西门子6ES7223-1BF22-0XA8量大从优

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一、引言

    油田钻机是油井生产的较主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。 由于其钻井工艺的特殊性，对钻机电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，一直是国外产品的。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的缺点，油田上因变频器故障却得不到及时维修造成质量事故的现象时有发生。并且国外变频器在结构上采用变频器并联的形式，占地面积大，给井队搬家带来不必要的麻烦。在这种形式下，我们针对钻机的特殊工况，*了可替代进口机的高性能国产钻机**变频器。该变频器采用单元并联，体积小，重量轻，便于安装、维护，调试容易，效，性能稳定。 

    变频驱动钻机较传统钻机有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效。变频技术在油田钻机上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。 

二、田钻机系统存在的问题 

    大庆市石油管理局井下钻井公司原有一套可打 3000 米深度的钻井设备。该设备控制系统主要包括三大部分：动力系统（由 2 × 500KW 柴油发电机组构成， 2 台机组并网于 3 相， 380V/50Hz 交流母线）；泥浆循环系统；钻井传动系统（包括 1 套 500KW 电机转盘和绞车驱动系统、 4 台 45KW 电机如液压泵等）。

该控制系统存在以下问题： 

（1）司钻工只有通过不断更换五个档位，才能调节转盘转速和钻进压力，进而改变钻进速度，工作效率低。 
（2） 每次 换档时 , 电动机要反复启停几次 ,在起动过程中会产生过大的启动电流， 对电网和其他设备造成冲击 ,常因 电动机启动电流大而引起发电机组电压下降，其他设备无法正常工作。 
（3） 低速提升时 , 只有更换低档位才能达到低速控制要求 ,而 电动机在钻井过程中处于工频运行状态，浪费了大量的电能。 
        
    针对原控制系统存在工作效率低，操作复杂等诸多问题，我们配合大庆市石油管理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。

三、技术改造方案 

    钻井传动系统是油田钻机系统中*的组成部分，一旦传动系统不能运行，不但影响生产，造成巨大经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对传动系统要求具有极高的可靠性。 我公司是国内早研制变频器的公司之一，具有低压大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据 “经济、、可靠”的原则， 大庆市石油管理局井下钻井公司选择了我公司生产的 JD - BP32 - 500 型 （ 500KW/380V ）钻机** 变频器，该 钻机** 变频器配备了工业控制计算机作为上一级监控系统，液晶触摸操作，可对各种运行数据进行监控，具备完善的保护功能和定位系统，自动化程度高。 

1 ．钻机** 变频器系统组成框图 

该系统组成框图如图 1 示：

K **断路器 
C 交流接触器 
M 绞车电机 

2 ．钻机** 变频器系统介绍 

该系统包括四部分 ∶ 

（1）进线开关柜∶ 

    开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。主要由**断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。 
（2） 变频柜 ∶ 

    变频器由两个交 - 直 - 交逆变单元组成，采用单元并联技术，增大了变频器容量；采用公共直流母排方案，共用电容器组，增大了电容器容量；采用*特的吸收电路 （ 如图 2 所示 ） ，减小了 di/dt, 保护了功率模块，增大了安全系数。 

    因钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，电流会在瞬间升高很大，产生对模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出间直接短路模块也能在 10us 内及时封锁输出 , 保护了变频器 , 提高了整机的安全性和使用寿命。吸收电路如图2所示。

U+：正母线   U-：负母线  IGBT： 功率模块   R： 电阻  D：快恢复二极管   C：电容 

3） 制动单元 ∶ 

    该部分主要负责系统快速停机时，耗掉系统的惯性能量，内含刹车电阻和刹车控制系统，采用芯片自处理技术控制刹车界限 , 。 

（4）远程系统： 

    该部分主要实现变频系统的远控操作和监控以及提供对外部进行数据交换的接口。 

3．系统主要控制功能

（1）电机启动 / 停止 
（2）电机正转 / 反转 
（3）变频系统复位 
（4）频率调节 
（5）电机电流电机转速显示 
（6）变频器运行指示 
（7）变频器故障指示 

