西门子SINAMICS G150变频器在ZJ70LDB钻机上的应用
一、 项目简介
1. 企业简介
是一家集石油钻井工程施工、钻井工程技术服务、钻井工程节能服务、钻井仪器设备开发、钻机配套设备于一体的中关村高新技术企业，是国内民营企业早从事定向井技术服务的化公司之一。是中国石油化工集团公司和中国石油天然气集团公司获准从事石油钻井工程施工资格的民营股份公司。2003年8月，公司在新疆维吾尔族自治区库尔勒市出资成立了全资子公司“巴州派特罗尔石油钻井技术服务有限公司”，主要从事石油钻井、石油钻井技术服务、油田井维修施工作业任务；在钻井业务稳步发展的情况下，公司积极响应国家及油公司节能减排号召，于2012年4月开展节能服务业务。有巴州派特在塔里木盆地对各勘探公司钻机驱动系统进行“油改电”的技术改造，并在钻井驱动系统“油改电”完成后的钻井作业过程中提供运行维护等服务。2012年3月公司在香港注册成立了“香港派特罗尔油田服务有限公司”，主要从事石油设备贸易及国际油田服务投资管理。70LDB钻机变频控制系统是“油改电”的需求下诞生的一种用网电替代柴油机来驱动机械钻机的经济、节能性产品。
2. 70LDB钻机变频控制系统工艺介绍
目前，国内油田使用的钻机以柴油为燃料，用柴油发动机提供动力，燃油成本占钻井成本的比例逐年上升，居高不下；在钻井施工过程中，柴油机运行产生的噪音和废气对环境造成污染。机械/机电复合驱动钻机一般采用3-4台柴油机并车驱动，柴油机在运行中易出故障，维修量大，机械钻机不能调速，故障率高，无法更好地满足低泵冲、小排量、固井灌浆等钻井工艺要求。
采用由网电改造变频控制供电装置，将直接从工业电网上获取动力，经变压器转换，直接将高压网电变换为满足钻机系统使用的动力源。并且通过变频电机可以调速的优点对钻井设备运行速度的调整，提高能源的利用率，和钻机系统的稳定性和可靠性。降低了噪音污染，实现大气污染零排放。使钻井工作更加安全、高效和环保。节省大量的燃油和维护成本，明显提高经济效益。
钻机网电供电装置的电源引自附近35KV或者10kV的工业电网，经由高压房4000kVA 35KV/0.6KV（或3150kVA10kV/0.6kV）的变压器，变压器低压侧配电断路器4000A(3200A)，输出连接到井场控制核心设备变频房，经SVG有源滤波柜，用变频器拖动变频电机来驱动钻井机械如绞车，泥浆泵；为固控MCC部分和井场照明提供电源。基于变频电机的可调速特点，此控制装置亦可以对现有的钻井设备如绞车、泥浆泵等进行速度可调的柔性控制。
原来的系统中有4台柴油发电机，设计取走2台柴油机用2台变频电机替代。变频电机可单机运行，也可2台并机运行，一般情况下以变频电机为动力；留下的2台发电机作为备用，仅在网电断电或者变频系统故障时使用。
与现有技术相比，本系统的特点：
a) 工业电网的稳定性和电机的可靠性、增加钻机的动力稳定性和可靠性。
b) 减少柴油机的维护和柴油的运输使用费用。
c) 噪音低，无废气污染，实现零排放。
d) 可对钻井设备进行调速等柔性控制。改造后泥浆泵排量大、泵压高，转盘转速高，扭矩大，可大大提高钻进速度。
e) 钻机网电供电装置结构简单，维护方便。
f) 改善施工现场，减小周边环境的影响。
3. 西门子IDS产品信息
表1 主要西门子公司的设备清单
序号 | 名称 | 订货号 | 数量 |
1 | 电源模块 | 6ES7307-1BA01-0AA0 | 1 |
2 | CPU控制器 | 6ES7315-2AH14-0AB0 | 1 |
3 | RAM存储卡 | 6ES7953-8LL20-0AA0 | 1 |
4 | 数字量输入模块 | 6ES7321-1BL00-0AA0 | 2 |
5 | 数字量输出模块 | 6ES7322-1BL00-0AA0 | 1 |
6 | 模拟量输入模块 | 6ES7331-7KF02-0AB0 | 1 |
7 | RTD输入模块 | 6ES7331-7PF01-0AB0 | 1 |
8 | 模拟量输出模块 | 6ES7332-5HF00-0AB0 | 1 |
9 | G150变频柜 | 6SL3710-2GF41-4AA3-Z, Z=L26+L23+G60+L62+M90 | 2 |
4. 现场照片(见图1，图2)
图1井场全貌
图2 变频电机与柴油发电机
二、 IDS系统构成
整个系统的关系为35kV(10kV)架空线通过35kV(10kV)高压供电房(变压至0.6kV)给变频房(无功补偿，供配电，变频器)供电，控制变频电机(替换柴油机)驱动链条拖动井场设备。
高压供电房主要是把工业网电转化为井场控制/驱动电源，网电由高压进线柜/计量柜接入，高压出线柜经过变压器把高压电网上的高压电变为600V的低压控制电，经过低压开关柜输出给井场用电设备(主要为钻机房或者变频房)。
变频房由高压房的低压出线供600V电源，进行无功补偿和谐波抑制，给1200kW的G150供电驱动1100kW的电机；本房体还有一台1250kVar的0.6kV/0.4kV的变压器，0.4kV的电给原井场固控设备供电，也为电机风机提供电源。
