可编程计算机控制器在钻井平台SCR 系统中的应用

可编程计算机控制器在钻井平台SCR 系统中的应用

胜利海洋钻井公司是我国唯一一家从事浅海、极浅海钻井作业的专业化公司。现有钻井平台八座，其中胜利九号钻井平台是1995 年底从美国引进的，为三桩自升式悬臂梁结构，作业水深30m ，钻井能力7000m 。其可控硅系统(SCR）是美国ISC 公司于1978 年设计制造的。在过去两年的钻井作业中，暴露出了许多弊端，多次出现故障，影响了钻井生产的顺利进行，不能很好地满足钻井生产的需要。为此，对平台的SCR系统进行了技术改造。经过两个钻井井组的实验运行，各项性能指标达到了预期效果。

此项改造，为海洋钻井平台SCR系统采用数字化智能控制探索出了一条新的思路。

2 原SCR 系统故障分析及改造方案的提出

胜利九号钻井平台的SCR系统是1978 年设计制造，由于设备老化，元件陈旧等原因多次出现故障，主要表现为：控制系统运行不可靠，灵敏度低，引起设备误动作；保护功能不完善，缺乏电流限制和功率限制，曾发生过烧毁可控硅的严重事故；在大负荷时造成憋车现象，给柴油机的正常运行造成极大的压力，给日常设备检修带来很大的不便，容易造成井下复杂情况，不能很好地满足钻井生产的需妥。此外，由于这些原因给顶部驱动钻井系统的安装和调试也会带来麻烦。

鉴于以上原因，作者提出了利用可编程控制器对SCR系统改造的设想，并与电器维修中心协商论证，拟订了可编程计算机控制器为中枢的SCR系统改造方案。经过一年时间的系统分析，考证及试验，在准确掌握各种工况的基础资料后，于1998 年3 月对平台的SCR系统进行了改造。

采用可编程计算机控制器（Programmahle computer controlle ，简称PCC）控制的智能化控制系统，其最大优点是可靠性强、灵敏度高；具有故障自诊断和数据显示功能，便于排除故障，电流限制合理，准确；保护停机与报警功能完善。大大提高了安全生产效率。

3 改造后的SCR系统介绍

这次SCR 系统主要改造了控制系统，包括PCC 控制、触发电路、电压电流反馈电路等，下面将分别介绍。

3.1 可编程计算机控制器（PCC)

可编程计算机控制器（PCC）选用上海贝加莱工业自动化（上海）公司的2000 系列产品。可编程计算机控制器代表着一个全新的控制概念，它集成了 可编程控制器（Programmable Logical controller ，简称PLC ）的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量、模拟量，进行回路调节，并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩容时只需在原有基础上叠加应用软件模块，其应用可从简单的逻辑控制直到复杂的分散化控制。可以说，PCC是这次改造后的SCR 系统的大脑中枢。在SCR系统中起了非常重要的作用。

B&R2003 系统是一种紧凑型的可编程计算机控制器，是这次改造的主要元件。它兼有中央智能和远程智能，既能以自己的CPU 作独立的控制器，并进行远程扩展，又能和现场总线连接，作远程I / O 模块。B＆R2003 系统的结构也是模块式的，所有的模块尺寸都相同，扩展和应用非常灵活。还能提供不同的检测功能，如I / 0 模块电压监控、站电压监控、排障监控、空闲周期监控、输出监控等。

B＆R2003 系统的硬件包括以下几个方面：

( 1 ）处理器：Motorola+RISC ;
( 2 ）一个CPU 存储容量：带EPROM 和FLASHPROM 的模块（100K ~16MRAM 和256K ~16MROM ) ;
( 3 ）数字I / 0 模块：每个模块八点（晶体管或继电器）;
( 4 ）模拟I / O 模块；每个模块四个通道（电压、电流等）;
( 5 ）基板，最多可放九个模块；
( 6 ）网络及现场总线接口：CAN 、RS232 / RS485 / RS422 。

3.2 触发电路

触发电路板是根据SCR ON桥对触发脉冲的要求而设置的。本次系统改造触发电路采用CA6100数字型触发板。CA6100触发桥具有通用特性，用于控制可控硅的门极延迟触发角，从而实现移相控制。