    以上 7 点功能在工控机触摸屏上均能实现，同时能提供对外部设备进行数据交换的接口，留有 16 路数字输入接口， 10 路数字输出接口，同时留有一路 RS232 通讯接口，方便与外部设备进行数字交换。

4． 变频系统主要技术指标 : 
     
额定功率 500KW 
额定输入电压 380VAC 3 相 
输入电压波动 ±20% 
额定输入频率 50Hz 
频率波动 ±5% 
额定输出电压 380VAC 3 相 
额定输出频率 33 . 5Hz 
额定输出电流 940A 
过载电流 1 . 5 倍电流 1 分钟 
输出短路电流 2.0 倍电流立即保护 
工作方式连续 
较高输出频率 50Hz 

5． 系统特殊性能： 

    石油钻机**变频器与一般变频器相比较，性能主要有以下不同点： 
（1）变频器能够从 “零”开始调速，方便变速箱换档，从而避免挂换档时反复启停电机的情况，即当变频器频率低于 2 Hz时，此时电机无扭矩，处于自由状态。 
（2）当 钻井堵钻时，变频器能及时断开电机，保护动力设备，避免转矩过大扭断钻具，因此变频器设置了负载限制功能。 
（3）在低速提升时，变频器能较大限度的发挥电动机的动力性能，提供 220% 转矩 输出。 

四、应用举例：在取心井上的应用 

    取心井，顾名思义是把岩心从井下取出，目的为研究地质构造和分布层次。由我公司生产的 JD-BP32-500 变频器于 2004 年 6 月在大庆市井下钻井大队 30102 队一口取心井安装调试。此井设计井深 2130 米，自 1542 米到 1605 米下限为取心段，共取心 8 筒，收获率均达 99% 以上。在正常打井时用二档，转盘转速 280 转 / 分，变频输出电流在 200 — 800A 之间。提升时频率为 7Hz 左右，提升电流不超过 1000A 。整个钻井过程中电流变化如下表1：

    钻井过程中，减少了换档次数，减少了大的启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻工的劳动强度，提高了整个井队的工作效率。且低频取心提升时，电机转速只有 120 转 / 分，据实测数据显示，采用变频改造后，打一口井节省柴油 15t 。 

五、改造效果 

    系统变频运行，电机实现了软启动、软停车。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命和维修周期，避免了电机烧毁等经济损失，减少了维修费用。系统采用过流、过压、欠压、短路、缺相、温升、失速等多种保护，更加。通过改造，减少了钻机的作业时间，提高了钻机的工作效率。本系统良好的驱动性能，保护了钻井设备并提高钻井的质量，用户给予了很高的评价，经过近一年的生产运行，该系统性能好，可靠性高，操作方便，达到了 改造的 预期效果。 

数据在存储器中存取的方式

1．位、字节、字和双字

二进制数的1位（bit）只有0和1两种不同的取值，可用来表示开关量（或称数字量）的两种不同的状态，如触点的断开和接通，线圈的通电和断电等。如果该位为1，则表示梯形图中对应的编程元件的线圈“得电”，其常开触点闭合、常闭触点断开，以后称该编程元件为1状态，或称该编程元件ON。反之亦反。

8位二进制数组成1个字节（Byte），其中的第0位为较低位（LSB），第7位为较高位（MSB）。两个字节组成1个字（Word），两个字组成1个双字。

2．数据的存取方式

（1）“位”存取方式：位存储单元的地址由字节地址和位地址组成，如I3.2，其中的区域标识符“I”表示输入（bbbbb），字节地址为3，位地址为2。如图：



这种存取方式称为“字节·位”寻址方式。

（2）“字节”存取方式：输入字节IB3（Byte）由I3.0~I3.7这8位组成。

（3）“字”存取方式：相邻的两个字节组成一个字，一个字中的两个字节的地址必须连续，且低位字节在一个字中应该是高8位，高位字节在一个字中应该是低8位。IW14表示由IB14和IB15组成的1个字，IW14中的I为区域标识符，W表示字（Word），14为起始字节的地址。IW14中的IB14应该是高8位，IB15应该是低8位。

