基于PLC 及變頻器的一拖二注水泵控制系統(tǒng)
0 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387268.htm在油田開發(fā)過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(xù)順利進行。
一方面,注水壓力的高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)??紤]到后期開發(fā)注水井的增多,注水工藝設(shè)計和機電設(shè)備配置都比實際寬裕,加之地質(zhì)情況的變化,開關(guān)井?dāng)?shù)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,致使注水量不均勻,不穩(wěn)定。注水壓力低時,注水量滿足不了油田開發(fā)的需要,必然會造成油層壓力下降;注水壓力過高時,浪費動力,也造成超注,導(dǎo)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(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測和控制,考慮到油田開發(fā)中的需要,在工藝和機電設(shè)備的配置上都按照油田最大可能的需求來設(shè)計,這一點在注水系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中顯得尤為突出。油田注水設(shè)備多采用大功率系統(tǒng)運行,常是“大馬拉小車”,效率低下。注水壓力靠泵出口的閘門手動控制,即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量,泵和電機匹配難以在泵的最佳工況點運行,管網(wǎng)效率低,電能損失高達50%以上。
正是從恒壓注水,節(jié)能和與上位機通訊等多方面考慮,所以在油田注水系統(tǒng)中引入了變頻器加PLC的控制方案。
1 控制系統(tǒng)的組成
我們所實施的一拖二注水泵控制方案如圖1所示。
本系統(tǒng)主要組成部分為PLC、人機界面、變頻器、軟啟動器、PID控制及一系列開關(guān)控制元件。
人機界面用MODBUS 協(xié)議通過232 接口與變頻器通訊,由于變頻器通訊接口是485 接口,所以需加一個轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換信號。人機界面上可以設(shè)定變頻器的主要常用參數(shù),也可以通過人機界面讀出變頻器的運行參數(shù)等,當(dāng)變頻器有故障時,將故障內(nèi)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,以方便用戶查詢。而且,人機界面再通過485 接口將這些數(shù)據(jù)傳送給PLC 內(nèi)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(shù)據(jù)一并傳送給上位機監(jiān)控。PLC 通過I/O 接口控制各開關(guān)元件及變頻器與軟啟動器的開/停機、頻率給定通道的轉(zhuǎn)換等。當(dāng)自動運行,無人值守時,PID 自動調(diào)節(jié)變頻器運行頻率,PLC 根據(jù)壓力大小調(diào)整每個泵的啟停。
2 系統(tǒng)控制要求
電機功率是250 kW,用戶對一拖二恒壓注水泵系統(tǒng)的基本要求如下。
1)對泵的操作要有手動和自動控制功能;具有手動調(diào)頻和PID閉環(huán)自動調(diào)節(jié)模式,手動只在應(yīng)急或檢修時使用。
2)變頻故障狀態(tài)下,設(shè)工頻軟啟動。
3)在注水泵出口設(shè)有高壓報警,具有超高壓報警停機功能(值可設(shè)定)。
4)在注水泵入口設(shè)有低壓報警,具有超低壓報警停機功能(值可設(shè)定)。
5)潤滑油溫度過高時報警停機(值可設(shè)定)。
6)設(shè)人機界面,集中實現(xiàn)相關(guān)工藝參數(shù)顯示和設(shè)定。具有RS-485數(shù)據(jù)通訊接口,采用MODBUS RTU通信規(guī)約,實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及上傳功能。
3 設(shè)備選型
3.1 JD-BP32-XF型供水變頻器
JD-BP32-XF 型是專用供水變頻器,使用空間電壓矢量控制技術(shù),適用于各類自動控制場合。
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(shè)定,可以方便地進行壓力控制,內(nèi)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變頻器。在本例中選用JD-BP32-250F(250 kW)供水變頻器拖動用戶注水泵。
3.2 PLC選型
1)控制系統(tǒng)的I/O 點及地址分配根據(jù)控制要求,統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號的名稱,代碼及地址編號如表1 所列。
2)PLC 系統(tǒng)選型系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點13個,開關(guān)量輸出點15 個,選用西門子主機CPU226(24 入16 出)1 臺,加上模擬量擴展模塊EM235(4入1出)1 臺,即可滿足用戶供水控制要求。
3.3 壓力傳感器
在供水系統(tǒng)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壓力變送器。在本實例中,根據(jù)用戶要求,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進行模擬量處理。
4 電氣控制系統(tǒng)原理圖
電氣控制系統(tǒng)原理圖包括主電路圖、控制電路圖及PLC 外圍接線圖三部分。
4.1 主電路圖
電控系統(tǒng)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為主電源空氣開關(guān);變頻器和軟啟動器電源采用獨立空開單獨控制,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;K5 為選擇變頻器或軟啟動器的單刀雙擲隔離開關(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載保護用的熱繼電器。
4.2 控制回路和PLC 接線圖
電控系統(tǒng)控制回路如圖3 所示,PLC 及擴展模塊外圍接線圖如圖4所示。由于本系統(tǒng)使用的開關(guān)元件電流比較大,其控制線圈吸合和維持電流大,故PLC輸出點不能直接帶動開關(guān)元件,所以PLC 每一輸出點上均有一個中間繼電器來放大電流。J1~J15依次對應(yīng)Q0.0~Q1.6。在PLC及擴展模塊外圍接線圖(圖4)中,S1為1#泵允許啟動開關(guān),此開關(guān)的位置在禁止時,無論是手動還是自動,1#泵都無法啟動。S2為2#泵允許啟動開關(guān),功能同上。當(dāng)手動狀態(tài)并且1#允許的情況下,按下S3即可啟動1#泵,S4為停止1#泵。S5,S6控制2裕泵,功能同上。
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