注配間變頻器安全聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)研究

岳永澤

（大慶油田釆油七廠信息中心，黑龍江 大慶 163517）

0 引言

傳統(tǒng)上，人們通常采用變頻器上的操作面板對(duì)頻率參數(shù)進(jìn)行本地設(shè)置，但是注配間內(nèi)注水井地下情況復(fù)雜，且間內(nèi)來(lái)水壓力不穩(wěn)，導(dǎo)致間內(nèi)單井注水波動(dòng)較大，需人工在現(xiàn)場(chǎng)頻繁調(diào)節(jié)變頻器變頻。對(duì)此，基于配水間數(shù)字化改造，可通過(guò)遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）與變頻器進(jìn)行通信，進(jìn)行變頻參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。在RTU 中開(kāi)發(fā)智能應(yīng)用程序，根據(jù)單井控制策略，智能調(diào)節(jié)單井注水量，在不能滿足單井注水需求時(shí)，智能調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)，并采取安全措施，最終實(shí)現(xiàn)注配間安全平穩(wěn)注水。

1 變頻器通信

大多數(shù)變頻器支持RS485 通信方式，因此RTU 通過(guò)RS485協(xié)議與變頻器進(jìn)行通信，通過(guò)RS485 信號(hào)線將變頻器變頻數(shù)據(jù)信號(hào)輸出至RTU 中，通過(guò)Modbus 協(xié)議，進(jìn)行變頻器頻率數(shù)據(jù)的讀寫。RTU 通過(guò)有線方式與變頻器進(jìn)行連接，RTU 采集的變頻器數(shù)據(jù)通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳入監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也可向RTU 下達(dá)控制指令，RTU 再將命令寫入變頻器。

大慶油田采油七廠注配間因投產(chǎn)時(shí)間不同，變頻器的廠家、型號(hào)眾多，包括艾默生、森蘭、偉創(chuàng)、ABB 等廠家的10 余種型號(hào)的變頻器。不同變頻器廠家通信協(xié)議存在較大差異，即使同一廠家不同型號(hào)的變頻器，其通信協(xié)議也可能不同，這就需要在每個(gè)配水間都開(kāi)發(fā)一版程序，給現(xiàn)場(chǎng)RTU 與變頻器通信帶來(lái)較大的工作量。為解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員將RTU 采集驅(qū)動(dòng)模塊化，即收集整理每種型號(hào)變頻器RS485 通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，并將驅(qū)動(dòng)程序植入RTU 中，在RTU 與變頻器配置通信時(shí)，選擇該型號(hào)變頻器所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。這樣即使一個(gè)不懂開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員，也可以輕松完成變頻器的通信配置工作。

2 變頻聯(lián)動(dòng)控制

2.1 單井智能注水

目前，大慶油田采油七廠配水間數(shù)字化改造已接近尾聲，單井均安裝了流量計(jì)與注水控制器，可以實(shí)現(xiàn)按照配注進(jìn)行穩(wěn)流配水。配水間數(shù)字化改造改變了傳統(tǒng)人工頻繁手動(dòng)調(diào)節(jié)單井注水量的管理方式，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

穩(wěn)流配水雖然實(shí)現(xiàn)了單井精準(zhǔn)的注水，但是部分注水井地層情況較為復(fù)雜，分層測(cè)試結(jié)果中合理注水壓力范圍較小，雖然注水量達(dá)到配注量，但注水壓力卻超出合理范圍，導(dǎo)致小層不分水或搶水的情況發(fā)生，水井A2 資料則為不合格，需要測(cè)試隊(duì)進(jìn)行復(fù)測(cè)，甚至個(gè)別注水井需要多次復(fù)測(cè)，從而大大地提高了水井測(cè)試的工作量和成本。

