可編程計算機控制器在鉆井平臺SCR 系統中的應用

勝利海洋鉆井公司是我國唯一一家從事淺海、極淺海鉆井作業的專業化公司。現有鉆井平臺八座，其中勝利九號鉆井平臺是1995 年底從美國引進的，為三樁自升式懸臂梁結構，作業水深30m ，鉆井能力7000m 。其可控硅系統(SCR）是美國ISC 公司于1978 年設計制造的。在過去兩年的鉆井作業中，暴露出了許多弊端，多次出現故障，影響了鉆井生產的順利進行，不能很好地滿足鉆井生產的需要。為此，對平臺的SCR系統進行了技術改造。經過兩個鉆井井組的實驗運行，各項性能指標達到了預期效果。

此項改造，為海洋鉆井平臺SCR系統采用數字化智能控制探索出了一條新的思路。

2 原SCR 系統故障分析及改造方案的提出

勝利九號鉆井平臺的SCR系統是1978 年設計制造，由于設備老化，元件陳舊等原因多次出現故障，主要表現為：控制系統運行不可靠，靈敏度低，引起設備誤動作；保護功能不完善，缺乏電流限制和功率限制，曾發生過燒毀可控硅的嚴重事故；在大負荷時造成憋車現象，給柴油機的正常運行造成極大的壓力，給日常設備檢修帶來很大的不便，容易造成井下復雜情況，不能很好地滿足鉆井生產的需妥。此外，由于這些原因給頂部驅動鉆井系統的安裝和調試也會帶來麻煩。

鑒于以上原因，作者提出了利用可編程控制器對SCR系統改造的設想，并與電器維修中心協商論證，擬訂了可編程計算機控制器為中樞的SCR系統改造方案。經過一年時間的系統分析，考證及試驗，在準確掌握各種工況的基礎資料后，于1998 年3 月對平臺的SCR系統進行了改造。

采用可編程計算機控制器（Programmahle computer controlle ，簡稱PCC）控制的智能化控制系統，其最大優點是可靠性強、靈敏度高；具有故障自診斷和數據顯示功能，便于排除故障，電流限制合理，準確；保護停機與報警功能完善。大大提高了安全生產效率。

3 改造后的SCR系統介紹

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

3.1 可編程計算機控制器（PCC)

可編程計算機控制器（PCC）選用上海貝加萊工業自動化（上海）公司的2000 系列產品。可編程計算機控制器代表著一個全新的控制概念，它集成了 可編程控制器（Programmable Logical controller ，簡稱PLC ）的標準控制功能和工業計算機的分時多任務操作系統功能。它能方便地處理開關量、模擬量，進行回路調節，并能用高級語言編程，具備大型機的分析運算能力。其硬件具有獨特新穎的插拔式模塊結構，可使系統得到靈活多樣的擴展和組合。軟件也具備模塊結構，系統擴容時只需在原有基礎上疊加應用軟件模塊，其應用可從簡單的邏輯控制直到復雜的分散化控制。可以說，PCC是這次改造后的SCR 系統的大腦中樞。在SCR系統中起了非常重要的作用。

B&R2003 系統是一種緊湊型的可編程計算機控制器，是這次改造的主要元件。它兼有中央智能和遠程智能，既能以自己的CPU 作獨立的控制器，并進行遠程擴展，又能和現場總線連接，作遠程I / O 模塊。B＆R2003 系統的結構也是模塊式的，所有的模塊尺寸都相同，擴展和應用非常靈活。還能提供不同的檢測功能，如I / 0 模塊電壓監控、站電壓監控、排障監控、空閑周期監控、輸出監控等。

B＆R2003 系統的硬件包括以下幾個方面：

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

3.2 觸發電路

觸發電路板是根據SCR ON橋對觸發脈沖的要求而設置的。本次系統改造觸發電路采用CA6100數字型觸發板。CA6100觸發橋具有通用特性，用于控制可控硅的門極延遲觸發角，從而實現移相控制。

CA6100通用可控硅觸發板是以40 芯CMOS 大規模集成電路（專用芯片）為核心，利用鎖相關技術（PLL）和多芯片合成技術（ MCM ) ，根據壓控振蕩器（VCO ）鎖定的三相同步信號間的邏輯關系設計出的一種可控硅觸發系統。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。任何可調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。它在計算機、模擬或數字調節器與大功率可控硅之間形成了一個很好的緩沖界面，一方面，保證可靠而且有效的傳輸控制信號，實現系統設定的控制功能；另一方面，大大減輕了主電路對控制電路的干擾，在計算機及控制電路失控時能夠自動保證主電路安全，提高了系統工作的可靠性。

CA6100觸發電路板具有以下的優點：

( l ）輸出的三相觸發脈沖通過高頻同步脈沖分頻計數輸出，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，自動實現與電網同步；
( 3 ）觸發板集缺相保護、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節器的聯線上變得簡單、可靠，無需作任何調測便能投入運行；
( 5 ）主觸發板與輔助觸發板相結合，可以很方便的實現輸出12 個門極脈沖信號，而不再需要另外一個獨立的門極延遲發生器。

3.3 其他元件

該系統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 系統改造，較過去增加了電流限制、閃光報警、數據顯示、保護等功能、使SCR系統更為完善、安全、可靠。

4.1 電流限制

電流限制功能可由外部電位器設定，也可以由計算機內部設定。對于不同的設備，根據負載情況不同，而電流限制不同。帶動泥漿泵時，雙電機電流限定為1400 A ，由PCC 內部設定。帶動絞車時，單電機限定電流900A ，帶雙電機電流限定為1800 A，腳踏時減半，由PCC 內部設定。轉盤或頂驅為活動限制，由鉆臺通過手輪電位器給定，通過PCC處理以后輸出響應。

4.2 報警和保護功能

(1)當主可控硅柜內冷卻風機故障時，鉆臺和可控硅室內SCR ON 指示燈同時頻閃（l 秒／次）。此時仍可強制使用，但只能維持10 分鐘（以手輪或腳踏啟動時計）, 10 分鐘以后封鎖觸發板并閃光報警（0.5 秒／次）。

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

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

(4）具有合理的腳踏功能。當腳踏啟動時，最大電流限制為電機電流的50 % ，不會產生憋車現象。手輪和腳踏可以并用，當絞車手輪啟動以一定的速度運行時，踩下腳踏開關，絞車在原速度的基礎上加速運行，并且腳的“感覺”很好，即當手輪的速度為V 時，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。

(5）當各路開關選擇正確，但回路開路時，SCR 系統報警（l 秒／次）或停機并報警（0.5 秒／次）:

電流反饋回路開路時，報警；
電壓反饋回路開路時，報警；
手輪給定回路開路時，停機并報警；
腳踏給定回路開路時，報警，并使該回路無效；
轉盤或頂驅電流限制回路開路時，停機并報警。

（6）PCC 面板可顯示可控硅所帶負載，可控硅的電壓、電流，風機運行情況及報警原因，且報警有記憶功能。

5 結束語

改造后的可控硅系統經過兩個鉆井井組的實驗運行，各項性能指標均達到了預期設計要求，改造取得了成功。這次可控硅系統改造實現了鉆井平臺模擬控制到數字智能化控制的飛躍，為國內鉆井平臺可控硅系統數字化控制探索出了一條新途徑。