CA6100通用可控硅触发板是以40 芯CMOS 大规模集成电路（专用芯片）为核心，利用锁相关技术（PLL）和多芯片合成技术（ MCM ) ，根据压控振荡器（VCO ）锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出的一种可控硅触发系统。0～5V 的直流输入电压信号，可以控制输出脉冲的移相范围从5° -175°可调。任何可调或手动输出的电压都可以很方便的与其连接，以控制大功率可控硅的工作。它在计算机、模拟或数字调节器与大功率可控硅之间形成了一个很好的缓冲界面，一方面，保证可靠而且有效的传输控制信号，实现系统设定的控制功能；另一方面，大大减轻了主电路对控制电路的干扰，在计算机及控制电路失控时能够自动保证主电路安全，提高了系统工作的可靠性。

CA6100触发电路板具有以下的优点：

( l ）输出的三相触发脉冲通过高频同步脉冲分频计数输出，因而具有高度的对称性、均衡性和良好的控制线性度；
( 2 ）触发板无需同步变压器，同步信号直接用高值电阻取自与可控硅相连的主回路，自动实现与电网同步；
( 3 ）触发板集缺相保护、软启停等功能于一体，功能密集程度较高；
( 4 ）具备相序自动测控核对能力，从而使其在主电路与调节器的联线上变得简单、可靠，无需作任何调测便能投入运行；
( 5 ）主触发板与辅助触发板相结合，可以很方便的实现输出12 个门极脉冲信号，而不再需要另外一个独立的门极延迟发生器。

3.3 其他元件

该系统的电流取样信号采用1500A / 0.1A 三相全桥整流，并带有微分反馈。电压取样信号是把主回路直流电压分压后取得。

4 功能介绍

这次SCR 系统改造，较过去增加了电流限制、闪光报警、数据显示、保护等功能、使SCR系统更为完善、安全、可靠。

4.1 电流限制

电流限制功能可由外部电位器设定，也可以由计算机内部设定。对于不同的设备，根据负载情况不同，而电流限制不同。带动泥浆泵时，双电机电流限定为1400 A ，由PCC 内部设定。带动绞车时，单电机限定电流900A ，带双电机电流限定为1800 A，脚踏时减半，由PCC 内部设定。转盘或顶驱为活动限制，由钻台通过手轮电位器给定，通过PCC处理以后输出响应。

4.2 报警和保护功能

(1)当主可控硅柜内冷却风机故障时，钻台和可控硅室内SCR ON 指示灯同时频闪（l 秒／次）。此时仍可强制使用，但只能维持10 分钟（以手轮或脚踏启动时计）, 10 分钟以后封锁触发板并闪光报警（0.5 秒／次）。

(2）具有可靠的手轮封锁功能，当手轮和脚踏均不启动时，或启动时手轮没有回到零位，触发板均被封锁，绝不产生失控间题。

(3）泥浆泵运行时，当电流超过1200 A时，钻台和可控硅室内SCR ON指示灯频闪（1 秒／次）警示。

(4）具有合理的脚踏功能。当脚踏启动时，最大电流限制为电机电流的50 % ，不会产生憋车现象。手轮和脚踏可以并用，当绞车手轮启动以一定的速度运行时，踩下脚踏开关，绞车在原速度的基础上加速运行，并且脚的“感觉”很好，即当手轮的速度为V 时，记手轮的百分比速度为VH % ，则余下的（1 一VH % ）可由脚踏按行程均匀分担。

(5）当各路开关选择正确，但回路开路时，SCR 系统报警（l 秒／次）或停机并报警（0.5 秒／次）:

电流反馈回路开路时，报警；
电压反馈回路开路时，报警；
手轮给定回路开路时，停机并报警；
脚踏给定回路开路时，报警，并使该回路无效；
转盘或顶驱电流限制回路开路时，停机并报警。

（6）PCC 面板可显示可控硅所带负载，可控硅的电压、电流，风机运行情况及报警原因，且报警有记忆功能。

5 结束语

改造后的可控硅系统经过两个钻井井组的实验运行，各项性能指标均达到了预期设计要求，改造取得了成功。这次可控硅系统改造实现了钻井平台模拟控制到数字智能化控制的飞跃，为国内钻井平台可控硅系统数字化控制探索出了一条新途径。