图3 系统单线图
图4 变频房内部
图5 硬件配置图
图6 变频电机铭牌
图7 HMI主界面
系统设置初期，曾经对司钻房DCR操作箱和变频器的选择分别做过2个方案：
DCR操作箱的两个方案中一个有操作触摸屏和操作按钮；另一个方案没有触摸屏，只有操作按钮和指示灯。终考虑到现在空间及改造可行性，选用了没有触摸屏的方案，而在PLC的控制柜上安装了触摸屏用以操作和监控(解决了司钻房空间小，无法安装大体积设备问题，并且和原来的柴油发电机操作类似，因为柴油发电机也是本地操作)。
变频器初的方案为西门子的高性能多机传动系统SINAMICSS120，考虑和现场设备是液力耦合后链条拖动，终选用了SIEMENS的更为经济型的G150系列变频器。关于变频器的选型，咨询了西门子的专家，确认G150在液力耦合、减速箱和传动箱链接电机，并且G150独有的速度跟随能力，可以在大的负载突加至传动箱时，当负载侧速度跟传动箱有太大偏差时，瞬间降低自身输出频率，后逐步增加输出电流和频率，终缓冲负载冲击，实现稳定运行。
图8 DCR操作箱
三、 IDS系统完成的功能
ZJ70LDB钻机变频控制系统主要是替代柴油机来为机械钻机提供动力源。系统分别实现了单电机运行，双电机并车运行以及柴油发电机和电机并车运行：
1. 单电机运行
当设定界面中的控制模式设置为“纯VFD控制模式”时，此时可以单独分别运行两台电机来拖动链条箱。
单机运行的情况包括负载小的时候只需要启动一台电机；或者是链条箱分开时，两台电机分别拖动绞车和泥浆泵。
单电机运行比较简单，DCR操作箱上的电机“ON/OFF”转换开关和速度给定手轮，和电机一一对应，互不干涉。
2. 双电机并车运行
当设定界面中的控制模式设置为“纯VFD控制模式”时，此时可以运行两台电机来拖动链条箱。并机模式下的两台电机控制和速度都通过电机2来操作(电机2运行/停止，手轮2给定速度)，电机1和手轮1的控制不起作用。
双电机并车是负载比较大的情况下运行。
双电机并车控制和速度给定是同一个源，并且在PLC中，对两电机的速度反馈做了对比，根据差异对电机的速度给定进行微调。具体代码如下：
A M 0.5
FP #Mbit
= L 0.0
A L 0.0
A(
L #PowerDiff
L 5.000000e+000
>=R
)
JNB _001
L #SpeedOut
L 2
+I
T #SpeedOut
_001: NOP 0
L -5.000000e+000
<=R
JNB _002
-I
_002: NOP 0
L 819
>=I
JNB _003
_003: NOP 0
L -819
<=I
JNB _004
_004: NOP 0
并车模式双电机运行时，除了对速度的一致性控制，对两电机的扭矩也进行了比较，如果系统报警显示扭矩/功率差过大，则需要检查是否机械连接(摩擦离合器)有松动或滑动导致。
在双电机运行时，对VFD参数r1401.11设置为1，对Droop功能使能。软化从动电机的输出力矩，来实现负载平衡，避免机械损伤和电气故障。
图9，VFD速度给定
3. 柴油机和电机并车运行
当设定界面中的控制模式设置为“电油并车模式”时，此时可以运行柴油发电机和电机来拖动链条箱。
柴油机和电机并车是在负载特殊或者有单台电机故障，另一台电机无法满足当前钻井作业时运行。
柴油机和电机并车模式下，只可以先投入柴油发电机，再投入电机，顺序不可以；电油并车模式下，由于柴油机速度没有反馈到控制系统，柴油机速度不可以调节(柴油机速度1100rpm，实测出主轴速度，把此参数输入到HMI，之后按固定此速度并车)。
在现场实际操作时，因为受到负载平衡限制，并系统没有采集柴油发电机的速度，故很少采用此模式作业。
图10 柴油发电机与电机并车控制界面
四、 项目运行
系统从2014年6月9日带载以来，一直运行稳定。据统计，从2014-6-09至2014-08-25预计共用柴油425吨，每吨柴油按8700元算，共折合人民币3697500元；网电实际使用1220340度电，每度按1.25元算，折合人民币1525425元；不到三个月的时间，预计节省费用为2172075元(3697500-1525425=2172075元)。客户非常满意，近又追加4套订单。
五、 应用体会
该系统使用变频器拖动电机，完全实现了链条箱拖动速度可调，使得老式的机械钻机也能实现钻井作业的柔性控制。比其它同类的产品有明显的节能、易操作的优势。
SIEMENS PLC和G150通过Profibus交互数据，实现监视控制目的。更能方便的集成到一个系统项目中。
AOP30操作面板能实现基本的调试和参数设定，并能实时监控系统故障信息，使得项目实施快速高效。
SINAMICS G150可靠的性能和质量，为系统的稳定运行提供了有力的保障。
六、 参考文献
[1]SINAMICS G130/G150 产品目录D11.CN.2011
[2]SINAMICS G130/G150List Manual 参数手册
[3]SINAMICS LowVoltage Engineering Manual Version 6.1 April2011
