交流變頻鉆機(jī)絞車(chē)雙電機(jī)同步問(wèn)題分析

耿 凱，劉志銳

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300270）

交流變頻鉆機(jī)絞車(chē)雙電機(jī)同步問(wèn)題分析

耿 凱，劉志銳

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300270）

由具備主從通訊功能 （RDCO通訊模塊）的ABB變頻器可組建雙電機(jī)甚至多電機(jī)變頻調(diào)速同步系統(tǒng)，這種同步系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。文章在論述了雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)對(duì)硬件的基本要求及變頻鉆機(jī)絞車(chē)主從控制的實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，分析了絞車(chē)雙電機(jī)同步調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方式及其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中應(yīng)注意的事項(xiàng)，并對(duì)常見(jiàn)的同步故障排除方法進(jìn)行了總結(jié)。

變頻鉆機(jī)；主從控制；同步系統(tǒng)

1 雙電機(jī)同步拖動(dòng)系統(tǒng)工作原理

在變頻鉆機(jī)絞車(chē)控制系統(tǒng)中引入了主從控制模式，擬將M1變頻電動(dòng)機(jī)作為主電機(jī) （Master），M2變頻電動(dòng)機(jī)作為從電機(jī) （Follower）。對(duì)電機(jī)M1采取速度控制，由手柄進(jìn)行速度給定，電機(jī)M1編碼器提供速度反饋信號(hào)，形成閉路控制；而對(duì)電機(jī)M2采取轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)M1的轉(zhuǎn)矩輸出作為電機(jī)M2的轉(zhuǎn)矩 （電流）給定，并與電機(jī)M2變頻器輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，若實(shí)際轉(zhuǎn)矩低于給定轉(zhuǎn)矩，則升速，反之，則減速。這樣當(dāng)電機(jī)M1的給定速度增大時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩將增大，同時(shí)電機(jī)M1將增大了的轉(zhuǎn)矩值傳給從動(dòng)電機(jī)M2，則電機(jī)M2的給定轉(zhuǎn)矩大于實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)M2將在很短的時(shí)間內(nèi)升速，直到其轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩平衡，這樣兩電機(jī)間的線(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩就可以達(dá)到實(shí)時(shí)的平衡。

2 變頻鉆機(jī)絞車(chē)主從控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 主從控制硬件的構(gòu)成

變頻鉆機(jī)采用主從控制，理論上可以解決同步信號(hào)傳動(dòng)的問(wèn)題，但要在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)，還要克服一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其一就是如何把主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)高速而精確地傳送到從傳動(dòng)變頻器，實(shí)現(xiàn)方法因產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)不同會(huì)有所差別，且與各種場(chǎng)合中傳動(dòng)控制精度的要求有關(guān)。下面以中油海鉆井平臺(tái)為例進(jìn)行分析：在絞車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中采用了ABB公司的ACS-800-107變頻器，且采用其 “主從控制”方式，在控制絞車(chē)電機(jī)的兩變頻器之間引入了內(nèi)部SIMOLINK網(wǎng)絡(luò)，SIMOLINK通訊接口可實(shí)現(xiàn)兩個(gè) （或多個(gè)）傳動(dòng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確的交換，其通訊板RDCO板可以直接插在ACS-800-107變頻器的RMIO控制板的擴(kuò)展槽上，然后通過(guò)光纖連接成閉合環(huán)形回路。在主從控制應(yīng)用中把主傳動(dòng)的RDCO板設(shè)置成主站，另外的設(shè)置成從站，主從傳動(dòng)的速度或轉(zhuǎn)矩分配由主/從站的變頻器參數(shù)設(shè)置來(lái)完成。

