伺服控制技術(shù)在地面工程系統(tǒng)的應(yīng)用

李文武 王棚 王玉銳（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

截至目前，朝陽溝油田集輸系統(tǒng)運(yùn)行脫水站3座，轉(zhuǎn)油站20座，安裝各型機(jī)泵540余臺，機(jī)泵運(yùn)行模式有工頻模式、變頻模式和伺服模式。目前共計(jì)投運(yùn)低壓變頻器74臺，其中摻水系統(tǒng)85臺機(jī)泵中的32臺為變頻模式運(yùn)行(由16臺一拖二低壓變頻器驅(qū)動)，剩余的53臺摻水機(jī)泵采用控制閥門開度來實(shí)現(xiàn)出站壓力的調(diào)節(jié)，該控制方式造成電動機(jī)傳導(dǎo)的大量能量損失在調(diào)節(jié)閥門上，致使摻水泵組運(yùn)行效率下降、電能浪費(fèi)較多。

1 伺服控制技術(shù)

1.1 伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

伺服控制系統(tǒng)主要由控制單元、驅(qū)動單元、通訊接口單元、編碼器及相應(yīng)的反饋檢測器件構(gòu)成?？刂茊卧捎脭?shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，DSP集成了高速的程序編輯器、大容量的程序/參數(shù)存儲器、數(shù)字/模擬信號的處理和轉(zhuǎn)換器，能夠?yàn)殡妱訖C(jī)編制復(fù)雜的運(yùn)行程序。驅(qū)動單元采用以智能功率模塊為核心的驅(qū)動電路，應(yīng)用矢量控制技術(shù)調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)電路中還設(shè)置有過電壓、過電流、過熱、欠壓、缺相等故障檢測、報(bào)警和保護(hù)回路；另外，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。通訊接口單元與控制單元集成為一體，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，根據(jù)用戶的需要，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程監(jiān)視。

1.2 伺服控制技術(shù)原理

伺服控制技術(shù)結(jié)合了目前最新的三相交流異步電動機(jī)矢量控制技術(shù)，即交流異步電動機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。如圖1所示，若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個(gè)垂直的直流變量，并分別進(jìn)行控制：d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，在控制轉(zhuǎn)子磁通恒定的前提下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制電動機(jī)的定子電流分量，實(shí)現(xiàn)正交解耦控制，從而對異步交流電動機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速、加速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行精確的控制[1]。

圖1 矢量控制技術(shù)原理

1.2.1 閉環(huán)自動控制邏輯關(guān)系

依托強(qiáng)大的核心處理器，伺服控制系統(tǒng)可根據(jù)地面工程各個(gè)系統(tǒng)對控制參數(shù)的不同要求來編制閉環(huán)自動控制邏輯關(guān)系，以摻水系統(tǒng)閉環(huán)自動控制為例，如圖2所示，伺服控制系統(tǒng)以摻水出站壓力恒定為目標(biāo)制定邏輯關(guān)系圖[2]。

1.2.2 伺服控制柜

伺服控制柜由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、編碼器和輸入/輸出模塊組成，其中控制系統(tǒng)是伺服控制柜的核心。以摻水系統(tǒng)伺服控制柜為例，如圖3所示，柜內(nèi)DSP控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)目標(biāo)基準(zhǔn)值的設(shè)定，并接收和處理采集設(shè)備提供的運(yùn)行參數(shù)，繪制機(jī)泵的閉環(huán)自動化控制程序，在由驅(qū)動單元對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)摻水系統(tǒng)出站壓力恒定的控制目標(biāo)。

圖2 摻水系統(tǒng)閉環(huán)自動控制邏輯關(guān)系

圖3 伺服控制柜結(jié)構(gòu)

1.2.3 控制參數(shù)反饋設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行要求，在關(guān)鍵工藝管理位置安裝控制參數(shù)反饋設(shè)備，對于不同的地面工程系統(tǒng)需配套安裝不同的設(shè)備，例如：外輸系統(tǒng)根據(jù)控制液量的要求需安裝流量計(jì)；摻水系統(tǒng)根據(jù)出站壓力恒定的控制要求需安裝壓力變送器。

