轉(zhuǎn)油站PLC變頻控制系統(tǒng)設計與實踐

何偉民

（大慶油田工程有限公司自動化與機械產(chǎn)品部，黑龍江 大慶 163000）

PLC 變頻控制系統(tǒng)的大規(guī)模應用，不僅可以大大降低泵出口的節(jié)流損失、壓力損失，節(jié)能效果顯著，還可以降低勞動強度，提高采集數(shù)據(jù)及泵的控制精度，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化控制。另外，變頻控制系統(tǒng)能減小對油田電網(wǎng)的沖擊，從而保持其穩(wěn)定，節(jié)約維護費用，本文以某轉(zhuǎn)油站數(shù)字化建設為例，介紹根據(jù)緩沖罐液位高低的變化，來調(diào)節(jié)外輸泵異步電機的啟停和轉(zhuǎn)速達到自動化輸油的目的。

1 基本概念

（1）PLC 是英文programmable logic controller 的首字母縮寫，中文意思是可編程邏輯控制器，又稱為可編程控制器，其實質(zhì)是一種工業(yè)計算機，它的主要結(jié)構(gòu)與微型計算機相同，主要包括：中央處理單位元（CPU）、存儲器、電源。

（2）PID 控制器。PID 是英文Proportion Integration Differentiation 的首字母縮寫，它是工業(yè)應用控制上常用的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I 和微分單元D組成，其控制基礎(chǔ)是比例控制、積分控制、可消除穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）變頻器。是把工頻電源（一般為50Hz 或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，從而改變電機定子繞組供電頻率來實現(xiàn)電機的變速運行的設備。

2 PLC 變頻控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

“力控組態(tài)軟件”是一種軟件開發(fā)平臺工具，它可以根據(jù)用戶要求定制功能，比如，顯示三相電機參數(shù)、轉(zhuǎn)速，泵的遠程啟停及電機調(diào)速等功能，通過PLC 編程，可以遠程自動控制設備的運轉(zhuǎn)。PLC 系統(tǒng)和變頻器相結(jié)合，可以自動遠程控制電機的轉(zhuǎn)向、啟停、轉(zhuǎn)速，因此，PLC 變頻控制系統(tǒng)設計必須有控制運算部分、執(zhí)行和反饋部分。PLC 和變頻器可完成運算功能，變頻器和電機為執(zhí)行機構(gòu)，速度是反饋部分主要指標。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)總體設計思路

根據(jù)以上介紹，轉(zhuǎn)油站PLC 變頻控制系統(tǒng)應由可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器和外輸泵電機組成。首先PLC通過力控界面設置，獲得一個輸入液位值，PLC 通過變頻器上多功能端子、RS485 通訊接口或數(shù)模（DA）轉(zhuǎn)換模塊來控制變頻器，經(jīng)變頻器改變電流（電壓）的頻率來控制電機，后變頻器頻率反饋至PLC，后經(jīng)對比再輸出給變頻器，最終實現(xiàn)無靜差調(diào)速。

2.3 CHF 系列變頻器設置及閉環(huán)控制接線

變頻器出廠后必須用經(jīng)快速調(diào)試過的變頻器對其進行快速調(diào)試，調(diào)試合格方能用于實際工程。為避免電磁信號干擾，變頻器頻率反饋連接線及PLC AO 輸出線以及必須使用帶屏蔽層的單、雙芯線纜，其他如狀態(tài)、啟停信號線可根據(jù)設備規(guī)格及其實際使用環(huán)境進行選擇。另外，泵房內(nèi)的動力電纜產(chǎn)生的磁場會干撓電機三相電參以及電流的RS-485 通訊，使其采集的數(shù)據(jù)失真，影響系統(tǒng)對輸油系統(tǒng)的控制，這些采集線必須選用屏蔽雙絞線。PLC 對變頻器頻率的控制，一般有模擬量控制法和串行總線通線控制法，油田工程上一般選擇前者，需要將PLC 的模擬量采集端子與變頻器的AO 模擬量輸出端子連接起來，形成閉環(huán)控制。

