趙運(yùn)婷

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134）

油田注水站控制系統(tǒng)設(shè)計

趙運(yùn)婷

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134）

采用西門子S7－200可編程控制器和MM430變頻器，通過PID控制實現(xiàn)了油田恒壓注水，把電力電子高新技術(shù)用于油田注水生產(chǎn)，實現(xiàn)了注水系統(tǒng)自動化，優(yōu)化了油田注水工藝，降低了注水系統(tǒng)的能耗，具有重要的節(jié)能意義。

注水；節(jié)能；變頻；恒壓供水

圖1 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成原理方框圖

在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中石油起著重要的作用，保證油田的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。對油田注水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，優(yōu)化注水工藝，對注水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造和優(yōu)化控制具有重要的現(xiàn)實意義?；谧冾l調(diào)速的油田注水恒壓系統(tǒng)的研制與開發(fā)，為實現(xiàn)油田生產(chǎn)的信息化，自動化提供基礎(chǔ)。采用變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計以注水壓力為被控參數(shù)的恒壓注水自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。從而達(dá)到油田恒壓注水的目的。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)需要檢測和控制的最主要參數(shù)是注水站壓力，在恒壓注水系統(tǒng)中，在泵的出口處安裝一只壓力變送器，將實際測量的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力相比，將其差值送往變頻器中的PID控制器進(jìn)行比例積分運(yùn)算，再將模擬量輸出給變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，最后將輸出的結(jié)果送給PLC。PLC根據(jù)接收的PID整定信號使系統(tǒng)自動調(diào)整變頻器的輸出頻率，從而達(dá)到控制變頻泵轉(zhuǎn)速的目的。閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1所示。

（一）PLC選型

本文選用的PLC為西門子S7－200，CPU型號為CPU226，它集成24輸入／16輸出共40個數(shù)字量I／O點?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I／O點或35路模擬量I／O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，兩個RS485通訊／編程口，具有PPI通訊協(xié)議，MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。可用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入／輸出點，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完成適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)［3］。

（二）變頻器選型

在本文中，選用的是西門子的MICROMASTER430系列6SE6430－2UD27－5CA0 7．5KW的變頻調(diào)速器。

Micro Master430是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家。功率范圍7．5k W至250k W。它按照專用要求設(shè)計，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性?？刂栖浖梢詫崿F(xiàn)多泵切換、手動／自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運(yùn)行方式等功能［4］。

（三）壓力變送器選型

油田注水系統(tǒng)中使用的壓力變送器為MPM482型LCD數(shù)字顯示壓力變送器，采用帶不銹鋼隔離膜片的OEM壓阻式傳感器作為信號測量元件，經(jīng)過計算機(jī)自動測試并用激光調(diào)阻工藝進(jìn)行了寬溫度范圍的零點和靈敏度補(bǔ)償。傳感器信號經(jīng)過專用放大電路放大轉(zhuǎn)換為4－20m ADC信號輸出，同時將輸出信號經(jīng)過液晶顯示器現(xiàn)場實時顯示壓力數(shù)據(jù)，性能穩(wěn)定可靠。適用于石油工業(yè)過程壓力和液位的測量與控制。

二、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（一）PLC輸入／輸出點的確定

本系統(tǒng)共有四個輸入點，八個輸出點，具體的I／O分配圖如圖2所示。

圖2 I／O分配圖

變頻器外部接線圖如圖3所示。

圖3 變頻器外部接線圖

PLC的I0．1，I0．2接變頻器的端子19、21，L＋接端子20、22，以便把變頻器上限頻率信號和下限頻率信號送到PLC中。PLC的3L、Q1．1、Q1．2分別接變頻器的端子9、5、6，以實現(xiàn)用PLC的信號控制變頻器運(yùn)行和停止。PLC輸出的101～106號線接控制電路圖中相對應(yīng)的控制線。

（二）電氣控制系統(tǒng)主電路圖

電氣控制系統(tǒng)主電路圖如圖4所示。圖中，M1，M2，M3為三臺電機(jī)，交流接觸器KM1－KM6控制三臺電機(jī)的運(yùn)行，KH1，KH2，KH3為三臺電機(jī)M1，M2，M3過載保護(hù)用的熱繼電器，QF1－QF5分別為主電路，變頻器和三臺泵的工頻運(yùn)行空氣開關(guān)。