為提高注水資料合格率，大慶油田采油七廠采取基于RTU二次開(kāi)發(fā)的方式，開(kāi)發(fā)智能注水程序，自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)定水量和注水壓力，確保注水量和注水壓力全合格，并通過(guò)與油田管理各部門緊密結(jié)合，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，制定合理的自動(dòng)調(diào)節(jié)策略。①采集注水壓力、流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。②當(dāng)注水壓力＞破裂壓力（允許最大注水壓力）時(shí)，閥門快速關(guān)小，流量下降，使注水壓力下降，如注水壓力不超過(guò)破裂壓力時(shí)，進(jìn)入第3 步。③當(dāng)注水壓力＞合格壓力上限時(shí)，閥門關(guān)小，減小流量。當(dāng)注水壓力＜合格壓力下限時(shí)，流量控制器開(kāi)大閥門，使注水壓力在合格壓力范圍內(nèi)，當(dāng)壓力在合格壓力范圍內(nèi)進(jìn)入第4 步。④當(dāng)瞬時(shí)流量不在合格水量范圍之內(nèi)時(shí)，調(diào)節(jié)瞬時(shí)流量，使瞬時(shí)流量在合格水量范圍內(nèi)。比如，流量在合格范圍內(nèi)則跳轉(zhuǎn)至1，進(jìn)行重復(fù)，當(dāng)流量不在合格范圍之內(nèi)時(shí)，則進(jìn)入第5 步。⑤按配注水量調(diào)節(jié)閥門，同時(shí)保證注水壓力＜破裂壓力。

2.2 變頻聯(lián)動(dòng)控制

注配間單井和配水間單井流程一樣，區(qū)別在于注配間來(lái)水壓力較低，不能滿足間內(nèi)正常注水，因此采用柱塞泵增壓的方式來(lái)提高注水壓力，一般間內(nèi)部署2～3 臺(tái)柱塞泵，由變頻器控制柱塞泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制泵的揚(yáng)程。變頻器控制方式大多為1 拖1，部分為1 拖2，即1 個(gè)變頻控制兩臺(tái)泵，一臺(tái)柱塞泵變頻運(yùn)行，一臺(tái)柱塞泵工頻運(yùn)行。無(wú)論間內(nèi)有幾臺(tái)變頻器運(yùn)行，通常都只調(diào)節(jié)其中一臺(tái)變頻器，其他變頻器只發(fā)揮60%～80%的能力，相當(dāng)于工頻運(yùn)行。

RTU 采集間內(nèi)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與控制，首先，判斷注水干線壓力是否超過(guò)上限、柱塞泵的出口壓力是否超過(guò)上限（其中干線和泵壓力上限可以通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程設(shè)置），當(dāng)壓力超過(guò)上限，技術(shù)人員將變頻下調(diào)0.1 Hz，當(dāng)壓力正常時(shí)，進(jìn)入單井控制流程，即采用配水間智能注水策略，通過(guò)量壓優(yōu)選法調(diào)節(jié)單井注水控制裝置。當(dāng)不能滿足單井注水需求時(shí)，變頻上調(diào)0.1 Hz，能夠滿足注水時(shí)則不調(diào)節(jié)。這樣周而復(fù)始地進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，提高了調(diào)節(jié)精度，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 遠(yuǎn)程與本地控制

變頻器不能一直遠(yuǎn)程控制（RTU 自動(dòng)控制包含遠(yuǎn)程控制），特殊情況仍需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，因此應(yīng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程和本地控制模式切換功能，即遠(yuǎn)程控制和本地變頻器面板控制切換。大慶油田采油七廠注配間柱塞泵所配套變頻器生產(chǎn)時(shí)間和型號(hào)各異，近幾年新投產(chǎn)注配間變頻器功能較多，擁有遠(yuǎn)程和就地控制的控制接口，支持控制模式的切換，部分老舊變頻器因生產(chǎn)年限較早，功能單一，不具備遠(yuǎn)程和就地控制接口。針對(duì)變頻器是否存在遠(yuǎn)程、就地控制接口，設(shè)計(jì)兩種切換方式：軟件切換和硬件切換。