（4）“双字”存取方式：相邻的四个字节表示一个双字，四个字节的地址必须连续。较低位字节在一个双字中应该是较高8位。ID12表示由IB12~IB15组成的双字，I为区域标识符，D表示存取双字（Double Word），12为起始字节的地址。ID12中的IB12应该是较高8位，IB15应该是较低8位  PLC控制系统产生I/O滞后现象的 主要原因如下：
（1） 由于PLC采用循环扫描的工作方式。
      PLC只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入/输出，导致输出信号相对输入信号滞后。
（2） 输入滤波器对信号的延迟作用。
滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。
有的PLC其输入电路滤波器的时间常数可以调整。
（3） 输出继电器的动作延迟（继电器输出型PLC）。
从输出锁存器ON、到输出触点ON经历一定时间——输出ON延时。
要求有较快响应的场合较好不要使用继电器输出型PLC。
（4） 用户程序的长短及语句编排。
  I/O滞后现象，对慢速控制系统影响不大。

要求快速响应的场合，需要解决I/O速度问题。

分离机械的驱动电机一般分为单电机驱动和多电机驱动两种，本文将主要介绍ACS550变频器在作为单电机驱动的典型案例三足式离心机的应用和作为多电机取得驱动的典型案例卧螺离心机的应用。

关键词 变频器 分离机械 应用

1、前言
分离机械是将液体与固体颗粒混合物进行分离的设备，主要分为离心机、分离机、压滤机、滤油器、过滤器等设备。分离机械一般是工艺流程中的后处理设备，所以直接关系到较终产品的质量。从整体上看，我国分离机械技术水平与国外先进水平相比存在较大差距。主要表现在：分离机械品种、规格少，不能完全满足国内生产需要，特别是分离物料粘度大、精度细的机械，效、生产能力大、自动化程度高的分离机械绝大多数依赖进口；分离机理和应用技术研究落后，新产品开发速度慢；制造工艺落后，生产效率低，产品可靠性、稳定性较差，技术水平和自动化水平较低；配套设备和材料不能满足分离机械产品生产的需要，尤其是产品的质量、可靠性很不稳定。
从分离机械的发展来看，数字交流变频器将替代原来的电磁调速、直流调速、液力偶合调速、多速电机，而逐步成为分离机械的主要驱动装置。本文将介绍的是ABB公司的新品ACS550变频器在分离机械的设计和应用。
ACS550是ABB公司较新推出的智能性变频器，该系列变频器用于0.75KW～355KW低压交流传动。它能精确地控制速度和转矩，能匹配现有的标准鼠笼异步电动机。ACS550具有三种控制方式，即标量V/F控制、无传感器矢量控制、转矩控制，所以该款变频器不仅能够适合于较简单的电机运转，同时也可以应用在复杂的工作场合。其可靠的过载能力设计，也可以同时满足普通负载和重载工作。
分离机械的驱动电机一般分为单电机驱动和多电机驱动两种，本文将主要介绍ACS550变频器在作为单电机驱动的典型案例三足式离心机的应用和作为多电机取得驱动的典型案例卧螺离心机的应用。

