Nghiêncứu hệ thốngđiệnđiềukhiển
cơ cấunânghạgiànkhoantựnâng
90m nước
1. MỞ ĐẦU
Giàn khoantựnâng ngoài khơi được vận hành nânghạ bởi chuyển động quay của các
cụm động cơđiệnthông qua hộp giảm tốc đến hệthống bánh răng - thanh răng. Mỗi chân
giàn được nânghạ bởi 5 cụm cơcấunâng hạ, bố trí tại 4 góc của 1 chân giàn. Số lượng
động cơ dùng để nânghạ cho 3 chân giànkhoan là 60 động cơ với 20 động cơ cho mỗi
chân giàn.
Các động cơ đều là động cơđiện xoay chiều không đồng bộ roto lồng sóc (Điện áp
600VAC, công suất 62,5KVA). Toàn bộ hệthốngđiện trên giànkhoan được cấp nguồn
từ 4 máy phát Diesel chính (Công suất 2150KVA, điện áp đầu ra 600VAC, 60Hz, tốc độ
1200 rpm, Cosφ=0,8) và máy phát điện dự phòng với công suất 1000KVA, 480VAC,
60Hz, 1200rpm, Cosφ=0,8 cho các thiết bị phụ trợ khác trên giàn khoan.
Việc điềukhiểnnânghạgiànkhoan đòi hỏi những thao tác phức tạp, chính xác như điều
khiển cân bằng giànkhoan trong các quá trình gia tải và tải trọng tĩnh… Các thiết bị giám
sát đo độ lệch của từng chân trong quá trình nânghạ và trong trạng thái làm việc để từ đó
đưa ra các thuật toán điềukhiển phù hợp tránh việc giànkhoan bị lệch gây ra sự cố. Điều
khiển nânghạgiànkhoan được thực hiện bởi hệthốngđiềukhiển tại chỗ và điều khiển,
giám sát tại bàn điềukhiển trung tâm dựa trên nền tảng PLC có khả năng dự phòng. Nội
dung bài báo sẽ bao gồm những phần trình bày như dưới đây:
* Cấu trúc hệthốngđiềukhiển của cơ cấunânghạ giàn khoan
* Hệthốngđiềukhiển tại chỗ
* Hệthốngđiềukhiển và giám sát từ trung tâm
* Kết luận
Hình 1. Cấu trúc điềukhiển toàn bộ cơ cấunânghạ
2. CẤU TRÚC HỆTHỐNGĐIỀUKHIỂN CỦA CƠCẤUNÂNGHẠGIÀN
KHOAN
Hình 1 trên đây là cấu trúc điềukhiển của toàn bộ cơcấunâng hạ. Hệthốngđiềukhiển
dựa trên hệđiềukhiển phân tán với Tủ PLC điềukhiển chứa PLC chính. PLC chính là hệ
gồm PLC S7-400-H có khả năng dự phòng nóng (Redundant). Hệ PLC dự phòng nóng
này bao gồm:
* 2 CPU 412-3H cùng với 2 bộ nguồn PS407 R-10A và 4 bộ Sync Module 10m nằm trên
Rack UR2-H
* 2 cáp quang để kết nối 2 module đồng bộ cho mục đích dự phòng giữa hai CPU
* 2 module CP443-1 để giao tiếp với mạng Ethernet cấp trên
Thiết bị PLC có khả năng dự phòng giao tiếp với các I/O module phân tán đặt tại các tủ
điện từ xa gần thiết bị chấp hành của cơ cấu:
* ET200M với 2 x IM153-2 và các module DI, DO, module chức năng đặt tại các Bảng
phân phối nguồn chân giàn để thu thập tín hiệu quá dòng các cụm động cơnânghạ và các
tín hiệu encoder của mỗi chân động cơ để gửi về PLC trung tâm cho hiển thị tại màn hình
hiển thị tại bàn điềukhiển trung tâm
* ET200M với 2 x IM153-2 đặt tại Tủđiềukhiểngiànđiện trở để điều khiển, thu thập tín
hiệu DI, DO và các tín hiệu tương tự cần thiết.
* ET200M với 2 x IM153-2 đặt tại tủ PLC điềukhiển để điềukhiển cho tủ đóng cắt cấp
nguồn cho các cụm động cơnâng hạ.