3.1 軟件切換

如果變頻器存在切換接口，可通過(guò)RTU 與變頻器建立通信，修改變頻器相應(yīng)寄存器狀態(tài)值，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地控制模式切換。設(shè)計(jì)思路如下：①默認(rèn)狀態(tài)下變頻器為就地控制模式；②服務(wù)端控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程向RTU 下達(dá)指令，切換指令、調(diào)節(jié)指令；③RTU 接受指令后向變頻器下達(dá)模式切換指令，切換為遠(yuǎn)程模式；④如果變頻器遠(yuǎn)程控制模式切換成功，繼續(xù)執(zhí)行變頻參數(shù)調(diào)節(jié)指令；⑤如果遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)頻率已執(zhí)行，則將控制模式切換回本地模式。

3.2 硬件切換

如果變頻器沒(méi)有切換接口，便無(wú)法遠(yuǎn)程切換控制模式，因此大慶油田采油七廠對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變頻柜進(jìn)行改造，在柜門上加裝一旋鈕（相當(dāng)于單刀雙擲開(kāi)關(guān)），兩動(dòng)觸點(diǎn)分別與變頻柜控制面板和RTU 連接，并做好切換模式標(biāo)注，當(dāng)切換到遠(yuǎn)程模式觸點(diǎn)，變頻器便與RTU 連接上，通過(guò)RTU 就能遠(yuǎn)程對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)切換到本地模式觸點(diǎn)，變頻器便與自帶控制面板連接，通過(guò)控制面板進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

4 變頻安全控制

注水管線只有在合理的壓力范圍內(nèi)才能正常運(yùn)行，當(dāng)管線承受的壓力超過(guò)上限時(shí)，管線極易穿孔；當(dāng)管線內(nèi)壓力過(guò)低時(shí)，說(shuō)明來(lái)水量太小或閥門沒(méi)有打開(kāi)。為確保注配間聯(lián)動(dòng)控制安全運(yùn)行，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠設(shè)定進(jìn)、出口壓力報(bào)警及停機(jī)閾值，出口壓力超報(bào)警值則報(bào)警，超停機(jī)值則停機(jī)；進(jìn)口壓力降至低壓報(bào)警值則報(bào)警，降至停機(jī)值則停機(jī)，最終可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而避免事故發(fā)生。出口壓力停機(jī)值是指間內(nèi)生產(chǎn)允許的最大壓力，而聯(lián)動(dòng)控制的壓力上限小一點(diǎn)，這樣就形成了雙保險(xiǎn)。根據(jù)控制采集參數(shù)和控制停泵的方式不同，技術(shù)人員制訂了兩種方案。

方案一：RTU 控制方式，即采用一臺(tái)RTU 單獨(dú)采集間內(nèi)所有柱塞泵出口壓力和總干線壓力，當(dāng)壓力超過(guò)上限時(shí)，將該壓力所對(duì)應(yīng)的柱塞泵變頻器斷電。安全RTU 直接將采集的壓力數(shù)據(jù)回傳至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)還可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)壓力閾值。

方案二：二次表控制方式，即采用二次表采集柱塞泵及總干線壓力，并設(shè)置上限，當(dāng)壓力超上限時(shí)，將接入的柱塞泵變頻器斷電。二次表不能通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)置報(bào)警閾值，只能在本地儀表面板上進(jìn)行設(shè)置。一塊二次表只能接一塊壓變，一塊二次儀表只能控制一臺(tái)變頻，因此注配間使用二次表的數(shù)量由變頻器數(shù)量決定。

兩種方案均采用通過(guò)控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器電路切斷，均能實(shí)現(xiàn)壓力超限停泵，成本相近，其中，方案一中安全RTU 運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠進(jìn)行復(fù)雜控制，并能實(shí)時(shí)回傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，且施工較為簡(jiǎn)單；方案二中二次表功能簡(jiǎn)單，故障率較低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但需求數(shù)量較多，施工較為復(fù)雜。數(shù)字化改造設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)使用要求選擇適合的建設(shè)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究在穩(wěn)流配水系統(tǒng)基礎(chǔ)上，接入變頻器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)注配間建設(shè)方案進(jìn)行了完善，同時(shí)采取安全措施，消除安全隱患，以確保注配間安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高數(shù)字化管理水平，進(jìn)一步降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，真正實(shí)現(xiàn)注配間無(wú)人值守。