石油钻机电控系统-PLC以及变频器

2015年10月2021/5/91目录石油钻机电控系统种类A钻机电控中的PLC系统BPLC常见故障与排除方法C钻机电控中常见的变频器D变频器故障与维修A现场故障实例分析B2021/5/9201

石油钻机电控系统种类2021/5/93石油钻机电控系统的种类BAC模拟直流调速系统数字直流调速系统交流变频调速系统2021/5/94交流变频电传动总系统图柴油发电机组GEN1GEN2GEN3GEN4GEN1GEN1GEN1MCC系统开关柜断路器柜变压器辅助发电机现场操作台井场用电单元远程计算机显示器触摸屏PLC从站PLC从站继电器系统辅助供电主PLC工控机继电器系统3MP柜RT柜2MP柜DWB柜DWA柜顶驱系统DWA制动柜1MP柜DWB制动柜制动电阻3AC600V50HzBUSMCC系统送钻柜制动单元司钻台1号综合柜2号综合柜控制线动力线编码器送钻1MPDWA滚筒DWB2MPRT3MP2021/5/95直流电传动总系统图柴油发电机组控制线动力线切换接触器组GEN2GEN3GEN1600VACBUS400VACBUSBYPASS防爆箱一体化仪表滚筒编码器悬重传感器隔爆传感器组MCC系统工控机PS井场电气AS-I接口单元切换控制电路600V/400VSCR1SCR2SCR3SCR4SCR5送钻S7-300CPUS7-300CPUI/O模板PLCDP/AS-I接口IM153-3IM153-3I/O模板

触摸屏

司钻台2021/5/9602

钻机电控中的PLC系统2021/5/97PLC的产生可编程序控制器产生

1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需要，提出一种设想：把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置。这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编程。使不熟悉计算机的人也能方便地使用，并提出十项招标指标。美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP—14，并在汽车自动装配线上试用获得成功。该设备用计算机作为核心设备。其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的，这就是人们常说的存储程序控制。由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，也使得可编程序控制器逐步形成了具有特色的多种系列产品。系统中不仅使用了大量的开关量，也使用了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。故称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字。2021/5/98常见的PLC西门子AB三菱LG日立松下GE欧姆龙在钻井电控中最常见的就是西门的S7系类PLC以及部分AB和欧姆龙的PLC。

西门子PLC优点：西门子PLC功能大，系统稳定，性能质量好，市场占有率最高。西门子结构化的编程方式，开放性好，支持多种通信协议。另外西门子适用多种人机界面和监控组态软件利于多厂家设备的通讯与集成，西门子做了很多功能块，减少了设计人员的负担。2021/5/99西门子S7系列以及配套上位机2021/5/910西门子PLC欧姆龙PLC2021/5/91103PLC常见故障与排除方法2021/5/912·2021/5/913一

电源故障二

通讯故障三

IO故障四

CPU故障使用过程中常见故障2021/5/914自身指示灯判断

其他设备现象判断

2021/5/915故障判断方式BFBusFault总线故障——总线发生故障亮SFSystemFault系统故障——模块硬件故障或者软件故障亮RUN运行——运行时亮FRCE强制——当强制变量时亮STOP停止——PLC处于停止状态时亮5V绿色——+5V电源指示S7300指示灯2021/5/916故障判断方式触摸屏实现情况变频器通讯指示灯变频器面板工控机显示界面其他设备现象判断2021/5/917正常运行时转盘润滑油泵出现停止转动现象，转盘主电机依然正常运行，触摸屏不报故障（DO模块故障，原设计无接触器反馈）。典型案例40LDB(ABB)所有变频器均不能PLC控制启动，PLC的SF以及BF灯亮,程序死循环，去别掉电保存数值，重启解决问题。（程序设计缺陷）50DB(西门子)PLC状态下能使能，增加手轮MP1不能启动。（进入监控状态，测出输入模块故障）50DB钻机在下钻过程中系统中MP1不能准备，现场不报任何故障。(触摸屏纠偏零位)50DB(S120)2021/5/918西门子PLC相关软件的应用Step7V5.5的基本应用1S7-/300程序下载、上传2S7-200程序下载、上传32021/5/91904