2.2 SIMOLINK控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

SIMOLINK （Siemens Motion Link） 是以光纖電纜為傳輸介質(zhì)的通訊方式，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，在每一個(gè)周期內(nèi)依靠其精確的時(shí)間間隔和無(wú)偏差的同步功能，使所連接的變頻器在極快的數(shù)據(jù)傳輸中保持高性能的適時(shí)性和同步性，SIMOLINK有11 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以傳輸32位的數(shù)據(jù)，總線(xiàn)循環(huán)周期為0.2～6.5 ms。在主從控制中通過(guò)SIMOLINK通訊方式可以使得兩臺(tái)電機(jī)的控制精度和響應(yīng)速度方面都達(dá)到很高的同步，這樣就能夠很好地實(shí)現(xiàn)絞車(chē)主令電機(jī) （Master）和從動(dòng)電機(jī) （Follower）間控制信號(hào)和轉(zhuǎn)矩的傳遞，給絞車(chē)電機(jī)同步系統(tǒng)提供了有力保障。

2.3 ABB通訊模式

ABB控制系統(tǒng)工作原理示意見(jiàn)圖1，圖1顯示了通訊模塊RDCO屬于可選插接件，更換維護(hù)很便利。

由RDCO通訊連接示意圖 （見(jiàn)圖2）可以看出主從兩個(gè)通訊模塊采取的是主發(fā)連接從接，從發(fā)連接主接的方式。對(duì)于兩個(gè)以上的傳動(dòng)通訊連接則采取主發(fā)從1接、從1發(fā)從2接、從2發(fā)從3接……從N發(fā)主接的閉環(huán)形式。

2.4 絞車(chē)電機(jī)主從控制同步啟停的實(shí)現(xiàn)

同步啟停是在變頻器接收到外部控制系統(tǒng)發(fā)出的啟動(dòng)或者停機(jī)信號(hào)后，主從控制網(wǎng)內(nèi)的變頻器進(jìn)行同步啟動(dòng)或者停機(jī)的動(dòng)作。同步啟停在無(wú)主從控制功能的變頻器多機(jī)隨動(dòng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而絞車(chē)主從控制系統(tǒng)則針對(duì)鉆井工況中絞車(chē)負(fù)載變化幅度大和節(jié)能等的要求，在主從控制系統(tǒng)中分別設(shè)置了絞車(chē)A（電機(jī)M1）驅(qū)動(dòng)方式、絞車(chē)B（電機(jī)M2）驅(qū)動(dòng)方式和絞車(chē)AB共同驅(qū)動(dòng)方式（主從控制模式）。前兩種方式中的兩變頻器為單獨(dú)的速度閉環(huán)控制方式，而雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式則為主從控制方式通過(guò)電氣控制系統(tǒng)直接設(shè)定電機(jī)A為主令電機(jī)，電機(jī)B為從動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)有啟動(dòng)或者停機(jī)指令就通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)發(fā)送過(guò)來(lái)，并首先給主令變頻器，變頻器接收到信號(hào)后立即執(zhí)行該指令，并同時(shí)把相應(yīng)的指令通過(guò)SIMOLINK以高速通訊的方式傳送給從令變頻器的啟?？刂谱?，使得主從變頻器同時(shí)啟動(dòng)或者停機(jī)。同時(shí)主令變頻器將輸出轉(zhuǎn)矩傳遞給從動(dòng)（Slave）變頻器，從而使主從控制達(dá)到同步的要求。

2.5 參數(shù)設(shè)置

ABB變頻器的主從控制參數(shù)設(shè)置分別在主從變頻器上完成，見(jiàn)表1。

表1 主從控制參數(shù)的設(shè)置

另外為確保正確的從機(jī)負(fù)載分配，從機(jī)的速度極限20.1&20.2必須設(shè)置為高于主機(jī)69.1 SPEED SCALING參數(shù)值的5%。

3 雙電機(jī)同步系統(tǒng)對(duì)硬件的基本要求

3.1 交流變頻電機(jī)的配對(duì)

