可編程計(jì)算機(jī)控制器在鉆井平臺SCR 系統(tǒng)中的應(yīng)用

勝利海洋鉆井公司是我國唯一一家從事淺海、極淺海鉆井作業(yè)的專業(yè)化公司。現(xiàn)有鉆井平臺八座，其中勝利九號鉆井平臺是1995 年底從美國引進(jìn)的，為三樁自升式懸臂梁結(jié)構(gòu)，作業(yè)水深30m ，鉆井能力7000m 。其可控硅系統(tǒng)(SCR）是美國ISC 公司于1978 年設(shè)計(jì)制造的。在過去兩年的鉆井作業(yè)中，暴露出了許多弊端，多次出現(xiàn)故障，影響了鉆井生產(chǎn)的順利進(jìn)行，不能很好地滿足鉆井生產(chǎn)的需要。為此，對平臺的SCR系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。經(jīng)過兩個(gè)鉆井井組的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果。

此項(xiàng)改造，為海洋鉆井平臺SCR系統(tǒng)采用數(shù)字化智能控制探索出了一條新的思路。

2 原SCR 系統(tǒng)故障分析及改造方案的提出

勝利九號鉆井平臺的SCR系統(tǒng)是1978 年設(shè)計(jì)制造，由于設(shè)備老化，元件陳舊等原因多次出現(xiàn)故障，主要表現(xiàn)為：控制系統(tǒng)運(yùn)行不可靠，靈敏度低，引起設(shè)備誤動作；保護(hù)功能不完善，缺乏電流限制和功率限制，曾發(fā)生過燒毀可控硅的嚴(yán)重事故；在大負(fù)荷時(shí)造成憋車現(xiàn)象，給柴油機(jī)的正常運(yùn)行造成極大的壓力，給日常設(shè)備檢修帶來很大的不便，容易造成井下復(fù)雜情況，不能很好地滿足鉆井生產(chǎn)的需妥。此外，由于這些原因給頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的安裝和調(diào)試也會帶來麻煩。

鑒于以上原因，作者提出了利用可編程控制器對SCR系統(tǒng)改造的設(shè)想，并與電器維修中心協(xié)商論證，擬訂了可編程計(jì)算機(jī)控制器為中樞的SCR系統(tǒng)改造方案。經(jīng)過一年時(shí)間的系統(tǒng)分析，考證及試驗(yàn)，在準(zhǔn)確掌握各種工況的基礎(chǔ)資料后，于1998 年3 月對平臺的SCR系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

采用可編程計(jì)算機(jī)控制器（Programmahle computer controlle ，簡稱PCC）控制的智能化控制系統(tǒng)，其最大優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)、靈敏度高；具有故障自診斷和數(shù)據(jù)顯示功能，便于排除故障，電流限制合理，準(zhǔn)確；保護(hù)停機(jī)與報(bào)警功能完善。大大提高了安全生產(chǎn)效率。

3 改造后的SCR系統(tǒng)介紹

這次SCR 系統(tǒng)主要改造了控制系統(tǒng)，包括PCC 控制、觸發(fā)電路、電壓電流反饋電路等，下面將分別介紹。

3.1 可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC)

可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）選用上海貝加萊工業(yè)自動化（上海）公司的2000 系列產(chǎn)品。可編程計(jì)算機(jī)控制器代表著一個(gè)全新的控制概念，它集成了 可編程控制器（Programmable Logical controller ，簡稱PLC ）的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)功能。它能方便地處理開關(guān)量、模擬量，進(jìn)行回路調(diào)節(jié)，并能用高級語言編程，具備大型機(jī)的分析運(yùn)算能力。其硬件具有獨(dú)特新穎的插拔式模塊結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴(kuò)展和組合。軟件也具備模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)只需在原有基礎(chǔ)上疊加應(yīng)用軟件模塊，其應(yīng)用可從簡單的邏輯控制直到復(fù)雜的分散化控制。可以說，PCC是這次改造后的SCR 系統(tǒng)的大腦中樞。在SCR系統(tǒng)中起了非常重要的作用。

B&R2003 系統(tǒng)是一種緊湊型的可編程計(jì)算機(jī)控制器，是這次改造的主要元件。它兼有中央智能和遠(yuǎn)程智能，既能以自己的CPU 作獨(dú)立的控制器，并進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展，又能和現(xiàn)場總線連接，作遠(yuǎn)程I / O 模塊。B＆R2003 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也是模塊式的，所有的模塊尺寸都相同，擴(kuò)展和應(yīng)用非常靈活。還能提供不同的檢測功能，如I / 0 模塊電壓監(jiān)控、站電壓監(jiān)控、排障監(jiān)控、空閑周期監(jiān)控、輸出監(jiān)控等。

B＆R2003 系統(tǒng)的硬件包括以下幾個(gè)方面：

( 1 ）處理器：Motorola+RISC ;
( 2 ）一個(gè)CPU 存儲容量：帶EPROM 和FLASHPROM 的模塊（100K ~16MRAM 和256K ~16MROM ) ;
( 3 ）數(shù)字I / 0 模塊：每個(gè)模塊八點(diǎn)（晶體管或繼電器）;
( 4 ）模擬I / O 模塊；每個(gè)模塊四個(gè)通道（電壓、電流等）;
( 5 ）基板，最多可放九個(gè)模塊；
( 6 ）網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場總線接口：CAN 、RS232 / RS485 / RS422 。

3.2 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路板是根據(jù)SCR ON橋?qū)τ|發(fā)脈沖的要求而設(shè)置的。本次系統(tǒng)改造觸發(fā)電路采用CA6100數(shù)字型觸發(fā)板。CA6100觸發(fā)橋具有通用特性，用于控制可控硅的門極延遲觸發(fā)角，從而實(shí)現(xiàn)移相控制。

