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 thông qua hộp
giảm tốc đến hệ thống bánh răng - thanh răng. Mỗi chân giàn
được nâng hạ bởi 5 cụm cơ cấu nâng hạ, bố trí tại 4 góc của 1
chân giàn. Số lượng động cơ dùng để nâng hạ cho 3 chân
giàn khoan là 60 động cơ với 20 động cơ cho mỗi chân giàn.
Các động cơ đều là động cơ điện xoay chiều không đồng bộ
roto lồng sóc (Điện áp 600VAC, công suất 62,5KVA). Toàn
bộ hệ thống điện trên giàn khoan 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 điều khiển nâng hạ giàn khoan đòi hỏi những thao tác
phức tạp, chính xác như điều khiển cân bằng giàn khoan
trong các quá trình gia tải và tải trọng tĩnh… Các thiết bị
giám sát đo độ lệch của từng chân trong quá trình nâng hạ và
trong trạng thái làm việc để từ đó đưa ra các thuật toán điều
khiển phù hợp tránh việc giàn khoan bị lệch gây ra sự cố.
Điều khiển nâng hạ giàn khoan được thực hiện bởi hệ thống
điều khiển tại chỗ và điều khiển, giám sát tại bàn điều khiển
trung tâm dựa trên nền tảng PLC có khả năng dự phòng. Nội

tương tự cần thiết.
* ET200M với 2 x IM153-2 đặt tại tủ PLC điều khiển để điều
khiển cho tủ đóng cắt cấp nguồn cho các cụm động cơ nâng
hạ.
* ET200M với 2 x IM153-2 và các module I/O SM321 32
ngõ vào, SM322 32 ngõ ra, đặt tại Tủ điều khiển trung tâm để
thu thập tín hiệu điều khiển tại tủ và nhận tín hiệu cảnh báo
về độ nghiêng từ Tủ 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 hệ thống dẫn đến dừng hệ thống nên hệ thống
điều khiển cho cơ cấu nâng hạ trên giàn yêu cầu phải hoạt
động ở chế độ dự phòng nóng cho PLC và PC server.
Trong hệ thống dự phòng ở cấp độ server, khi chưa có lỗi xảy
ra, hai server hoạt động song song, cùng tham gia vào quá
trình điều khiển 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 điều khiển hệ thống.
Sau đây, chúng ta đi sâu vào thiết kế hệ thống điều khiển cho
cơ cấu nâng hạ trên nền tảng dự phòng đó

Tủ điện này có vai trò trung tâm trong hệ thống điều khiển
cho cơ cấu nâng hạ giàn khoan. Tủ điện 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 thống điều khiển có ba Bảng phân phối nguồn cho chân
giàn phía trước, chân giàn trái và chân giàn phải. Tại từng
Bảng phân phối nguồn chân giàn có các module ET200M kết
nối với PLC chính (CPU 412-3H) tại tủ PLC điều khiển 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 điều khiển tại chỗ chân giàn:
Tại mỗi chân giàn khoan gần cụm cơ cấu nâng hạ sẽ có một
hộp điều khiển 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 nâng hạ 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 nâng hạ giàn. Hộp
điều khiển tại chỗ mỗi chân giàn kết nối trực tiếp với
ET200M tại Bảng phân phối nguồn chân giàn.
3.5. Tủ điều khiển giàn điện trở
Tủ điều khiển giàn điện trở có nhiệm vụ hấp thu nguồn công
suất phản kháng sinh ra từ các cụm động cơ trong quá trình
hạ giàn khoan để ngăn cản khả năng làm “sập” nguồn. Tủ
điều khiển sử dụng Bộ cầu chỉnh lưu Thyristor 3 pha nối với
hệ giàn điện trở 600KW nhằm thực hiện nhiệm vụ đó. Tủ
điều khiển kết nối trực tiếp với hệ Bus dự phòng cho mục
đích Redundant bởi ET200M. Tủ điện bao gồm những thiết

giàn. Tín hiệu này được truyền về bộ ET200M lắp đặt trong
bàn điều khiển 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 hệ thống điều khiển và giám
sát đạt được độ tin cậy cao đó là chức năng dự phòng
(Redundant). Với chức năng Redundant, hệ thống tự động
được điều khiển bằng cách chạy song song hai Server để điều
khiển cũng như thu thập dữ liệu, xử lý và điều khiển hoạt
động của các PLC.
Giao diện chính gồm các trang màn hình trên 2 touchscreen
để giám sát và điều khiển hoạt động nâng hạ
* Trang màn hình điều khiển nâng hạ: Đây là trang màn hình
chính. Màn hình điều khiển 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 cơ cấu nâng hạ giàn, có nhiệm
vụ giám sát chiều sâu của chân, tốc độ nâng hạ chân, công
suất tiêu thụ từng chân, điều khiển giám sát trạng thái toàn bộ
cơ cấu và chuyển sang các trang màn hình khác.
* Màn hình cảnh báo lỗi của toàn bộ cơ cấu
* 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 nghiên cứu về hệ thống điều khiển
và giao diện điều khiển vận hành cho hệ thống nâng hạ giàn
khoan tự nâng. Giao diện điều khiển rõ ràng và thuận tiện
cho người vận hành trong việc quản lý giám sát và điều khiển