钻机电控中常见的变频器2021/5/920变频器概述01整流回馈单元

02制动单元

03逆变器

04整流滤波电路逆变电路逆变器工作原理均压电阻的作用限流电阻的作用续流二极管的作用ABB与西门子变频器

052021/5/921变频器系统外部连接2021/5/922变频系统的构成232021/5/923变频器简要工作原理～整流部分储能环节逆变部分M交流交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流控制系统2021/5/924更为直观的交直交变频原理框图M3~电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2Rb:制动电阻R0:预充电电阻R1R2:均压电阻2021/5/925整流与滤波电路1滤波电容要均压2021/5/926整流与滤波电路2充电过程要限流

a）直接充电b）加入限流电阻思考:为什么限流电阻要并上KM2,它是什么,起什么作用?

2021/5/927三相逆变原理2021/5/928逆变电路

ａ）逆变电路ｂ）电压波形ｃ）电流波形2021/5/929逆变电路2021/5/930逆变电路逆变电路的结构

a）逆变电路b）输出电压实际波形c）输出电压等效波形

在逆变回路中并联反向二极管主要用于续流，同时由于负载存在感性，IGBT关断瞬间会在IGBT两端产生极高的自感反相电压，此电压可能击穿IGBT。并联的二极管将这个“自感反相电压”短路掉了，起到保护IGBT的作用。2021/5/931动态能耗制动单元

动态制动单元主要由斩波制动器与制动电阻一起组成能耗制动装置，用于消耗直流母线上的所有逆变装置所产生的回馈能量，完成能耗制动，

具体来说就是讲钻机下钻、转盘反转制动等产生的大量回馈能量消耗掉，保证钻机电控系统的正常运转。2021/5/932ABB制动单元结构图2021/5/933制动单元配件2021/5/934ABB-ACS8002021/5/935ABB-ACS800ACS800系列逆变器的最大优点在于冗余设计，尤其适合于石油钻机电控系统使用，减少现场维修维护工作量，降低对设备管理人员的技术水平要求。每一台逆变模块都是一台完整的三相逆变器，因此对于一般安装有三台逆变器的逆变单元，一台出现故障后，可以继续轻载运行，减少故障停机时间，而且为快拆块状结构，更换方便，避免因电控系统损坏而影响整机运转，在石油钻机上使用优势明显。2021/5/936ABB-ACS8002021/5/937ABB-ACS8002021/5/938西门子6SE70/712021/5/939

西门子6SE70/712021/5/940CUVC板是整个逆变装置的主控部分，所有控制参数都存储在CUVC的存储器中。所有参数的处理，各个电子板的控制协调工作都是由CUVC发出指令来控制的；组容吸收板是装在IGBT上的，是IGBT的吸收回路；IGD板也直接和IGBT相连，是控制IGBT的开通合关断的触发板，它接收CUVC发出的指令，然后由IGD板上的电路来控制IGBT的开关；IVI板上连接有各个传感器的电缆，也有CUVC与的排线（彩色）。IVI像是一个桥梁一样，连接着各个传感器合电子板，是所有信息，指令的交换中心，从CUVC发出的指令由IVI发往各个控制板，再将各个传感器收集来的信息传回CUVC；PSU板是变频器的电子板的供电单元，CUVC,IVI,IGD等电子板的电源都是由PSU板上的各个变压器，开关电路所调制出的＋24V，＋15V，－15V，＋5V等直流电源所提供的；EB1板，是钻机电控设备上经常出现的一个扩充电子板，EB1扩展板拥有3个数字量输入、4个双向数字输入/输出、1个差动模拟输入，可用于电流/电压输入、2个模拟输入(单端)，也可用作数字输入、2个模拟输出、1个外部24V连接，用作数字输出；DTI板是使用在有编码器的装置中的数字测速机接口板，v接口板可以连接具有差动输出的HTL编码器、电位隔离的HTL编码器、TTL编码器、可以支持大于150M的编码器电缆；CBP2板为MASTERDRIVES耦合到上一级自动化系统，即常说的通讯板，通过通讯通道与SIMATICS7CPU进行非周期性的参数值交换，参数值最大长度为118个字。2021/5/9412021/5/942西门子6SE70/71

