何偉民

（大慶油田工程有限公司自動(dòng)化與機(jī)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(yīng)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(dòng)強(qiáng)度，提高采集數(shù)據(jù)及泵的控制精度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制。另外，變頻控制系統(tǒng)能減小對(duì)油田電網(wǎng)的沖擊，從而保持其穩(wěn)定，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用，本文以某轉(zhuǎn)油站數(shù)字化建設(shè)為例，介紹根據(jù)緩沖罐液位高低的變化，來(lái)調(diào)節(jié)外輸泵異步電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速達(dá)到自動(dòng)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(xiě)，中文意思是可編程邏輯控制器，又稱為可編程控制器，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，它的主要結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)相同，主要包括：中央處理單位元（CPU）、存儲(chǔ)器、電源。

（2）PID 控制器。PID 是英文Proportion Integration Differentiation 的首字母縮寫(xiě)，它是工業(yè)應(yīng)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(jī)定子繞組供電頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。

2 PLC 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)平臺(tái)工具，它可以根據(jù)用戶要求定制功能，比如，顯示三相電機(jī)參數(shù)、轉(zhuǎn)速，泵的遠(yuǎn)程啟停及電機(jī)調(diào)速等功能，通過(guò)PLC 編程，可以遠(yuǎn)程自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC 系統(tǒng)和變頻器相結(jié)合，可以自動(dòng)遠(yuǎn)程控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、啟停、轉(zhuǎn)速，因此，PLC 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須有控制運(yùn)算部分、執(zhí)行和反饋部分。PLC 和變頻器可完成運(yùn)算功能，變頻器和電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，速度是反饋部分主要指標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以上介紹，轉(zhuǎn)油站PLC 變頻控制系統(tǒng)應(yīng)由可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器和外輸泵電機(jī)組成。首先PLC通過(guò)力控界面設(shè)置，獲得一個(gè)輸入液位值，PLC 通過(guò)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(lái)控制變頻器，經(jīng)變頻器改變電流（電壓）的頻率來(lái)控制電機(jī)，后變頻器頻率反饋至PLC，后經(jīng)對(duì)比再輸出給變頻器，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。

2.3 CHF 系列變頻器設(shè)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(guò)的變頻器對(duì)其進(jìn)行快速調(diào)試，調(diào)試合格方能用于實(shí)際工程。為避免電磁信號(hào)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(hào)線可根據(jù)設(shè)備規(guī)格及其實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行選擇。另外，泵房?jī)?nèi)的動(dòng)力電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)干撓電機(jī)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(duì)輸油系統(tǒng)的控制，這些采集線必須選用屏蔽雙絞線。PLC 對(duì)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(lái)，形成閉環(huán)控制。

3 PLC 變頻控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC 變頻控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程

目前，智能PID 控制器在油田工程中已得到廣泛應(yīng)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(jì)算后，將一個(gè)大約4～20mA 的電流信號(hào)通過(guò)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(jì)算結(jié)果，變頻器獲得一個(gè)信號(hào)——轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。PLC 變頻控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋的系統(tǒng)，緩沖罐的實(shí)際液位與設(shè)定液位之間的偏差值會(huì)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(yùn)行頻率越大，反之越小。相對(duì)應(yīng)的，PLC 的模擬量輸入模塊（EM235）同時(shí)也不斷接收到來(lái)自變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率信號(hào)，該信號(hào)也是以4～20mA 的電流形式傳送，經(jīng)PLC 內(nèi)部程序計(jì)算后，修正輸出電流，形成對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。各聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站在實(shí)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(dǎo)致各站來(lái)油量并不穩(wěn)定，無(wú)法保證輸油的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，需要在力控運(yùn)行界面遠(yuǎn)程手動(dòng)控制輸油泵的啟停以及運(yùn)行頻率。同時(shí)，力控平臺(tái)還可通過(guò)RS-485 通訊采集電機(jī)的運(yùn)行三相電參。

3.2 PLC 變頻控制PID 參數(shù)整定實(shí)踐

PID 控制器的參數(shù)整定是PLC 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 參數(shù)方法主要有理論計(jì)算法和工程整定法，后者又分為臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法等，實(shí)際工作中臨界比例法應(yīng)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(jiǎn)單，輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，當(dāng)只存在比例控制時(shí)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(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

（2）整定積分環(huán)節(jié)。多次反復(fù)調(diào)整步驟中的比例系數(shù)、積分時(shí)間長(zhǎng)短及積分作用，隨時(shí)觀測(cè)響應(yīng)曲線，直至獲得比較滿意的響應(yīng)，選定此時(shí)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(shí)間TD 設(shè)置為0，并逐步調(diào)增TD 的設(shè)置值，與此同時(shí)，相應(yīng)調(diào)整積分時(shí)間和比例系數(shù)大小，經(jīng)多次試驗(yàn)，直至獲得較好的控制效果及與些對(duì)應(yīng)的PID 控制參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)油站輸油泵工藝中應(yīng)用的PLC 變頻控制系統(tǒng)，只調(diào)節(jié)P、I 這兩個(gè)系數(shù)，控制系統(tǒng)就可達(dá)到理想效果，而不必繼續(xù)調(diào)試D 系數(shù)。

油田場(chǎng)站PLC 自動(dòng)輸油系統(tǒng)中，PID 控制的頻率滯后性較大，所以實(shí)際應(yīng)用中，將比例系數(shù)P、積分時(shí)間I、微分時(shí)間D 全投入使用，才能獲得較強(qiáng)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。經(jīng)多次試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)P=10，I=0.15，D=0.01 時(shí)，最大超調(diào)為兩度左右，穩(wěn)定后數(shù)值在+1HZ/min 內(nèi)，此時(shí)，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(yīng)用

2017 年年底，大慶油田某轉(zhuǎn)油站PLC 變頻控制自動(dòng)輸油系統(tǒng)建設(shè)完成，調(diào)試后投產(chǎn)取得滿意的效果，還對(duì)不同廠家變頻器功能及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定加以對(duì)比分析，進(jìn)行了總結(jié)。根據(jù)本項(xiàng)目所應(yīng)用的英威騰CHF 系列變頻器，工作人員對(duì)閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能以及具體的實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行了研究，對(duì)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行PID 參數(shù)整定。經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目實(shí)踐，積累了一定的PLC 變頻控制系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。2018 年年底，該項(xiàng)目投產(chǎn)一周年，PLC 變頻控制系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)強(qiáng)度，消除了冒罐、泵空轉(zhuǎn)等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)據(jù)統(tǒng)計(jì)較上年轉(zhuǎn)油站全年節(jié)能約25%，得到了廠領(lǐng)導(dǎo)及基層員工的一致好評(píng)。

5 結(jié)語(yǔ)

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(hào)，而是要落在實(shí)處，數(shù)字化油田的建設(shè)，可大大減少人力成本的投入，降低能源的消耗。PLC 變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)作為數(shù)字化油田建設(shè)的一部分，應(yīng)積極加以推廣。根據(jù)PLC 及變頻器工作原理，PLC 變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)除了可在抽油機(jī)、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站的的輸油系統(tǒng)應(yīng)用之外，還可廣泛應(yīng)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(wù)的發(fā)展，潛力巨大。