1.2.4 編碼器

在電動機(jī)風(fēng)扇側(cè)的轉(zhuǎn)子上安裝編碼器，實(shí)時(shí)采集電動機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，安裝方式采用電動機(jī)后軸中心孔攻絲加裝延長軸方式，同時(shí)延長風(fēng)扇罩，如圖4。

1.3 伺服控制技術(shù)的特點(diǎn)

伺服控制技術(shù)有閉環(huán)自動控制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)程控制、穩(wěn)定性好、安全性高、節(jié)能效果好等特點(diǎn)。

1.3.1 自動化程度更高

依托功能完備的控制單元（DSP），實(shí)現(xiàn)了高速的運(yùn)算能力，可根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行需要，編制復(fù)雜的電動機(jī)運(yùn)行流程，崗位員工只需設(shè)定目標(biāo)基準(zhǔn)值，剩余的調(diào)控操作由伺服控制系統(tǒng)根據(jù)編寫的程序流程自動完成。另外，DSP集成了大容量的程序存儲器、數(shù)字/模擬信號的處理和轉(zhuǎn)換器，可實(shí)時(shí)刷新、顯示、保存和備份大量的運(yùn)行參數(shù)。

圖4 編碼器安裝示意圖

1.3.2 具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸和接收能力

伺服控制系統(tǒng)的通訊接口單元支持多種通訊接口，如USB、RS232、RS485、Ethernet/IP、CANOPEN等，方便數(shù)據(jù)的備份、打印、傳輸，根據(jù)用戶要求，可輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

1.3.3 完善的監(jiān)控功能

伺服控制器有完善的監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)的顯示電動機(jī)的電流、頻率和轉(zhuǎn)速；同時(shí)，還可根據(jù)現(xiàn)場需要顯示采集的系統(tǒng)參數(shù)，如壓力、流量等。

1.3.4 安全性可靠性更高

伺服控制系統(tǒng)可承受3倍過載能力，可達(dá)到300%～350%之間的額定轉(zhuǎn)矩，能在10s以內(nèi)完成電動機(jī)的啟動。

1.3.5 無諧波污染問題

伺服控制系統(tǒng)自研發(fā)之初便內(nèi)置了濾波單元，解決多次諧波產(chǎn)生的危害，此外伺服系統(tǒng)信號傳輸均采用差分方式，即減少諧波的產(chǎn)生又避免了外界的干擾，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 伺服控制技術(shù)試驗(yàn)情況

2.1 試驗(yàn)站點(diǎn)建設(shè)現(xiàn)狀

朝23#轉(zhuǎn)油站于1992年建成投產(chǎn)，安裝摻水機(jī)泵4套，運(yùn)行模式為冬季運(yùn)二備二、夏季運(yùn)一備三，1#、2#、4#摻水泵型號JZSB60-50×5，3#摻水泵型號GI65-50×5，額定排量60m3/h，揚(yáng)程250m，電動機(jī)型號YB2-280M-2，功率90kW，額定電流160/92.4A，摻水系統(tǒng)冬季排量55m3/h，夏季排量47m3/h，工頻模式下平均泵壓約為2.5MPa，管壓1.4MPa，電動機(jī)電流103A，冬季日耗電3420kWh（運(yùn)行2臺），夏季日耗電1720kWh（運(yùn)行1臺）。

朝24#轉(zhuǎn)油站于1992年建成投產(chǎn)，安裝摻水機(jī)泵4套，運(yùn)行模式為冬季運(yùn)二備二、夏季運(yùn)一備三，1#、2#、3#摻水泵型號 JZSB60-50×5，4#摻水泵型號100ZSD-67×4，額定排量60m3/h，揚(yáng)程250m，電動機(jī)型號YB2-280M-2，額定功率90kW，額定電流160.7/92.5A，摻水系統(tǒng)冬季排量60m3/h，夏季排量50m3/h，工頻模式下平均泵壓約為2.6 MPa，管壓1.5MPa，電動機(jī)電流120A，冬季日耗電4650kWh（運(yùn)行2臺），夏季日耗電2270kWh（運(yùn)行1臺）。