在主從控制系統(tǒng)中選取相同型號(hào)、規(guī)格的變頻電機(jī)是必要的。但是同一型號(hào)、規(guī)格的變頻電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，由于各種因素的影響，最終生產(chǎn)出的電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線(xiàn) （電流—轉(zhuǎn)速特性）不可能完全一致，即兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性會(huì)存在差異。

在同一轉(zhuǎn)速情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，特性較軟的電動(dòng)機(jī)擔(dān)負(fù)的負(fù)荷要比特性較硬的電動(dòng)機(jī)少一些。為此應(yīng)該選取轉(zhuǎn)差率誤差較小的電動(dòng)機(jī)作為主電機(jī)，這樣就可以把不平衡負(fù)載的誤差程度減到最小，達(dá)到合理的程度。

3.2 變頻器的配對(duì)

必須選取同型號(hào)的變頻器，同時(shí)還要保證兩變頻器從同一個(gè)母排上取電。我們都知道變頻調(diào)速裝置中廣泛應(yīng)用了全數(shù)字技術(shù)的模塊通用產(chǎn)品，因此它本身在一定程度上就達(dá)到精確配合。此外我們?cè)谧冾l器的訂貨之初，就可以要求供貨方在生產(chǎn)和出廠(chǎng)調(diào)試中注意這些問(wèn)題，讓其針對(duì)多電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)荷平衡問(wèn)題提供一些有力的技術(shù)保障，以免給后期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行留下隱患。

3.3 編碼器的配對(duì)和安裝

編碼器作為雙電機(jī)絞車(chē)系統(tǒng)中的速度反饋信號(hào)發(fā)生器，在變頻器輸出校正上起著至關(guān)重要的作用，對(duì)它的選型除了滿(mǎn)足同型號(hào)、規(guī)格外，還應(yīng)該在安裝時(shí)注意以下幾點(diǎn)，且編碼器信號(hào)連接線(xiàn)的走向也必須符合要求，見(jiàn)圖3。

（1）編碼器信號(hào)線(xiàn)應(yīng)與動(dòng)力線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。由于變頻器等設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，會(huì)對(duì)編碼器輸出的信號(hào)造成干擾，為減少模擬量受來(lái)自變頻器和其他設(shè)備的干擾，應(yīng)將信號(hào)線(xiàn)與強(qiáng)電回路分開(kāi)走線(xiàn)，距離應(yīng)在30 cm以上。

（2）編碼器信號(hào)線(xiàn)應(yīng)使用多芯屏蔽線(xiàn)，在插接件焊接時(shí)要保證屏蔽層可靠接地，以防止屏蔽線(xiàn)與其他設(shè)備接觸，引入干擾。

（3）編碼器線(xiàn)纜對(duì)接應(yīng)確保其雙絞芯線(xiàn)的特性，不同組別的雙絞線(xiàn)不要交叉，以保證線(xiàn)纜內(nèi)部信號(hào)的有效傳輸。

（4）編碼器與被測(cè)電機(jī)輸出軸間的連接應(yīng)采用彈性軟連接，不能采用剛性連接，以避免因電機(jī)軸的串動(dòng)、跳動(dòng)而造成編碼器軸系、碼盤(pán)的損壞，以及引起反饋信號(hào)的抖動(dòng)，從而使同步系統(tǒng)失穩(wěn)。

（5）保證支撐座牢固，誤差較小。編碼器聯(lián)軸器應(yīng)安裝牢固，其軸應(yīng)與被測(cè)電機(jī)主軸保持同心，誤差不能過(guò)大。

4 絞車(chē)常見(jiàn)的同步故障及排除

4.1 兩臺(tái)變頻器功率分配不均問(wèn)題

（1）參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致的故障。檢查從傳動(dòng)的70.03功率分配參數(shù)是否為100%，還有其從機(jī)的速度極限20.1&20.2是否設(shè)置為高于主機(jī)69.1 SPEED SCALING參數(shù)值的5%。

