钻井平台电站管理系统中PLC的应用.pdf

电 气自 动 化 2 o 1 3 年 第3 5 卷第1 期 应 用实 Ap p l ic a t io n I d e a s 钻井平台电站管理系统中 P L C的应用 宋波。吴玉晓。陈鑫。张建国 海洋石油工程股份有限公司。 天津3 0 0 4 5 2 摘要介绍了钻井船舶的电力系统结构组成， 并应用 P L C技术对其进行管理 ， 以对钻井系统和低压配电的管理为例， 详细讲述了其工 作流程及控制方法 ， 展示了 P L C良好的控制能力。 关键词S 7 3 0 0 ； 电站管理 ； 钻井系统； 配电连锁 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 3 7 [ 中图分类号]T M5 7 1 ． 2 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 3 0 1 0 1 0 4一o 3 Th e Ap p l i c a t i o n o f S 7 3 0 0 i n Ma n a g e me n t S y s t e m S ONG B o，WU Yu ． x i a o ，C HE N Xi n，Z HAN G J i a n g u o O ff s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e f o r ma t i o n o f e l e c t r i c a l s y s t e m ， a n d s h o w s h o w P L C ma n a g e t h e s y s t e ms ， i t p a r t i c u l a r l y i l l u mi n a t e t h e wo r k i n g p r o c e s s a n d c o n t r o l me t h o d s b y t h e d r i l l i n g s y s t e ms a n d d i v i s i o n s y s t e m． Ke y wo r d s s 73 0 0；p o w e r s t a t i o n ma n a g e me n t ；d r i l l i n g s y s t e m ；e l e c t r i c a l i n t e r l o c k t ’ 引 昌 P L C是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统 装置， 专为工业现场应用而设计， 它采用可编程序的存储器， 用以 在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、 定时／ 计数和算术运算等 操作指令 ， 并通过数字式或模拟式的输入、 输出接口， 控制各种类 型的机械或生产过程。 目前， 国内外 P L C已广泛应用冶金、 石 油、 化工、 建材、 机械制造、 电力、 汽车、 轻工、 环保及文化娱乐等 行业。 1 电站 系统结构 某海洋石油钻井平台电站由2台4 0 0 0 k V A柴油发电机和 1 台 6 5 0 k V A应急柴油发电机组成， 主母线电压为 6 0 0 V， 向钻井系 统及全船其他电气设备供电， 电力系统单线图如图 1所示。全船 设备众多， 种类多样 ， 因此采用 s 73 0 0 P L C构建控制系统， 系统 包含两套 s 73 0 0型 P L C， 且配备有从站， 分别配置在司钻控制 台及泥浆控制台， 组成冗余系统， 增强系统的稳定性、 可靠性 ， 统 一 控制全船设备。 2 对低压配电的管理 全船系统错综复杂， 由图 1 可知， 供 电方式不仅包括主发电 机， 还包括应急发电机及岸上电源， 供电方式之间的逻辑关系相 对复杂， 各开关之间的逻辑互锁也成倍的增加 ， 因此要求控制能 力更强 ， 可靠性更高的系统与之相匹配。本平台运用 的 s 7 3 0 0 P L C其强大的控制能力及可靠的逻辑处理能力正好满足此要 求。实现 P L C对系统配电的管理 ， 首先将各开关的状态量输入 到 P L C中， P L C依据设计的程序对各输入状态量进行逻辑运算， 输出各个开关的动作信号 ， 从而实现开关之间的电气互锁。 系统由主发电机供电， 主电机分别配置在6 0 0 V母排的A、 B 两段上 ， 可以由单侧发电机组供电， 也可以同时启动两侧主发电 收稿 日期 2 0 1 2一 O 21 7 1 0 4 E le c t r i c a I A u t o ma t io n 图 1 电气 系统单线图 机同时供电， 由单侧机组供电时， 可以经母连断路器 Q F 5向另一 段母排供电， 当两段机组同时供电时， 此时母连 Q F 5禁止合闸， QF 5的电气连锁逻辑见图2 。 6 0 0 V母排电源通过两台变压器送至4 0 0 V母排 ， 两台变压 器禁止同时运行 ， 通过 Q r 3与 Q F 4之间的连锁实现。于此同时， 主电与岸电、 应急 4 0 0 V电源也存在连锁关系， Q F 3与其他开关 的连锁逻辑关系如图 2所示。