2.2 伺服控制柜運(yùn)行情況

目前2座站安裝的伺服控制器和其驅(qū)動的摻水電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)安全、穩(wěn)定，伺服模式運(yùn)行的摻水電動機(jī)為閉環(huán)自動化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了該站摻水系統(tǒng)出站壓力恒定的調(diào)控目標(biāo)，朝23#、朝24#轉(zhuǎn)油站摻水系統(tǒng)出站壓力分別恒定在1.4MPa和1.5MPa。

另外，伺服模式下運(yùn)行的摻水泵出口閥門為全開狀態(tài)，從而消除了截流損失，降低了摻水系統(tǒng)運(yùn)行能耗，提高了機(jī)泵運(yùn)行效率。

2.3 伺服控制技術(shù)應(yīng)用效果

通過朝23#轉(zhuǎn)油站進(jìn)行現(xiàn)場能耗測試，測試結(jié)果表明伺服模式驅(qū)動的2#、4#摻水電動機(jī)較試驗(yàn)前的工頻模式節(jié)約了大量電能，2#摻水電動機(jī)日節(jié)約電量623.5kWh，4#摻水電動機(jī)日節(jié)約電量653.1 kWh，節(jié)電率分別達(dá)到37.1%和37.8%，按照伺服控制器運(yùn)行300d計(jì)算，年可減少耗電18.7×104kWh，節(jié)約電費(fèi)11.11萬元，節(jié)能效果較好。電動機(jī)運(yùn)行情況見表2，節(jié)能效果見表3。

表2 朝23#轉(zhuǎn)油站2#、4#摻水電動機(jī)運(yùn)行情況

表3 朝23#轉(zhuǎn)油站2#摻水電動機(jī)節(jié)能效果

2.4 朝24#轉(zhuǎn)油站伺服控制技術(shù)應(yīng)用效果

通過對2#、4#摻水電動機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場能耗情況測試，得出2臺摻水電動機(jī)節(jié)電率分別為39.7%和40.6%。測試結(jié)果顯示，伺服模式運(yùn)行的2#、4#摻水電動機(jī)較試驗(yàn)前的工頻模式日減少耗電分別為895.93kWh和918.05kWh，按照伺服控制器年運(yùn)行300天計(jì)算，年可節(jié)約電量26.87×104kWh，節(jié)約電費(fèi)15.97萬元。電動機(jī)運(yùn)行情況見表4，節(jié)電效果見表5。

表4 朝24#轉(zhuǎn)油站2#、4#摻水電動機(jī)運(yùn)行情況

表5 朝24#轉(zhuǎn)油站4#摻水電動機(jī)節(jié)能效果

3 結(jié)論及認(rèn)識

1）伺服技術(shù)滿足電動機(jī)高效低耗運(yùn)行的控制要求。伺服控制器驅(qū)動的電動機(jī)，其出力調(diào)節(jié)快速、精確，可消除截流損失，提高集輸系統(tǒng)運(yùn)行效率，節(jié)約大量電能。同時(shí)，該設(shè)備可記錄、保存大量機(jī)泵運(yùn)行參數(shù)，并具有電動機(jī)軟啟動功能，電動機(jī)啟動電流和機(jī)械沖擊小，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵的全壽命運(yùn)行。

2）伺服技術(shù)順應(yīng)數(shù)字化油田建設(shè)趨勢。伺服控制器是一種集數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化于一體的高端節(jié)能控制設(shè)備，可以滿足油田聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站各型電動機(jī)的閉環(huán)自動化控制要求。適合在聯(lián)合站進(jìn)行合崗改造時(shí)，對外輸、摻水、供水等系統(tǒng)機(jī)泵的閉環(huán)自動控制，通過其功能強(qiáng)大的通訊接口單元，在中控崗即可實(shí)現(xiàn)機(jī)泵的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。

[1]敖榮慶,袁坤.伺服系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2006.

[2]郭慶鼎,王成元.交流伺服系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.