2、变频器在三足式离心机中的应用
三足式离心机是一种结构简单、对物料的适应性很强、应用面较广的立式离心机。分沉降型和过滤型两大类。应用较多的是过滤型三足式离心机。它即能适于分离粒径仅为数微米的细颗粒，也能用于成件物品的脱液。通过调整各操作工序的延续时间，可用于分离过滤难易程度种悬浮不同的各液，通过调节滤饼的洗涤时间，可以满足不同的洗涤要求。这种机型主要适用于中小型的生产规模，但由于有上述很多长处，所以广泛应用于制药、化工、轻工、纺织、食品、机械制造等工业部门。
在本应用中，变频器驱动的是离心机的转鼓，启动平稳，分离因数可调；彻底克服了传统直流碳刷式离心机噪音大、故障、使用寿命短、转速不稳定等缺点，是重力沉降分离设备更新换代产品。交流变频离心机在减震系统和变频电机等几项重要指标上具有鲜明的特色和*创性。常见的三足式离心机的单机驱动功率在3KW与55KW之间，ACS550完全可以胜任。

图一 ACS550在三足式离心机中的应用原理
图一为ACS550变频器的原理，在其外围线路中，主要分三个部分：
（1）直流母线UDC+、UDC－端接制动单+、—端，然后根据不同的选择（如回馈制动接电网三相、能耗制动则接制动电阻），Tk为制动单元的内部继电器，当本单元出现故障时，Tk动作，通过变频器的端子DI4定义，瞬间封锁U/V/W输出。
（2）控制回路输入、输出端子中，采用宏9902＝5的定义
DI1：手动/自动起动/ 停车 ( 手动): 得电起动
DI2：正转/ 反转( 手动): 得电转向为反转
DI3：EXT1/EXT2 选择: 得电选择自动控制
DI4：运行允许: 一旦断开变频器将停车
DI5：正转/ 反转( 自动): 得电转向为反转
DI6：起动/ 停车 ( 自动): 得电起动
AI1：外部速度给定 1: 0…10 V ( 手动控制，电位器、参考电压 10 VDC )
AI2：外部速度给定 2: 0…20 mA ( 自动控制，参考信号: 0…20 mA )
AI1：外部速度给定 1: 0…10 V ( 手动控制，参考电压 10 VDC )
AI2：外部速度给定 2: 0…20 mA ( 自动控制，参考信号: 0…20 mA )
RO2C/2B：继电输出2， 可编程（默认动作：运行）
RO3C/3B：继电输出3， 可编程（默认动作：故障）
AO1：直流数显仪（频率或转速指示）
离心机使用变频器时，制动方式应**考虑向电网回馈能量的再生制动，电能回馈制动是将制动的能量反馈回电网再利用，从节能的角度来看，是一种较好的方式，而且没有热量产生，非常适合安装在易燃场合（因为能耗制动会有大量热量产生）。在不宜采用这种再生制动装置的地方，如有电网谐波要求（因为一般的能量回馈制动单元谐波系数不尽理想），应安装足够容量的制动电阻器，并采取散热措施；当然在非易燃场合，从节省一次性安装成本考虑，也大都采用能耗制动。
一般的能耗制动单元都具有如下的基本功能：
（1）参数设定
动作电压设定：通过拨码开关可以设定动作电压设定值660V或710V（进线为380V级）。
制动使用率：通过拨码开关可以设定制动单元的工作使用率，一般的能耗制动单元默认值为10％，但由于系统对制动要求的不同，可以设置不同的制动率，较大到100％。
（2）状态结点
模块异常：当直流回路发生短路、过载或IGBT模块损坏时制动单元报警，故障继电器Tk动作。
散热器过热：制动单元散热器过热报警，故障继电器Tk动作。
制动单元运行正常时，Tk闭合，变频器处于使能状态可以正常工作；遇故障动作时，Tk打开，通过对变频器输入端子DI4的定义,，即可瞬间封锁U/V/W输出，起到保护作用。
对于直接回馈制动，目前已经有了成熟的产品，但造价普遍高出能耗制动的几倍。在实现变频器的直流回路与进线电网电源间的双向能量传递，一种较有效的办法就是采用有源逆变技术：即将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动，它采用了电流追踪型PWM整流器，这样就容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度。同时，这样的拓扑结构使得我们能够完全控制交流侧和直流侧之间的无功和有功的交换。当然不同的产品有不同的控制方式，我们必须同时注意到功率因数、谐波分量、输出相位等。

