分量對鉆井電氣設備的轉矩進行調節，達到鉆井電氣設備自動化變頻調速的目的。由于雙饋調速裝置在調速期間會帶來靜差影響，所以采用轉子電壓前饋技術消除靜差，消除靜差后的雙饋調節裝置就可以有效的對鉆井電氣設備進行自動化變頻調速，以此實現應用PLC的鉆井電氣設備自動化變頻調速方法。

3 應用分析

為了驗證應用PLC的鉆井電氣設備自動化變頻調速方法的整體有效性，需要對該方法進行應用分析。為了保障鉆井電氣設備自動化變頻調速的測試效果，以某鉆井電氣設備為測試對象，進行鉆井電氣設備進行變頻調速效果測試。具體調速過程如圖4所示。

圖4 調速過程Fig.4 Speed regulation process

依據圖4對鉆井電氣設備進行變頻調速時，它的可靠性及維護性起到關鍵作用，所以針對鉆井電氣設備自動化變頻調速的可靠性及維護性，采用應用PLC的鉆井電氣設備自動化變頻調速方法對其進行測試分析，以此驗證本文所提方法的變頻調速效果。

(1)可靠性分析。選擇鉆井電氣設備中的整流變壓器用作可靠性分析對象，分別對其進行安全性及穩定性測試，測試結果越高，說明本文所提方法的變頻調速效果越高，測試結果越低，說明本文所提方法的變頻調速效果越差，具體測試結果如圖5所示。

圖5 鉆井電氣設備變頻調速可靠性測試Fig.5 Reliability test of frequency conversion speed regulation of drilling electrical equipment

分析圖5中的數據發現，利用本文所提方法對鉆井電氣設備中的整流變壓器進行安全性測試時，整流變壓器的安全性達到90%以上，由此可見整流變壓器的安全性極高。而對整流變壓器進行穩定性測試時，整流變壓器的穩定性處于85%以上，這足以說明本文所提方法下的鉆井電氣設備整流變壓器的安全性與穩定性極高，以此驗證了鉆井電氣設備變頻調速的可靠性最優。

這主要是因為利用設置的雙饋調速裝置對鉆井電氣設備的轉矩進行調節，從而提升了鉆井電氣設備變頻調速的可靠性，增強了鉆井電氣設備自動化變頻調速效果。

(2)維護性能分析。基于上述實驗測試對象，采用該方法對整流變壓器進行器件損耗測試，以此證明鉆井電氣設備自動化變頻調速的維護性能，器件損耗越低，說明本文所提方法的維護性能越高，反之則越低。測試結果如圖6所示。

圖6 鉆井電氣設備維護性能測試Fig.6 Drilling electrical equipment maintenance performance test

設置整流變壓器的器件耗損為α，利用該方法對其進行測試時，隨著時間的不斷提升，該器件損耗程度也在不斷增加。但在測試期間，整流變壓器的最終器件損耗為15 kWh且器件損耗上升速度較慢，表明了本文所提方法的整流變壓器器件損耗低、維護性能強，證明了本文所提方法的變調調頻效果較好。

4 結語

在過去，礦井工業還沒有受到國家的關注，致使我國鉆井技術發展不夠完善，鉆井電氣設備老化程度高，隨著時代的發展，礦井工業發展速度日漸提升，而鉆井技術也因而得到了廣泛應用，針對鉆井電氣設備自動化變頻調速方法存在的問題，提出應用PLC的鉆井電氣設備自動化變頻調速方法。該方法為了能夠精準的對鉆井電氣設備進行自動化變頻調速，以此構建了PLC控制系統，同時設置了雙饋調速裝置，將該裝置應用到PLC控制系統中，用來調節鉆井電氣設備轉矩。由于雙饋調速裝置對轉矩進行調節時容易帶來靜差影響，所以利用轉子電壓前饋技術消除靜差，使其能夠更加有效的對鉆井電氣設備進行變頻調速，進而實現鉆井電氣設備自動化變頻調速方法。