* ET200M với 2 x IM153-2 và các module I/O SM321 32 ngõ vào, SM322 32 ngõ ra, đặt
tại Tủđiềukhiển trung tâm để thu thập tín hiệu điềukhiển tại tủ và nhận tín hiệu cảnh
báo về độ nghiêng từTủ cảnh báo và giám sát độ nghiêng.
Do điều kiện làm việc ngoài khơi và phải đảm bảo độ an toàn, tin cậy cao, hạn chế tối đa
các lỗi về phần cứng có thể xảy ra trên hệthống dẫn đến dừng hệthống nên hệthốngđiều
khiển cho cơcấunânghạ trên giàn yêu cầu phải hoạt động ở chế độ dự phòng nóng cho
PLC và PC server.
Trong hệthống dự phòng ở cấp độ server, khi chưa có lỗi xảy ra, hai server hoạt động
song song, cùng tham gia vào quá trình điềukhiển và giám sát toàn bộ quá trình hoạt
động của hệ thống. Mỗi server có những kết nối xử lý và những lưu trữ dữ liệu riêng của
chính nó. Dữ liệu điều khiển, xử lý và những thông báo được trao đổi giữa các PLC và
RTU với cả hai server.
Hai server giám sát lẫn nhau trong quá trình chạy để cho phép nhanh chóng phát hiện ra
server nào có lỗi xảy ra, chức năng nhận biết này được thực hiện bởi một thông báo xử lý
điều khiển. Những thông báo vận hành liên tục được đồng bộ trực tiếp trong quá trình
chạy. Cả hai server có quyền ngang nhau và làm việc độc lập với nhau. Chúng đều có giá
trị đối với các client nên nếu một server bị lỗi thì server dự phòng luôn luôn có giá trị và
chiếm giữ quyền điềukhiểnhệ thống.
Sau đây, chúng ta đi sâu vào thiết kế hệthốngđiềukhiển cho cơcấunânghạ trên nền
tảng dự phòng đó
3. HỆTHỐNGĐIỀUKHIỂN TẠI CHỖ
Thành phần quan trọng nhất trong hệthốngđiềukhiển tại chỗ cơcấunânghạ chính là Tủ
PLC điều khiển. Tủ PLC điềukhiển giao tiếp với tất cả các I/O module từ xa đặt tại các
tủ, bảng điện gần với thiết bị chấp hành để điều khiểncơcấunâng hạ trên nền tảng cấu
trúc điềukhiển PLC thông qua mạng truyền thông là mạng PROFIBUS. Hệthốngtủđiện
trong hệthốngđiềukhiển tại chỗ được liệt kê ở dưới đây:
* Tủ đóng cắt điềukhiển đóng cắt cho các cụm động cơnânghạ
* Tủđiềukhiển PLC
* Bảng phân phối nguồn chân giàn
* Hộp điềukhiển tại chỗ chân giàn
* Tủđiềukhiểngiànđiện trở
3.1. Tủ đóng cắt
Tủ đóng cắt điềukhiển đóng cắt cho các cụm động cơnânghạ chân giàn được lấy nguồn
từ tủ phân phối chính của giàn khoan. Cơcấunânghạcó ba tủ đóng cắt cấp điện cho các
cụm động cơ chân giàn, mỗi tủ đóng cắt điềukhiển cho một chân. Mỗi tủ đóng cắt chứa
một Aptomat và 2 khởi động từ đảo chiều để đảo chiều quay cho các cụm động cơ của
một chân. Trạng thái của các Aptomat, khởi động từ và công suất tiêu thụ của một chân
giàn đều được giám sát bởi PLC. Các Aptomat, khởi động từ đóng cắt động cơnânghạ
được giám sát và điềukhiểntừ ET200M với 2 module IM153-2 đặt trong Tủđiềukhiển
PLC (Hình 1), mạch đo công suất được tái sinh khi hạgiàn cũng sẽ gửi tín hiệu tương tự
tới PLC để người vận hành có thể giám sát ở trung tâm điềukhiển lượng công suất được
sinh ra này.