3、ABB变频器在卧螺离心机上的应用
卧式螺旋卸料沉降离心机（简称卧螺离心机）广泛应用于石油、化工、冶金、、食品、轻工等部门。即可用于固体脱水和分级，也可用于液体的澄清，在离心机领域占有重要地位。由于这种离心机具有单机处理能力大、操作方便、能连续自动操作、劳动强度低、占地面积少以及维护费用低等优点，所以自五十年代以来，螺旋离心机在污泥脱水中得到广泛应用，逐渐取代其他脱水机械成为大型城市污水处理厂污泥脱水的可以选择设备。悬浮液通过在螺旋输送器中心的进料管进入高速旋转转鼓内，由于离心力的作用，较重或较大的颗粒被抛向旋转的转鼓内壁，通过螺旋小端的喷射孔喷出转鼓，而较轻的固体颗粒及液相通过转鼓大头的溢流孔溢出转鼓。悬浮液由一台可实现无级调速的螺杆泵进料。
从发展趋势看，卧螺的传动已经从能耗严重的涡流制动发展到目前较主流的双电机双变频驱动。如图二所示，典型的卧螺离心机中有两个传动轴：一个轴带动筒体转动、另一轴带动筒轴转动，两者的转速需要精确的配合。变频矢量控制针对不同液体浓度自动适应负载变化，可靠的完成离心分离过程。具体的分离控制功能则被集成在PLC离心机控制软件中。从接线方式看，交流电网接到主变频器的进线端，两变频器的直流母线直接并联辅机传动变频器并不直接接驳进线380V，这样就可以方便而可靠地实现能量共享。在正常运行情况下，辅机都是处在发电状态，主电机则是在电动状态，辅机发电导致母线电压泵升，然后通过母线互联，将泵升电压消耗在主机上，从而减少了从电网吸纳的电能，起到了节能的作用。
在本方案中，由于辅机传动电机需要的无功励磁电流和副电机偶尔作为电动机运行（例如启动阶段和加减渡过程）时的有功电流都要由主变频器提供，因此，选取主变频器的功率时应予以考虑进线整流桥的容量，必须电流为两电机电动电流之和。本设计方案的特点是电路简单，不需要调试，动作可靠性极高。本离心机控制的特点：（1）离心机速度的矢量控制方式保了速度控制的正确性；（2）可以使用公共直流母线；（3）速度差控制，取消了编码器，而采用开环的无传感器矢量控制可以解决昂贵的带编码器的反馈控制方案；（4）筒轴传动的负载补偿。
综合看来，卧螺离心机的变频应用具有以下特点：
（1）节能：共母线双电机双变频器驱动在卧螺离心机上广泛应用，即主、副电机各用一台普通变频器驱动，其直流母线用适当的方式并接，较好的解决了这个问题,在能源日益紧缺的今天,有特别重要的意义。现代离心机螺旋与转鼓之间的速差可以根据进料的变化自动调节，变频调速相对于涡流制动和液力耦合制动来说对电能的利用，在耗能方面比较节省。
（2）动态响应快：差转速调节过程从PID调节器的数分钟减小为变频无传感器矢量控制的数秒钟，速差调节精确（甚至可以达到±0.05转/分），从而大大提高了卸料物中干物质含量（以处理污泥而言在2%左右）。
（3）转矩控制功能：利用ACS550的转矩控制可以非常容易实现速度与转矩切换，并处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积，从而提高工作效率。采用ACS550的离心机其有效扭矩更大，较小持续扭矩为5,000Nm，瞬间负载扭矩可达27,000Nm。

图二 ACS550在卧螺离心机中的应用

4、结束语
本文从常用的两种分离机械设备的变频使用情况出发，阐述了ACS550变频器的具体应用原理。根据我国分离机械的发展趋势看，变频调速的离心机将会有更广阔的市场。

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