基于PLC 及變頻器的一拖二注水泵控制系統(tǒng)

0 引言

在油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，所以常用注水方式以保持地層能量，使油田生產(chǎn)可以繼續(xù)順利進行。

一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)?？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計和機電設(shè)備配置都比實際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井數(shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動，致使注水量不均勻，不穩(wěn)定。注水壓力低時，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然會造成油層壓力下降;注水壓力過高時，浪費動力，也造成超注，導致水淹，水竄。注水壓力控制難度大，給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定。

另一方面，由于儲油地層的壓力及油、氣、水的分布不斷在發(fā)生變化，其數(shù)值很難準確預測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機電設(shè)備的配置上都按照油田最大可能的需求來設(shè)計，這一點在注水系統(tǒng)的設(shè)計當中顯得尤為突出。油田注水設(shè)備多采用大功率系統(tǒng)運行，常是“大馬拉小車”，效率低下。注水壓力靠泵出口的閘門手動控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量，泵和電機匹配難以在泵的最佳工況點運行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達50%以上。

正是從恒壓注水，節(jié)能和與上位機通訊等多方面考慮，所以在油田注水系統(tǒng)中引入了變頻器加PLC的控制方案。

1 控制系統(tǒng)的組成

我們所實施的一拖二注水泵控制方案如圖1所示。

本系統(tǒng)主要組成部分為PLC、人機界面、變頻器、軟啟動器、PID控制及一系列開關(guān)控制元件。

人機界面用MODBUS 協(xié)議通過232 接口與變頻器通訊，由于變頻器通訊接口是485 接口，所以需加一個轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換信號。人機界面上可以設(shè)定變頻器的主要常用參數(shù)，也可以通過人機界面讀出變頻器的運行參數(shù)等，當變頻器有故障時，將故障內(nèi)容用中文顯示在人機界面上，且在斷電狀況下記憶10 000條以上，以方便用戶查詢。而且，人機界面再通過485 接口將這些數(shù)據(jù)傳送給PLC 內(nèi)部。PLC 對出口壓力，入口壓力，潤滑油溫度以及各種電量采樣運算處理后，將從人機界面接收到的數(shù)據(jù)一并傳送給上位機監(jiān)控。PLC 通過I/O 接口控制各開關(guān)元件及變頻器與軟啟動器的開/停機、頻率給定通道的轉(zhuǎn)換等。當自動運行，無人值守時，PID 自動調(diào)節(jié)變頻器運行頻率，PLC 根據(jù)壓力大小調(diào)整每個泵的啟停。

2 系統(tǒng)控制要求

電機功率是250 kW，用戶對一拖二恒壓注水泵系統(tǒng)的基本要求如下。

1)對泵的操作要有手動和自動控制功能;具有手動調(diào)頻和PID閉環(huán)自動調(diào)節(jié)模式，手動只在應急或檢修時使用。

2)變頻故障狀態(tài)下，設(shè)工頻軟啟動。

3)在注水泵出口設(shè)有高壓報警，具有超高壓報警停機功能(值可設(shè)定)。

4)在注水泵入口設(shè)有低壓報警，具有超低壓報警停機功能(值可設(shè)定)。

5)潤滑油溫度過高時報警停機(值可設(shè)定)。

6)設(shè)人機界面，集中實現(xiàn)相關(guān)工藝參數(shù)顯示和設(shè)定。具有RS-485數(shù)據(jù)通訊接口，采用MODBUS RTU通信規(guī)約，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及上傳功能。

3 設(shè)備選型

3.1 JD-BP32-XF型供水變頻器

JD-BP32-XF 型是專用供水變頻器，使用空間電壓矢量控制技術(shù)，適用于各類自動控制場合。

JD-BP32-XF 型變頻器除具有變頻器的一般特性外，還具有以下特性：水壓高、水壓低輸出接口，變頻器運行上限、下限頻率可以任意設(shè)定，可以方便地進行壓力控制，內(nèi)置智能PI 控制，非常適用于供水控制要求。在恒壓注水泵中可以采用這類變頻器。在本例中選用JD-BP32-250F(250 kW)供水變頻器拖動用戶注水泵。

3.2 PLC選型

1)控制系統(tǒng)的I/O 點及地址分配根據(jù)控制要求，統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號的名稱，代碼及地址編號如表1 所列。

2)PLC 系統(tǒng)選型系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點13個，開關(guān)量輸出點15 個，選用西門子主機CPU226(24 入16 出)1 臺，加上模擬量擴展模塊EM235(4入1出)1 臺，即可滿足用戶供水控制要求。

3.3 壓力傳感器

在供水系統(tǒng)中，壓力傳感器采用STP系列壓力變送器，注水泵入口和出口各有一個壓力變送器。在本實例中，根據(jù)用戶要求，配備的壓力變送器為兩只，入口為2.5 MPa，出口為32 MPa，輸出信號均為4~20 mA，壓力輸出信號送入PLC進行模擬量處理。