（2）外圍硬線(xiàn)虛接或短路導(dǎo)致的故障。在單電機(jī)控制模式下，從電機(jī)參數(shù)99.11（用戶(hù)宏）應(yīng)為user1 load(用戶(hù)宏1)，70.08（通道CH2可以用來(lái)將給定轉(zhuǎn)矩從主傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送到從傳動(dòng)系統(tǒng)）應(yīng)為Not in use，26.01（扭矩選擇）應(yīng)為speed（速度）。在雙電機(jī)控制模式下，99.11應(yīng)為user2 load，70.08應(yīng)為follower（跟隨），26.01應(yīng)為T(mén)orque（扭矩），兩種狀態(tài)是通過(guò)高電平觸發(fā)宏切換的方式實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)絞車(chē)手柄的相應(yīng)接線(xiàn)發(fā)生虛接或斷路時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的高電平信號(hào)對(duì)宏切換進(jìn)行觸發(fā)，導(dǎo)致在雙電機(jī)使用模式下從電機(jī)沒(méi)有切換到從控制模式，從而造成電機(jī)不能同步，出現(xiàn)功率分配不均的現(xiàn)象。

4.2 編碼器導(dǎo)致的同步問(wèn)題

（1）編碼器安裝導(dǎo)致的同步故障。編碼器屬于精密旋轉(zhuǎn)測(cè)量器件，兩絞車(chē)電機(jī)安裝不到位肯定會(huì)產(chǎn)生同步問(wèn)題，因此當(dāng)出現(xiàn)雙電機(jī)不同步時(shí)首先要檢查編碼器安裝是否符合要求。

（2）編碼器損毀導(dǎo)致的同步故障。如果雙變頻器中一臺(tái)報(bào)故障的話(huà)，肯定會(huì)導(dǎo)致雙電機(jī)不同步或者減速箱發(fā)出異響，這時(shí)就應(yīng)該更換編碼器，并嚴(yán)格按照以上敘述的編碼器安裝要求進(jìn)行安裝和調(diào)試。

4.3 變頻器參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致的故障

對(duì)于同步控制中的兩臺(tái)變頻器，除了與主從控制有關(guān)的一些參數(shù)外，其余參數(shù)設(shè)置應(yīng)保持基本一致，特別是雙電機(jī)優(yōu)化中一定要注意基本參數(shù)的設(shè)置，否則同步控制中的兩電機(jī)如有一臺(tái)優(yōu)化不良就會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)負(fù)荷較大、另一臺(tái)負(fù)荷較小的情況，系統(tǒng)同樣也會(huì)出現(xiàn)同步問(wèn)題而發(fā)生異響。這時(shí)只要將兩電機(jī)恢復(fù)出廠(chǎng)設(shè)置，重新優(yōu)化，且保證參數(shù)設(shè)置一致后就能正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，由具備主從通訊功能 （RDCO通訊模塊）的ABB變頻器可組建雙電機(jī)甚至多電機(jī)變頻調(diào)速同步系統(tǒng)，且這種同步系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，滿(mǎn)足了鉆井設(shè)備對(duì)可靠性的要求。

Analysis on Synchronization Problem of Drawworks Double Electric Motors in AC Variable Frequency Drilling Machine

LIU Zhi-rui（Drilling Division of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300270,China）,GENG Kai

ABB frequency converter possessing principal and subordinate communication capability can be used to construct variable frequency speed-control synchronization system with double electric motors even multi electric motors.Such synchronization system has the advantages of simplified configuration and low cost.This paper discusses the basic requirements of synchronization control system with double electric motors for hardware and the implementation method of drawworks principal and subordinate control of variable frequency drilling machine,analyzes further the synchronization speed-control method for drawworks double electric motors,puts forward the matters needing attention in field application,and summarizes the elimination method of synchronization faults.

variable frequency drilling machine;principal and subordinate control；synchronization

TE933

B

1001－2206（2011）增刊－0031－04

耿 凱 （1983-），男，山東廣饒人，工程師，2006年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。

2011-08-23