由图 2可知， 当 Q F I O闭合或者 Q F 4 、 Q F 6同时闭合的情况下 Q F 3 禁止合闸。 同时， 4 0 0 V母排也可由陆地电源供电， 其逻辑关系为 Q r 3 、 Q F 4 、 Q r 9任 意闭合， Q F 1 0禁 止合闸。Q F 1 0电气连锁 逻辑见 图 2 。 应急4 0 0V母排可由主电4 0 0V A段经由Q v 7 、 Q F 8供电， 同 Q F 0 0 Q Fl l_ - J r QF I QF1 0 Q F 4 QF 6 Q F3 QF 4 Ql Q F 1 0 厂] I I I 1 1 ．- 一 l 用实侈 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第1 期 Ap p l ic a t i o n I d e a s QF 7P RI QF 7S E C 图 2 电气 连锁 逻辑 图 时主电4 0 0 V A段也可由应急 4 0 0 V母排供电， 此时 Q F 7存在两 边供电均可闭合的工况 ， 因此 Q r 7需要结合供电方向完成与其 它开关之间的连锁关系， 当主电向应急母排供电时， P L C的合闸 信号输出给 Q V 7的一次侧， 逻辑信号为 Q F 7 P R I ， 当应急母排向主 母排反送电时， P L C的合闸信号输出给 Q r 7的二次侧 ， 逻辑信号 为 Q F 7 S E C， Q r 7的电气连锁逻辑见图 2 。依据上述的逻辑互锁 关系， 编写 P L C程序如下 A f O” Q r 3 c l o s e d ” A” Q r 9 c l o s e d ” O ” Q F 4 c l o s e d ” A N ” Q F 1 c l o s e d ” O ” Q F I O c l o s e d ” A N ” Q F 2 c l o s e d ” A N” Q r 9 c l o s e d ” A N ” Q F 1 9 c l o s e d ” A N” c l o s e Q S 7 s e c o n d a r y ” A N ” c l o s e Q F 7 p r i m a r y ” ” c l o s e Q F 7 p ri ma r y ” ” c l o s e Q F 7 s e c o n d a r y 利用 P L C管理各开关之间的逻辑互锁关系， 不仅节省 了元 器件 ， 减小了配电空间， 还极大的提高了配电效率 ， 提高了系统的 稳定性 ， 可靠性。 3 对钻井系统的管理 钻井系统由转盘、 钻井绞车、 顶驱和泥浆泵组成 ， 其中泥浆泵 和钻井绞车均由2台 Y Z 0 8型 8 0 0 k W 直流电机驱动。6 0 0 V A C 母线电源经过5台直流传动柜变换成直流电通过负载分配柜供 给各泥浆泵 、 转盘、 钻井绞车使用，其分配方式通过 P L C进行逻 辑分配控制。 3 ． 1 泥浆泵的启动逻辑控制 1 选择泥浆泵控制方式 ①本地泥浆泵舱控制， ②遥控 司钻房控制 ； 2 驱动方式控制①、 ②、 ③、 ④、 ⑤每种驱动方式代表着 泥浆泵由不同的传动柜驱动； 3 泥浆泵辅机启动泥浆泵辅机包括喷淋泵、 润滑泵， 冷 却风机 A、 B 。辅机启动方式分为手动启动和自动启动， 手动启动 模式下由MC C直接启动辅机， 自动模式下， 由控制台启动。 4 泥浆泵启动首先检查辅机 的启动状况， 要求所有辅 机启动完毕。同时检查泥浆泵检修开关状态 ， 检修开关应在拔 出 位置。增加使能给定， 传动柜输出电压， 电流逐渐增大， 泥浆泵缓 慢启动。 5 灌注泵启动灌注泵的启动方式分为手动和自动启动 方式， 手动模式下由 MC C启动， 自动模式下跟随泥浆泵同时启 动。启动逻辑框图如图3所示。 图 3 泥浆泵启 动逻辑 图 叩1 a u I 坤l c o o l m p l I P I “ M P 1 B 1P l 辅助患 D F V E I - _ o t o r w a t e r c h a i n o i l 肝n 肿l B,r i n d - w i n d - 机启动完毕 IP1 co nt rol p唧 p ul p ov hal l o ve rka ll p res s ure p e s e _ 1} _ T _一 _ } _ 卜 } - 卜 } ． 卜 _ 一 “ D RI VES - I l l l 卜J l a mp t es t 图 4 部分程序代码 E l e c t r ic a l A u t o ma t io n 1 0 5 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第1 期 应 用实例__ A pp lic a t io n Id e a s 3 ． 2 逻辑保护与报警 1 驱动分配时一台传动柜每次只能驱动一台泥浆泵或其 他设备 ， 如改换其他传动柜驱动， 需停止所有运行的设备， 驱动分 配按钮 回零重新选择 。 2 使能给定旋钮不在零位时， 辅机及泥浆泵不能启动。 3 启动时， 任一台辅机启动失败 ， 泥浆泵将无法启动， 启 动后， 辅机的停止不影响泥浆泵运行 ， 仅发出报警信号。 4 检修开关处于插入位置时， 系统不允许启动。 5 泥浆泵双电机负载不平衡发出报警信号， 严重不平衡 时自动切断使能， 报警停车。 