PLC變頻控制在油田連續(xù)輸油系統(tǒng)的應(yīng)用研究

【摘 要】長慶油田在建設(shè)數(shù)字化大油田的過程中，在增壓站、聯(lián)合站以及輸油站等站點廣泛地使用了電機變頻調(diào)速技術(shù)，由調(diào)整泵的電機轉(zhuǎn)速取代調(diào)節(jié)出口閥，降低泵出口的壓力損耗，有效避免了輸油泵出口閥的節(jié)流損失，取得了很好的節(jié)能效果。此外變頻調(diào)速的應(yīng)用還能減小對電網(wǎng)的沖擊、節(jié)約維修費用、增加輸油量等。在油田增壓站數(shù)字化建設(shè)流程中，其要求根據(jù)緩沖罐液位來調(diào)節(jié)輸油泵的啟停和轉(zhuǎn)速，這是實現(xiàn)輸油智能化的重要表現(xiàn)，輸油泵由異步電動機驅(qū)動，由PLC系統(tǒng)對電機的控制就顯得尤為重要。西門子S7-200 PLC以及英威騰CHF系列變頻器為例，主要研究了力控組態(tài)軟件的開發(fā)應(yīng)用、PLC變頻控制系統(tǒng)的組成功能、PLC與變頻器的連接及通訊、PLC變頻系統(tǒng)的具體實現(xiàn)以及相應(yīng)的程序。

【關(guān)鍵詞】PLC；變頻控制；運行過程；軟件算法；應(yīng)用情況

一、PLC變頻控制系統(tǒng)分析

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

力控組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件開發(fā)平臺工具，可實現(xiàn)顯示電機轉(zhuǎn)速、三相電參，遠(yuǎn)程啟停及調(diào)速控制等功能，通過PLC可以對自動化設(shè)備進(jìn)行“智能”控制。PLC和變頻器綜合起來主要實現(xiàn)了變頻調(diào)速，電機的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動以及遠(yuǎn)程啟停等。因此，該系統(tǒng)必須具備以下三個主體部分：控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分?？刂七\算主要由PLC和變頻器來完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機；反饋部分主要為速度反饋。

（二）系統(tǒng)實現(xiàn)總體思路

系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過力控界面設(shè)置給定輸入液位值給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機，隨后將變頻器頻率反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。

（三）CHF系列變頻器設(shè)置及閉環(huán)控制接線

如果所用的變頻器剛剛出廠的變頻器，則需對它進(jìn)行快速調(diào)試，調(diào)試中用到的變頻器都已經(jīng)完成了快速調(diào)試。PLC的AO輸出以及變頻器的頻率反饋連接線必須使用帶屏蔽層的線纜，啟停以及狀態(tài)等信號采集線纜可根據(jù)實際情況使用。此外，采集電機三相電參以及電流的RS-485通訊必須采用屏蔽雙絞線，以防止動力電纜的干擾，使得采集的數(shù)據(jù)失真。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要將變頻器的AO模擬量輸出端子接入PLC的模擬量采集端子。

二、PLC變頻控制的實現(xiàn)

（一）PLC變頻控制系統(tǒng)的運行過程

在自動PID控制模式下，PLC首先采集緩沖罐的實際液位，經(jīng)過編寫好的PLC內(nèi)部程序計算后，通過模擬量輸出模塊（EM232）給變頻器一個相應(yīng)的4-20mA電流信號，再經(jīng)變頻器內(nèi)部PID控制程序的計算，給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。由于該系統(tǒng)是一個負(fù)反饋的系統(tǒng)，實際液位與設(shè)定液位的偏差值越大，輸油泵的運行頻率越大，隨著液位的下降，輸油泵運行頻率也相對降低。與此同時，變頻器將自身的實際運行頻率以相應(yīng)的4-20mA的電流信號發(fā)送到PLC的模擬量輸入模塊（EM235），PLC通過內(nèi)部程序計算對輸出的電流進(jìn)行修正，形成了閉環(huán)控制。在現(xiàn)場實際中，很多站點的來油量并不能保證連續(xù)輸油，此時需要對輸油泵的啟停以及運行頻率在力控運行界面進(jìn)行遠(yuǎn)程手動控制。此外，通過RS-485通訊，還能夠?qū)㈦姍C的運行三相電參以及等數(shù)據(jù)采集到力控平臺上。

（二）PLC變頻控制PID參數(shù)整定實踐

PID參數(shù)調(diào)試湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。

1、整定比例控制

將比例控制作用由小到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

2、整定積分環(huán)節(jié)

先將步驟1中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。

3、整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)

先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。一般情況下，在增壓點PLC變頻控制輸油系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)P、I這兩個系數(shù)即可得到較為理想的控制系統(tǒng)，系數(shù)D可以不用調(diào)試。

PLC變頻控制自動輸油系統(tǒng)為頻率PID控制，頻率具有比較大的滯后性，所以一般為了增強系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，當(dāng)設(shè)定比例系數(shù)P為10，積分時間I為0.15，微分時間D為0.01時，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在+1HZ/min以內(nèi)。

最終系統(tǒng)整定控制效果如下：

三、PLC變頻控制在油田連續(xù)輸油系統(tǒng)中的應(yīng)用情況

PLC變頻控制自動輸油系統(tǒng)的調(diào)試涉及到了PLC的編程、對PID控制方法的理解以及在實踐中的參數(shù)整定，還涉及到對不同廠家變頻器功能及參數(shù)的了解以及進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定，相對模擬量等調(diào)試來說涉及的東西較多，難度也相對大很多。本項目研究了閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能以及具體的實現(xiàn)思路，并且以英威騰CHF系列變頻器為例說明了在閉環(huán)控制系統(tǒng)中如何與PLC連接及通訊，此外，本項目還研究了該系統(tǒng)軟件的構(gòu)成及PID算法，并且介紹了如何依靠經(jīng)驗對PID參數(shù)進(jìn)行整定。本研究項目通過今年在隴東片區(qū)以及陜北片區(qū)9個站點的調(diào)試實踐，積累了較為豐富的調(diào)試經(jīng)驗。經(jīng)過一年多以來的實踐，PLC變頻控制輸油系統(tǒng)運行可靠，完全滿足增壓點生產(chǎn)工程流程要求，杜絕了人工操作易造成緩沖罐溢罐等事故發(fā)生，提高了生產(chǎn)安全、減輕了人工勞動強度，并且輸油泵整體節(jié)能達(dá)20%以上，受到一線操作人員及采油作業(yè)區(qū)好評。

四、結(jié)束語

PLC變頻自動控制系統(tǒng)除了在增壓點的輸油系統(tǒng)得到全面的應(yīng)用之外，還在長慶油田的注水泵控制，空氣壓縮機控制，以及丙烷壓縮機組的控制等方面也得到了廣泛的應(yīng)用。再者PLC變頻控制輸油系統(tǒng)在總廠數(shù)字化混輸橇以及增壓點改造等產(chǎn)品及項目中也得到了廣泛的應(yīng)用，因此這一技術(shù)將會隨著總廠數(shù)字化業(yè)務(wù)的不斷拓展而被廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景看好。