3.2. Tủđiềukhiển PLC:
Tủ điện này có vai trò trung tâm trong hệthốngđiềukhiển cho cơcấunânghạgiàn
khoan. Tủđiện chứa hai CPU 412-3H một chính và một dự phòng, hoạt động ở chế độ dự
phòng nóng (Redundant mode) với hệ truyền thông Profibus để giao tiếp với các module
từ xa
3.3. Bảng phân phối nguồn chân giàn
Hệ thốngđiềukhiểncó ba Bảng phân phối nguồn cho chân giàn phía trước, chân giàn trái
và chân giàn phải. Tại từng Bảng phân phối nguồn chân giàncó các module ET200M kết
nối với PLC chính (CPU 412-3H) tại tủ PLC điềukhiển qua các bus dự phòng
(Redundant) theo giao tiếp PROFIBUS. Các module này thu thập các tín hiệu quá dòng
của từng động cơ và tín hiệu Encoder từng chân giàn.
3.4. Hộp điềukhiển tại chỗ chân giàn:
Tại mỗi chân giànkhoan gần cụm cơcấunânghạ sẽ có một hộp điềukhiển tại chỗ. Hộp
điều khiển sẽ bao gồm các nút ấn nâng, hạ, dừng giàn, dừng khẩn cấp. Người vận hành có
thể đứng tại chỗ để ấn nút nânghạ hay dừng giàn khoan. Bất cứ thời điểm nào xảy ra lỗi
cần dừng khẩn thì người vận hành có thể ấn nút dừng khẩn cấp dừng hoạt động nânghạ
giàn. Hộp điềukhiển tại chỗ mỗi chân giàn kết nối trực tiếp với ET200M tại Bảng phân
phối nguồn chân giàn.
3.5. Tủđiềukhiểngiànđiện trở
Tủ điềukhiểngiànđiện trở có nhiệm vụ hấp thu nguồn công suất phản kháng sinh ra từ
các cụm động cơ trong quá trình hạgiànkhoan để ngăn cản khả năng làm “sập” nguồn.
Tủ điềukhiển sử dụng Bộ cầu chỉnh lưu Thyristor 3 pha nối với hệgiànđiện trở 600KW
nhằm thực hiện nhiệm vụ đó. Tủđiềukhiển kết nối trực tiếp với hệ Bus dự phòng cho
mục đích Redundant bởi ET200M. Tủđiện bao gồm những thiết bị chính như dưới đây:
Ngoài việc được điềukhiển tại chỗ, hệthốngnânghạgiànkhoan còn được điềukhiển và
giám sát từ bàn điềukhiển trung tâm với màn hình Touchscreen.
4. HỆTHỐNGĐIỀUKHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỪ TRUNG TÂM
4.1. Nhiệm vụ và cấu hình:
Nhiệm vụ của hệthốngđiềukhiển trung tâm là thu thập dữ liệu, điềukhiển và giám sát
cơ cấunânghạ chân giàn khoan. Các thiết bị chính cấu thành nên hệthốngđiềukhiển
trung tâm cũng đã được thể hiện như ở Hình 1. Hệthống là một bàn điềukhiểncó 4 máy
tính công nghiệp, điềukhiển hiển thị giao diện người-máy (HMI). Chúng được hoạt động
cùng nhau trên cùng 1 Workgroup của Windows thông qua mạng Ethernet TCP/IP. Tất
cả các thiết bị cho điềukhiển trung tâm bao gồm 4 PC công nghiệp, hệ PLC dự phòng
nóng của Tủ PLC điềukhiển được kết nối với nhau qua Ethernet Switch 8 cổng.
Giao diện chính của bàn điềukhiển trung tâm bao gồm hai màn hình sờ công nghiệp 19
inch (touchscreen) nhằm mục đích điều khiển, giám sát hoạt động nânghạgiàn và thực
hiện các hoạt động bảo trì xác nhận lỗi. Hai PC công nghiệp được xem như là Server 1 và
Server 2, chạy HMI Redundant và phần mềm Server. Chúng kết nối những dữ liệu điều
khiển, giám sát với PLC chính trong Tủ PLC điềukhiển và chứa phần chương trình hiển
thị HMI. Hai PC khác được xem như là Client 1 và Client 2, chạy phần mềm HMI Client
và đảm nhiệm hiển thị trên mỗi màn hình sờ Touchscreen.
Bàn điềukhiển trung tâm cũng có các nút ấn chức năng để điềukhiển nâng, hạ, dừng và
dừng khẩn cấp cơcấunânghạ giàn. Tín hiệu này được truyền về bộ ET200M lắp đặt
trong bàn điềukhiển trung tâm.