圖4 電氣控制系統(tǒng)主電路圖

（三）電氣控制系統(tǒng)控制電路圖

電氣控制線路圖見圖5所示，圖中，SA為手動／自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA為手動／自動中間繼電器，打在1位置為手動狀態(tài)，打在2位置為自動狀態(tài)，同時KA吸合。在手動狀態(tài)，可以按動SB1－SB6控制三臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運(yùn)行，自動控制泵的起停，中間繼電器KA的常開觸點接I0．3，控制自動狀態(tài)時的起動。中間繼電器KA的三個常閉觸點接在三臺泵的手動控制電路上，控制三臺泵的手動運(yùn)行。在自動狀態(tài)時，三臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)的切換，運(yùn)行，KH1，KH2，KH3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

（一）系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

（二）系統(tǒng)程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵是PLC程序的可行性與合理性?，F(xiàn)對主要的梯形圖程序作簡要說明：按起動按鈕1＃泵變頻運(yùn)行，Q0．0，Q1．1運(yùn)行，變頻器達(dá)到頻率上限時（即有輸入I0．0為“1”），則定時器T37開始計時5s，計時完畢后關(guān)閉Q0．0、Q1．1，接通Q1．2，延時1s，則1＃泵工頻運(yùn)行，2＃泵變頻運(yùn)行（此時Q0．1、Q0．2、Q1．1運(yùn)行）；如果變頻器又達(dá)到頻率上限時（I0．0為“1”），則定時器T37又開始計時5s，計時完畢后關(guān)閉 QO．2、Q1．1，接通 Q1．2，延時1S，則1＃泵工頻運(yùn)行、2＃泵工頻運(yùn)行、3＃泵變頻運(yùn)行（此時 Q0．1、Q0．3、Q0．4、Q1．1運(yùn)行）。這是增加電機(jī)的過程。

如果在1＃泵工頻運(yùn)行、2＃泵工頻運(yùn)行、3＃泵變頻運(yùn)行（即有 QO．1、QO．3、QO．4、Q1．1運(yùn)行）的狀態(tài)下，變頻器出現(xiàn)頻率下限（I0．1為“1”），則定時器T38開始計時10s，計時完畢后關(guān)閉QO．1，此時2＃泵工頻運(yùn)行、3＃泵變頻運(yùn)行（即有 Q0．3、Q0．4、Q1．1運(yùn)行）；變頻器又達(dá)到頻率下限時（I0．1為“1”），則定時器T38又開始計時10s，計時完畢后，關(guān)閉Q0．3，此時3＃泵處于變頻運(yùn)行（即Q0．4、Q1．1運(yùn)行）。這是切除電機(jī)的過程。

系統(tǒng)在投入電機(jī)時為到達(dá)頻率上限后連續(xù)計時5s，而在切除電機(jī)時為到達(dá)頻率下限后連續(xù)10s，目的是當(dāng)電機(jī)全速運(yùn)行時壓力還低于給定壓力時，能盡快投入電機(jī)使壓力升高，同時防止當(dāng)壓力在切換電機(jī)狀態(tài)附近波動時頻繁切換電機(jī)。

圖5 控制線路圖

圖6 程序流程圖

四、結(jié)論

文章將傳統(tǒng)的開環(huán)注水控制方式用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)，采用積分分離PID控制算法，實現(xiàn)了對注水壓力的精確控制。采用先進(jìn)的變頻調(diào)速方式，將電力電子高新技術(shù)應(yīng)用于油田注水控制系統(tǒng)，大大降低了電機(jī)能耗，具有很重要的現(xiàn)實意義。

［1］張燕賓．變頻調(diào)速應(yīng)用實踐［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［2］李華德．交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2002．

［3］賈德勝．PLC應(yīng)用開發(fā)實用子程序［M］．北京：人民郵電出版社，2006．

［4］曾毅等．變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護(hù)［M］．山東：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2002．

Control System Design for Oilfield Water Injection Station

ZHAO Yun－ting
（Tianjin Urban Construction Management Vocational Technical College，Tianjin，China 300134）

With Siemens S7－200 programmable controller and MM430 inverter，constant pressure water injection in oil field is realized by PID control．The power electronic high－tech applied in oilfield water production helps implement water injection system automation．The significance lies in energy saving due to the optimization of oilfield water injection process and the reduction of energy consumption in water injection system．

water injection；energy saving；frequency conversion；water supply in constant pressure

TE357．6

A

1673－582X（2012）09－0090－06

2012－04－15

趙運(yùn)婷（1983－），女，天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要從事智能檢測與信息處理教學(xué)與研究工作。