基于PLC 及變頻器的一拖二注水泵控制系統

0 引言

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)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)可以繼續順利進(jìn)行。

一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開(kāi)發(fā)和地面管線(xiàn)及設備的重要參數?？紤]到后期開(kāi)發(fā)注水井的增多，注水工藝設計和機電設備配置都比實(shí)際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開(kāi)關(guān)井數的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動(dòng)，致使注水量不均勻，不穩定。注水壓力低時(shí)，注水量滿(mǎn)足不了油田開(kāi)發(fā)的需要，必然會(huì )造成油層壓力下降;注水壓力過(guò)高時(shí)，浪費動(dòng)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(lái)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，其數值很難準確預測和控制，考慮到油田開(kāi)發(fā)中的需要，在工藝和機電設備的配置上都按照油田最大可能的需求來(lái)設計，這一點(diǎn)在注水系統的設計當中顯得尤為突出。油田注水設備多采用大功率系統運行，常是“大馬拉小車(chē)”，效率低下。注水壓力靠泵出口的閘門(mén)手動(dòng)控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線(xiàn)來(lái)調節泵的排量，泵和電機匹配難以在泵的最佳工況點(diǎn)運行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達50%以上。

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

1 控制系統的組成

我們所實(shí)施的一拖二注水泵控制方案如圖1所示。

本系統主要組成部分為PLC、人機界面、變頻器、軟啟動(dòng)器、PID控制及一系列開(kāi)關(guān)控制元件。

人機界面用MODBUS 協(xié)議通過(guò)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(gè)轉換器來(lái)轉換信號。人機界面上可以設定變頻器的主要常用參數，也可以通過(guò)人機界面讀出變頻器的運行參數等，當變頻器有故障時(shí)，將故障內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(hù)查詢(xún)。而且，人機界面再通過(guò)485 接口將這些數據傳送給PLC 內部。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據一并傳送給上位機監控。PLC 通過(guò)I/O 接口控制各開(kāi)關(guān)元件及變頻器與軟啟動(dòng)器的開(kāi)/停機、頻率給定通道的轉換等。當自動(dòng)運行，無(wú)人值守時(shí)，PID 自動(dòng)調節變頻器運行頻率，PLC 根據壓力大小調整每個(gè)泵的啟停。

2 系統控制要求

電機功率是250 kW，用戶(hù)對一拖二恒壓注水泵系統的基本要求如下。

1)對泵的操作要有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能;具有手動(dòng)調頻和PID閉環(huán)自動(dòng)調節模式，手動(dòng)只在應急或檢修時(shí)使用。

2)變頻故障狀態(tài)下，設工頻軟啟動(dòng)。

3)在注水泵出口設有高壓報警，具有超高壓報警停機功能(值可設定)。

4)在注水泵入口設有低壓報警，具有超低壓報警停機功能(值可設定)。

5)潤滑油溫度過(guò)高時(shí)報警停機(值可設定)。

6)設人機界面，集中實(shí)現相關(guān)工藝參數顯示和設定。具有RS-485數據通訊接口，采用MODBUS RTU通信規約，實(shí)現數據存儲及上傳功能。

3 設備選型

3.1 JD-BP32-XF型供水變頻器

JD-BP32-XF 型是專(zhuān)用供水變頻器，使用空間電壓矢量控制技術(shù)，適用于各類(lèi)自動(dòng)控制場(chǎng)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定，可以方便地進(jìn)行壓力控制，內置智能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(lèi)變頻器。在本例中選用JD-BP32-250F(250 kW)供水變頻器拖動(dòng)用戶(hù)注水泵。

3.2 PLC選型

1)控制系統的I/O 點(diǎn)及地址分配根據控制要求，統計控制系統的輸入、輸出信號的名稱(chēng)，代碼及地址編號如表1 所列。

2)PLC 系統選型系統共有開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)13個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)15 個(gè)，選用西門(mén)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(mǎn)足用戶(hù)供水控制要求。

3.3 壓力傳感器

在供水系統中，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(gè)壓力變送器。在本實(shí)例中，根據用戶(hù)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(jìn)行模擬量處理。

4 電氣控制系統原理圖

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

4.1 主電路圖

電控系統主電路如圖2 所示。兩臺注水泵電機分別為M1、M2;兩臺冷卻風(fēng)機電機分別為M3、M4。Q1為主電源空氣開(kāi)關(guān);變頻器和軟啟動(dòng)器電源采用獨立空開(kāi)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(dòng);K5 為選擇變頻器或軟啟動(dòng)器的單刀雙擲隔離開(kāi)關(guān);接觸器K6、K7分別控制變頻電機的冷卻風(fēng)機M3、M4;K8、K9分別為兩臺注水泵電機過(guò)載保護用的熱繼電器。

4.2 控制回路和PLC 接線(xiàn)圖

電控系統控制回路如圖3 所示，PLC 及擴展模塊外圍接線(xiàn)圖如圖4所示。由于本系統使用的開(kāi)關(guān)元件電流比較大，其控制線(xiàn)圈吸合和維持電流大，故PLC輸出點(diǎn)不能直接帶動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，所以PLC 每一輸出點(diǎn)上均有一個(gè)中間繼電器來(lái)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(xiàn)圖(圖4)中，S1為1#泵允許啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)的位置在禁止時(shí)，無(wú)論是手動(dòng)還是自動(dòng)，1#泵都無(wú)法啟動(dòng)。S2為2#泵允許啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，功能同上。當手動(dòng)狀態(tài)并且1#允許的情況下，按下S3即可啟動(dòng)1#泵，S4為停止1#泵。S5，S6控制2裕泵，功能同上。

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