4.2. Giao diện vận hành
Giao diện thực hiện vận hành trên các máy tính sử dụng WinCC của Siemens. WinCC
cung cấp một chức năng rất đặc biệt và hiệu quả để thiết kế hệthốngđiềukhiển và giám
sát đạt được độ tin cậy cao đó là chức năng dự phòng (Redundant). Với chức năng
Redundant, hệthốngtự động được điềukhiển bằng cách chạy song song hai Server để
điều khiển cũng như thu thập dữ liệu, xử lý và điềukhiển hoạt động của các PLC.
Giao diện chính gồm các trang màn hình trên 2 touchscreen để giám sát và điềukhiển
hoạt động nânghạ
* Trang màn hình điềukhiểnnâng hạ: Đây là trang màn hình chính. Màn hình điềukhiển
chính sẽ khởi động và bắt đầu bởi trang này. Trang này thể hiện những thông số quan
trọng cho việc giám sát và vận hành cơcấunânghạ giàn, có nhiệm vụ giám sát chiều sâu
của chân, tốc độ nânghạ chân, công suất tiêu thụ từng chân, điềukhiển giám sát trạng
thái toàn bộ cơcấu và chuyển sang các trang màn hình khác.
* Màn hình cảnh báo lỗi của toàn bộ cơcấu
* Trang màn hình giám sát trạng thái quá tải động cơ: Giám sát trạng thái của các thiết bị
bảo vệ quá dòng mỗi động cơ.
* Trang màn hình chỉnh định chiều sâu của chân: Chỉnh định Encoder chiều sâu của chân
5. KẾT LUẬN
Bài báo trên đã trình bày nghiêncứu về hệthốngđiềukhiển và giao diệnđiềukhiển vận
hành cho hệthốngnânghạgiànkhoantự nâng. Giao diệnđiềukhiển rõ ràng và thuận
tiện cho người vận hành trong việc quản lý giám sát và điềukhiểnhệ thống. Hệthống
điều khiểnnânghạgiànkhoan là một trong những hệthốngđiềukhiển rất quan trọng
trong hệ thốngđiệnđiềukhiển của toàn bộ giàn khoan. Hệthốngđiềukhiển phân tán dựa
trên hệ PLC có khả năng dự phòng nóng được sử dụng trong thiết kế này là phương pháp
điều khiển tiên tiến, đảm bảo được độ an toàn, tin cậy cao với khả năngđiềukhiển và
giám sát tới từng thiết bị liên quan. Đây cũng là phương pháp điềukhiển mà các hãng nổi
tiếng trên thế giới chuyên cung cấp giànkhoantựnâng ngoài khơi như Keppel hay
LeTourneau sử dụng cho hệthốngđiềukhiểngiàn của họ. Do đặc thù hoạt động tại môi
trường khắc nghiệt, yêu cầu an toàn, tin cậy và tự động hóa cao nên các thiết bị điện lựa
chọn để tích hợp cho hệthống phải được lựa chọn từ các nước G7. Nói chung, với năng
lực khoa học công nghệ của Việt Nam hiện nay thì Việt Nam hoàn toàn có khả năng tích
hợp và chế tạo hệthốngđiềukhiển này với độ tin cậy cao, đáp ứng được hoàn toàn yêu
cầu của các cơ quan đăng kiểm trên thế giới cho lĩnh vực giànkhoan như ABS của Mỹ.
. và điều khiển hệ thống. Hệ thống điều khiển nâng hạ giàn khoan là một trong những hệ thống điều khiển rất quan trọng trong hệ thống điện điều khiển của toàn bộ giàn khoan. Hệ thống điều khiển. cấu nâng hạ 2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA CƠ CẤU NÂNG HẠ GIÀN KHOAN Hình 1 trên đây là cấu trúc điều khiển của toàn bộ cơ cấu nâng hạ. Hệ thống điều khiển dựa trên hệ điều khiển phân. Nghiên cứu hệ thống điện điều khiển cơ cấu nâng hạ giàn khoan tự nâng 90m nước 1. MỞ ĐẦU Giàn khoan tự nâng ngoài khơi được vận hành nâng hạ bởi chuyển động quay của các cụm động cơ điện