6 发电机输出功率过大时， 直流传动柜使能给定将被限 制， 继续增加无效。 部分程序代码如图4所示。 上接第 1 3页 2 ． 4 系统模型参数辨识 对于式 9 及式 1 0 中的多项式中的参数 ， 可以通过下面的 递推最小二乘算法得到 j 一1 K E y 一 T |j} 一1 ] P k [ ，一K k 0 ] P k一1 0 0 0， P O c I C0 式中 为遗忘因子， k 为参数向量估计， k 为对应的数据 向量 。 其中 0 k [ A k ， A 2 k ， ⋯， A 。 k ， B 0 k ， Bl k ， B k ， ⋯ ， 一 k ] 咖 k [ Y k ， y k一1 ， ⋯， Y kn 。1 ， k一1 ， “ k一2 ， ⋯ ，“ kn 61 ] 。。 3 仿真实例 给定一个单输入单输出被控对象传递函数模型 10 ． 7 0 z 0 ． 1 2 z Y k 0 ． 6 00 ． 9 0 z ‘ 。 k一1 k ／ A 预测长度 P 6 ， 控制长度 m 2 ， 控制加权系数 A 0 ． 8 ， 采样 图1 两种算法的输出响应对比 1 0 6 E l e c t r ic a l A u t o ma t io n 4 结束语 由于 s 7 3 0 0 P L C强大的逻辑控制能力， 运行的可靠性及稳 定性， 使得电站获得很好的稳定性 ， 运行、 维护也变得简单， 随着 电站系统容量的增大， 自动化程度 的提高， P L C在 电站管理当中 起的作用也越来越重要。 参考文献 [ 1 ]陈建明． 电气控制与P L C应用[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 6 ， 8 ． [ 2 ]丁书文． 变电站综合自动化现场技术[ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 8， 6． [ 3 ]杨荫 福 ， 段 善 旭． 电力 电子 装 置及 系统 [ M] ． 北 京 清华 大 学 出版 社 ． 2 0 0 6 ． 【 作者简介】宋 波 1 9 8 7一 ， 男， 天津人， 学士， 助理工程师， 电气工程及 其 自动化专业 ， 从事海洋工程调试 工作。 周期 T 0 ． 1 1 S ， 柔化系数 0 ． 1 ， 遗忘系数取 0 ． 9 6 ， k 0 ， 参考信号W k 1 0 ， 运用同样的参数， 传统 P I D算法和 G 1 ， 2 一 G P C P I D算法仿真结果如图 1 所示。其中， 峰值较高的曲线代 表传统 P I D算法 ， 峰值较低的曲线代表改进型 G 1 ， 2 一G P C P I D算法。 图 1中 r ， y为无 因次量 ， 且 r l 0 。 从图1可以看出本文使用的 G 1 ， 2 一G P CP I D预测算法 比传统的P I D控制器更加平滑， 新的预测算法所需用的时间比传 统算法更快达到稳定。另外， 本文建立的P I D控制器在控制对象 和设定值变化时能调用控制算法， 对新的控制对象 P I D参数进行 调整 ， 具有一定的自适应性 ， 有效地减小了超调量和响应时间， 而 传统算法则不具备这一优点。 4 结束语 基于灰色广义预测 G 1 ， 2 一G P C 的 P I D控制器实现了 P I D参数整定的自适应性， 有效地减少了系统的超调量和调节时 间， 提高了实时跟踪性。当被控对象变化较大固定取值 P I D不能 满足要求时， 基于 G 1 ， 2一 G P C的 P I D控制器能计算出一组新的 参数 ， 最终使系统处于稳定状态， 有效地增强了系统的稳定性。 对这种 自适应控制方法稍作改进便能有效解决工业控制中的大 时滞问题。 参考文献 [ 1 ]邓聚龙． 灰色控制系统[ M] ．武汉 华中工学院出版社， 1 9 8 5 ． [ 2 ]庞中华， 崔红．系统辨识与自 适应控制 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 北 京航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 9 1 0 61 0 7 ． [ 3 ]张柯 ， 王明春 ， 张雨飞． G P CP I D串级控制在主汽温控制 系统 中的仿 真研究 [ J ] ． 锅炉技术 ， 2 0 0 6 ， 3 7 1 2 0 2 3 ． [ 4]郭伟 ， 王伟 ．一种改进的广义预测控制 算法分 析与应用 [ J ] ． 电气 自 动化 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 91 0 ． [ 5 ]朱苏朋， 符文星， 杨军． 计算机控制及仿真[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 2 0 0 9 7 2 7 3 ． [ 6 ]韩正之 ， 陈彭年 ， 陈树 中．自适应控制 [ M] ． 北京 清华大 学出版社 ， 2 01 1． 】 011 O 3 【 作者简介】 王江荣 1 9 6 6 一 ， 男， 甘肃静宁人， 硕士， 教授。主要从事 模糊 、 神 经网络 、 数值计算和控 制理论 与应 用方面的研究。