4 電氣控制系統(tǒng)原理圖

電氣控制系統(tǒng)原理圖包括主電路圖、控制電路圖及PLC 外圍接線圖三部分。

4.1 主電路圖

電控系統(tǒng)主電路如圖2 所示。兩臺注水泵電機分別為M1、M2;兩臺冷卻風機電機分別為M3、M4。Q1為主電源空氣開關(guān);變頻器和軟啟動器電源采用獨立空開單獨控制，分別為Q2，Q3。接觸器K1、K2分別控制M1、M2的工頻運行;接觸器K3、K4分別控制M1、M2 的變頻運行或軟啟動;K5 為選擇變頻器或軟啟動器的單刀雙擲隔離開關(guān);接觸器K6、K7分別控制變頻電機的冷卻風機M3、M4;K8、K9分別為兩臺注水泵電機過載保護用的熱繼電器。

4.2 控制回路和PLC 接線圖

電控系統(tǒng)控制回路如圖3 所示，PLC 及擴展模塊外圍接線圖如圖4所示。由于本系統(tǒng)使用的開關(guān)元件電流比較大，其控制線圈吸合和維持電流大，故PLC輸出點不能直接帶動開關(guān)元件，所以PLC 每一輸出點上均有一個中間繼電器來放大電流。J1~J15依次對應Q0.0~Q1.6。在PLC及擴展模塊外圍接線圖(圖4)中，S1為1#泵允許啟動開關(guān)，此開關(guān)的位置在禁止時，無論是手動還是自動，1#泵都無法啟動。S2為2#泵允許啟動開關(guān)，功能同上。當手動狀態(tài)并且1#允許的情況下，按下S3即可啟動1#泵，S4為停止1#泵。S5，S6控制2裕泵，功能同上。

在自動狀態(tài)下，操作任何按鈕不起作用，系統(tǒng)完全由PLC 自動控制。I0.6 與I0.7 分別引自變頻器與軟啟動器故障輸出端子。K10與K11分別為安裝在單刀雙擲隔離開關(guān)兩側(cè)的位置開關(guān)，其作用為判斷單刀雙擲隔離開關(guān)K5 的位置，以此來判斷是變頻啟動還是軟啟動器啟動。這種電路能省掉很多交流接觸器。I1.2 為變工頻切換常開點，引自變工頻切換裝置。當變頻器運行在50 Hz時，系統(tǒng)壓力達不到設(shè)定值，PLC 給出信號到變工頻切換裝置，變頻工頻切換裝置自動檢測變頻電源和工頻電源的相位，當相位差最小時，此裝置給出切換信號，允許變頻轉(zhuǎn)工頻。I1.3 為軟啟動器運行到設(shè)定的電壓(一般為工頻電壓的80%)時給出的啟動完畢信號。S7為手動、自動選擇開關(guān)。J1~J4分別控制變頻器與軟啟動器的起停。J5~J6分別控制1裕，2裕泵的工頻接觸器。J9為報警信號輸出繼電器，包括各類報警。J10控制變頻運行指示燈。J11，J12為變工頻切換裝置提供信號。J13，J14控制兩個電機散熱風機。

J15控制變頻器手動自動控制方式。模擬量信號輸入共三組，分別是出口壓力信號，入口壓力信號，潤滑油溫度信號，由PLC 擴展模塊采樣。H1為總電源指示燈，H2，H3 分別為1# 泵工頻指示與變頻指示燈。H4，H5分別為2#泵工頻指示與變頻指示燈。JL為報警器。

5 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

圖5 為人機界面監(jiān)控畫面首頁，能顯示各種狀態(tài)指示，從此畫面點擊相應的按鈕可以進入其它五個監(jiān)控畫面。在此界面中，主要參數(shù)的監(jiān)控畫面用紅色文字標識。

圖6 為開關(guān)狀態(tài)畫面，此畫面能實時直觀地顯示各個開關(guān)的通斷狀態(tài)。

圖7 為數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面，能監(jiān)控變頻器的主要運行參數(shù)以及壓力等數(shù)據(jù)。調(diào)整相應系數(shù)可以使顯示壓力更接近實際壓力。

圖8 為數(shù)據(jù)設(shè)定畫面，能設(shè)定變頻器的主要參數(shù)以及各種保護。主要保護設(shè)定采用的是紅色標識。

圖9 為運行頻率，是輸出電壓及輸出電流的歷史運行數(shù)據(jù)查詢畫面。

圖10 為故障狀況查詢畫面。

6 結(jié)語

近年來，隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)中，利用微機進行數(shù)據(jù)通訊的工業(yè)控制應用也越來越廣泛。變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個部門。本次通過變頻改造后的注水系統(tǒng)具有如下優(yōu)點。

1)實現(xiàn)了電機軟起動、軟停車。電機均通過變頻器或軟起動從0耀50 Hz 作緩慢加速起動，減少了泵因突然高速起動所帶來的影響，減少了直接起動時起動電流對電網(wǎng)的沖擊。

2)提高了功率因數(shù)，改善了電機電源質(zhì)量，電機的功率與實際負荷相匹配，系統(tǒng)達到了節(jié)能運行的目的。

3)消除了泵的喘振現(xiàn)象，使泵始終運行于最佳工況狀態(tài)。

4)實現(xiàn)了壓力自動控制，被調(diào)節(jié)量得到平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中上傳功能，可監(jiān)控運行中的參數(shù)，查詢歷史數(shù)據(jù)或故障，非常方便。