3 PLC 變頻控制的實現(xiàn)

3.1 PLC 變頻控制系統(tǒng)的運行過程

目前，智能PID 控制器在油田工程中已得到廣泛應用，輸油泵前緩沖罐的液位在PID 液位控制器的作用下，傳輸至PLC，經(jīng)其內(nèi)部程序計算后，將一個大約4～20mA 的電流信號通過模擬量輸出模塊（EM232）傳送至變頻器，再根據(jù)變頻器內(nèi)部PID 控制程序的計算結(jié)果，變頻器獲得一個信號——轉(zhuǎn)速控制信號。PLC 變頻控制系統(tǒng)是一個負反饋的系統(tǒng)，緩沖罐的實際液位與設定液位之間的偏差值會影響輸油泵的頻率，該偏差值與輸油泵的頻率成正比變化，偏差值越大，輸油泵的運行頻率越大，反之越小。相對應的，PLC 的模擬量輸入模塊（EM235）同時也不斷接收到來自變頻器的實際運行頻率信號，該信號也是以4～20mA 的電流形式傳送，經(jīng)PLC 內(nèi)部程序計算后，修正輸出電流，形成對電機的閉環(huán)控制。各聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站在實際生產(chǎn)中，由于季節(jié)變化、新井投產(chǎn)、老井關(guān)停及生產(chǎn)工藝的調(diào)整等原因，導致各站來油量并不穩(wěn)定，無法保證輸油的連續(xù)運轉(zhuǎn)，此時，需要在力控運行界面遠程手動控制輸油泵的啟停以及運行頻率。同時，力控平臺還可通過RS-485 通訊采集電機的運行三相電參。

3.2 PLC 變頻控制PID 參數(shù)整定實踐

PID 控制器的參數(shù)整定是PLC 變頻控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 參數(shù)方法主要有理論計算法和工程整定法，后者又分為臨界比例法、反應曲線法和衰減法等，實際工作中臨界比例法應用較多，其整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。

（1）整定比例控制。比例控制比較簡單，輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，當只存在比例控制時系統(tǒng)輸出的誤差為穩(wěn)態(tài)誤差，將比例控制作用由小到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。

（2）整定積分環(huán)節(jié)。多次反復調(diào)整步驟中的比例系數(shù)、積分時間長短及積分作用，隨時觀測響應曲線，直至獲得比較滿意的響應，選定此時的比例和積分參數(shù)。

（3）整定微分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)。首先將微分時間TD 設置為0，并逐步調(diào)增TD 的設置值，與此同時，相應調(diào)整積分時間和比例系數(shù)大小，經(jīng)多次試驗，直至獲得較好的控制效果及與些對應的PID 控制參數(shù)。一般來說，轉(zhuǎn)油站輸油泵工藝中應用的PLC 變頻控制系統(tǒng)，只調(diào)節(jié)P、I 這兩個系數(shù)，控制系統(tǒng)就可達到理想效果，而不必繼續(xù)調(diào)試D 系數(shù)。

油田場站PLC 自動輸油系統(tǒng)中，PID 控制的頻率滯后性較大，所以實際應用中，將比例系數(shù)P、積分時間I、微分時間D 全投入使用，才能獲得較強的系統(tǒng)動態(tài)響應。經(jīng)多次試驗得到的經(jīng)驗值，當P=10，I=0.15，D=0.01 時，最大超調(diào)為兩度左右，穩(wěn)定后數(shù)值在+1HZ/min 內(nèi)，此時，系統(tǒng)的控制效果較好。

4 PLC 變頻控制系統(tǒng)在大慶油田某轉(zhuǎn)油站輸油工藝中的應用

2017 年年底，大慶油田某轉(zhuǎn)油站PLC 變頻控制自動輸油系統(tǒng)建設完成，調(diào)試后投產(chǎn)取得滿意的效果，還對不同廠家變頻器功能及相關(guān)參數(shù)的設定加以對比分析，進行了總結(jié)。根據(jù)本項目所應用的英威騰CHF 系列變頻器，工作人員對閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能以及具體的實現(xiàn)思路進行了研究，對系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成、PLC 與變頻器間的通訊方式、PLC 編程、PID 算法加深了了解，并能夠依靠實際經(jīng)驗進行PID 參數(shù)整定。經(jīng)過本項目實踐，積累了一定的PLC 變頻控制系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗。2018 年年底，該項目投產(chǎn)一周年，PLC 變頻控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠，完全滿足了轉(zhuǎn)油站原油輸送要求，降低了員工的勞動強度，消除了冒罐、泵空轉(zhuǎn)等風險，同時據(jù)統(tǒng)計較上年轉(zhuǎn)油站全年節(jié)能約25%，得到了廠領(lǐng)導及基層員工的一致好評。

5 結(jié)語

隨著油田改革的不斷深入，節(jié)能能源、提高單位生產(chǎn)率不再只是一句口號，而是要落在實處，數(shù)字化油田的建設，可大大減少人力成本的投入，降低能源的消耗。PLC 變頻自動控制系統(tǒng)作為數(shù)字化油田建設的一部分，應積極加以推廣。根據(jù)PLC 及變頻器工作原理，PLC 變頻自動控制系統(tǒng)除了可在抽油機、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站的的輸油系統(tǒng)應用之外，還可廣泛應用于水處理系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)等的控制，此技術(shù)隨著數(shù)字化業(yè)務的發(fā)展，潛力巨大。