2021/5/94305变频器故障与维修2021/5/944观现场—即目视检查,以发现形态上的异常,重点注意以下内容:变频器前端整流元件有无爆裂？预充电电阻是否有烧毁（表面是否灰白色或掉渣）的迹象预充电电阻的切除继电器是否有拉弧、烧坏迹象快熔是否熔断直流母线电容器是否有爆裂与飞弧的熏黑迹象与功率元件相连的阻容吸收元件、压敏器件有无爆裂？各线路板上是否有元器件爆裂、烧毁、开焊等现象？系统内是否存在异物，小动物或昆虫尸体，有无液体侵入，大量灰尘堆积等情况？（现场大部分炸机现象都是因为灰尘太多导致，钻机现场的恶劣环境程度决定了变频器寿命，电气工程师应注意平时的维护保养）闻气味—系统中是否留有元件爆裂、飞弧、烧毁等焦糊味道问情况—仔细询问对故障发生过程中经历的人员故障发生的现象和过程测元件—对前面问题了解清楚后再做后面的单项元件检测。变频器维修检测的基本原则2021/5/945ABB变频器维修拆装2021/5/946ABB变频器维修拆装2021/5/947ABB变频器维修拆装2021/5/948西门子变频器维修拆装2021/5/9491、更换CUVC或者RDCU前首先备份。2、ABB、西门子自身的舒适性面板本身能备份大部分参数，但是一些电机优化识别类的参数不能保存。3、ABB、西门子使用电脑端软件备份CU内程序是最安全可靠的也便于管理。4、DriveWindow和DriverMonitor分别是ABB、西门子的调试软件。注意：数据备份问题不能小觑，重要设备调试好的数据丢失，属重大责任事故。面板保存数据不很可靠，且易误操作损坏或丢失数据，重要设备参数尽量做PC机备份，最好在另外可靠的移动存储器做双备份。变频器维修--更换CUVC或RDCU2021/5/950更换RDCU-02C模块时应注意下载备份原传动参数，更换完RDCU-02C模块后要把备份的参数下载到新的模块中。下面介绍一下备份和下载RDCU-02C传动参数。1)计算机单独连接到指定的RDCU-02C控制板。2)备份传动点参数和系统软件和系统软件和系统软件：：（下列介绍的方法是控绑式下列介绍的方法是控绑式打包打包打包备份备份备份）3)启动Drivewindows2.2软件，选择“ABB.SMP“，点击”OK“按钮。4)创建备份包，名称默认为“Untitled.BPG5)备份所有传动点，选择BackupAll，或者备份单个传动点，选择Backup。6)选择所要备份的传动点名称。等待备份完成。7)保存备份包，或者选择所要存储的位置，然后保存。退出备份包。8)整个备份过程完成。下面介绍如何恢复传动点参数和系统软件：（下列介绍的方法是系统软件和参数同时被恢复）1)启动Drivewindows2.2软件。2)选择“ABB.SMP“，点击”OK“按钮。3)连接新的RDCU-02C板子后，更改99.02组参数DEVICENAME为此传动点在你所要恢复的包里定义的那个传动点的名称。4)打开存在的备份包。选择你想恢复的传动点所在的备份包。选择恢复，等待搜索。5)选择你所要恢复的传动点，你确认要恢复该传动点参数吗，如果是就选择“YES“6)等待恢复完成。退出备份包，整个恢复过程完成。更换RDCU前Drivewindows操作步骤2021/5/9511、在设备断电和完全放电后进行。2、场地干净，拆、装工具与部件、结构件应有区域存放。3、有正确、适用的拆装工具。4、准备好清洗剂（无水酒精）、耗材，注意防火。5、拆卸过程中做好记录，以备回装时查用。6、操作时穿着防静电工作服，佩带防静电完腕扣。注意经常执行静电释放动作。避免身体的静电损坏线路板及半导体元、器件。