CA6100通用可控硅觸發(fā)板是以40 芯CMOS 大規(guī)模集成電路（專用芯片）為核心，利用鎖相關(guān)技術(shù)（PLL）和多芯片合成技術(shù)（ MCM ) ，根據(jù)壓控振蕩器（VCO ）鎖定的三相同步信號間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)出的一種可控硅觸發(fā)系統(tǒng)。0～5V 的直流輸入電壓信號，可以控制輸出脈沖的移相范圍從5° -175°可調(diào)。任何可調(diào)或手動輸出的電壓都可以很方便的與其連接，以控制大功率可控硅的工作。它在計(jì)算機(jī)、模擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器與大功率可控硅之間形成了一個(gè)很好的緩沖界面，一方面，保證可靠而且有效的傳輸控制信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的控制功能；另一方面，大大減輕了主電路對控制電路的干擾，在計(jì)算機(jī)及控制電路失控時(shí)能夠自動保證主電路安全，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

CA6100觸發(fā)電路板具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

( l ）輸出的三相觸發(fā)脈沖通過高頻同步脈沖分頻計(jì)數(shù)輸出，因而具有高度的對稱性、均衡性和良好的控制線性度；
( 2 ）觸發(fā)板無需同步變壓器，同步信號直接用高值電阻取自與可控硅相連的主回路，自動實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步；
( 3 ）觸發(fā)板集缺相保護(hù)、軟啟停等功能于一體，功能密集程度較高；
( 4 ）具備相序自動測控核對能力，從而使其在主電路與調(diào)節(jié)器的聯(lián)線上變得簡單、可靠，無需作任何調(diào)測便能投入運(yùn)行；
( 5 ）主觸發(fā)板與輔助觸發(fā)板相結(jié)合，可以很方便的實(shí)現(xiàn)輸出12 個(gè)門極脈沖信號，而不再需要另外一個(gè)獨(dú)立的門極延遲發(fā)生器。

3.3 其他元件

該系統(tǒng)的電流取樣信號采用1500A / 0.1A 三相全橋整流，并帶有微分反饋。電壓取樣信號是把主回路直流電壓分壓后取得。

4 功能介紹

這次SCR 系統(tǒng)改造，較過去增加了電流限制、閃光報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、保護(hù)等功能、使SCR系統(tǒng)更為完善、安全、可靠。

4.1 電流限制

電流限制功能可由外部電位器設(shè)定，也可以由計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)定。對于不同的設(shè)備，根據(jù)負(fù)載情況不同，而電流限制不同。帶動泥漿泵時(shí)，雙電機(jī)電流限定為1400 A ，由PCC 內(nèi)部設(shè)定。帶動絞車時(shí)，單電機(jī)限定電流900A ，帶雙電機(jī)電流限定為1800 A，腳踏時(shí)減半，由PCC 內(nèi)部設(shè)定。轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)為活動限制，由鉆臺通過手輪電位器給定，通過PCC處理以后輸出響應(yīng)。

4.2 報(bào)警和保護(hù)功能

(1)當(dāng)主可控硅柜內(nèi)冷卻風(fēng)機(jī)故障時(shí)，鉆臺和可控硅室內(nèi)SCR ON 指示燈同時(shí)頻閃（l 秒／次）。此時(shí)仍可強(qiáng)制使用，但只能維持10 分鐘（以手輪或腳踏啟動時(shí)計(jì)）, 10 分鐘以后封鎖觸發(fā)板并閃光報(bào)警（0.5 秒／次）。

(2）具有可靠的手輪封鎖功能，當(dāng)手輪和腳踏均不啟動時(shí)，或啟動時(shí)手輪沒有回到零位，觸發(fā)板均被封鎖，絕不產(chǎn)生失控間題。

(3）泥漿泵運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電流超過1200 A時(shí)，鉆臺和可控硅室內(nèi)SCR ON指示燈頻閃（1 秒／次）警示。

(4）具有合理的腳踏功能。當(dāng)腳踏啟動時(shí)，最大電流限制為電機(jī)電流的50 % ，不會產(chǎn)生憋車現(xiàn)象。手輪和腳踏可以并用，當(dāng)絞車手輪啟動以一定的速度運(yùn)行時(shí)，踩下腳踏開關(guān)，絞車在原速度的基礎(chǔ)上加速運(yùn)行，并且腳的“感覺”很好，即當(dāng)手輪的速度為V 時(shí)，記手輪的百分比速度為VH % ，則余下的（1 一VH % ）可由腳踏按行程均勻分擔(dān)。

(5）當(dāng)各路開關(guān)選擇正確，但回路開路時(shí)，SCR 系統(tǒng)報(bào)警（l 秒／次）或停機(jī)并報(bào)警（0.5 秒／次）:

電流反饋回路開路時(shí)，報(bào)警；
電壓反饋回路開路時(shí)，報(bào)警；
手輪給定回路開路時(shí)，停機(jī)并報(bào)警；
腳踏給定回路開路時(shí)，報(bào)警，并使該回路無效；
轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)電流限制回路開路時(shí)，停機(jī)并報(bào)警。

（6）PCC 面板可顯示可控硅所帶負(fù)載，可控硅的電壓、電流，風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況及報(bào)警原因，且報(bào)警有記憶功能。

5 結(jié)束語

改造后的可控硅系統(tǒng)經(jīng)過兩個(gè)鉆井井組的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，改造取得了成功。這次可控硅系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)了鉆井平臺模擬控制到數(shù)字智能化控制的飛躍，為國內(nèi)鉆井平臺可控硅系統(tǒng)數(shù)字化控制探索出了一條新途徑。