不要用手直接触摸IGBT的触发极，否则可能直接损坏IGBT元件。变频器维修注意事项2021/5/952功率模块更换的前提是必须查到损坏的根本原因，并首先消除再次损坏的可能，才能更换逆变模块，否则换上去的新模块会再损坏。1)IGBT同绝缘栅场效应管一样要避免静电损坏。在装配焊接中防止损坏的根本措施是，把要修理的机器、IGBT模块、电烙铁、人、操作工作台垫板等全部用导线连接起来，使得在同一电场电位下进行操作，全部连接的公共点如能接地就更好。特别是电烙铁头上不能带有市电高电位，示波器电源要用隔离良好的变压器隔离。IGBT模块在未使用前要保持控制极G与发射极E接通，不得随意去掉该器件出厂前的防静电保护G-E连通措施。2)功率模块与散热器之间涂导热硅脂，保证涂层厚度0.1-0.25mm，接触面80%以上，紧固力矩按紧固螺钉大小施加（M413kg·cm，M517kg·cm，M622kg·cm），以确保模块散热良好。3)机器拆开时，要对被拆件、线头、零件做好笔记。再装配时处理好原装配上的各类技术措施，不得简化、省略。例如，输入的双绞线、各电极连接的电阻阻值、绝缘件、吸收板或吸收电容都要维持原样；要对作了修焊的驱动印制板进行清洁和防止爬电的涂漆处理，以及保证绝缘可靠，更不要少装和错装零部件。

变频器维修--更换功率模块2021/5/953

4)并联模块要求型号、编号一致，在编号无法一致时，要确保被并联的全部模块性能相同。5)对因炸机造成铜件的缺损，要把毛刺修圆砂光，避免因过电压发生尖端放电而再次损坏。(直流功率部分一样需要磨平，严重的散热部件需要铣床铣平)6)、有些无禁固部件的放置形态（如D尺寸装置中的电流互感器）需要注意安放方向标记。7)、拆装前必须完成装置的数据备份，要将工艺板的参数备份或记录完整。另一种方法是将原主板（CUVC或者是RDCU）原封不动暂存，用另一块CU板在维修期间暂用。8)、紧固可控硅与IGBT等功率器件时，应按照指明的紧固力矩植，用力矩扳手操作。9)、可控硅与IGBT模块在与散热器接触的底面上涂有导热硅脂，器件拆下后，用无水酒精将安装基面擦洗干净，器件安装时要重新涂覆导热硅脂。注意不是多多益善，越薄、越均匀越好。变频器维修--更换功率模块2021/5/954变频器维修--更换斩波器以及注意事项2021/5/95506

现场故障实例分析2021/5/956故障案例泥浆泵故障案例现场电机是直流它励电机，经检查发现其中一台电机的励磁严重偏小，导致电枢调节也不能满足正常的调节范围内MP1双电机功率分配不均衡01泥浆泵在手轮回零位后微微转动SCR柜中的泥浆泵触发板老化误触发。02泥浆泵不能启动系统不准备，无任何报警经过检查发现由于手轮不能回零大约在0.2V输出，零位连锁功能导致系统不准备所以不能启动，在触摸平时调整零位偏差后正常可启动。032021/5/957绞车故障案例某队更换完电机后未做动态辨识，绞车双电机运行时对电机优化要求较高更换电机后应做电机动态识别。AB绞车功率分配不均衡01绞车编码器松动。高速时绞车振动02经过示波器观察B绞车反馈波形失真严重，测试编码器线阻抗大，重新换掉编码器屏蔽线后正常。DWB变频器报速度差异03某队在接绞车线是将A绞车相序接法。AB绞车同时使用时振动并报警04故障案例2021/5/958其他故障案例通过观察能耗制动系统在绞车下方过程中在工作，由于ABB制动斩波器在多机器并联是才用的是主从关系，通过光纤通讯串行连接，其中间一个光纤口损坏都会导致信号传递的中断。直流母线电压报过压故障能，耗制动运行01某直流调速系统中转盘风机润滑油泵能正常运行但是主电机不能运行，检查发现PLC模拟量输出模块老化不能输出稳定正常的数值。RT不能使能转动02主电机突然停止时，对应设备的风机、润滑油泵等正常运行，检查系统反馈，最确定反馈系统中的24伏电原不稳定。进度MP1MP2DW经常出现突然停机，但无任何报警信息03单机使用时2301D控制柴油机组正常运行，当并车后功率均衡模块参与微调，经检查发现功率均衡的PWM控制信号没有进入2301，而是把其他端子接入的2301D，改线后正常。发电机单机正常并车后油门忽高忽低04故障案例2021/5/959长期周期故障案例1IGBT经常炸机26RA70可控硅经常烧3从站DP头过热烧毁某井队司钻房内的从站DP头微热随着时间越久发热越厉害，最后烧毁。电控房有漏电处，导致司钻房与电控房地之间有电压差，DP通讯线上产生电流导致DP发热。某井队连