基于PLC 及变频器的一拖二注水泵控制系统

0 引言

在油田开发过程中地层能量不断衰减，所以常用注水方式以保持地层能量，使油田生产可以继续顺利进行。

一方面，注水压力的高低是决定油田合理开发和地面管线及设备的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和机电设备配置都比实际宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力的波动，致使注水量不均匀，不稳定。注水压力低时，注水量满足不了油田开发的需要，必然会造成油层压力下降;注水压力过高时，浪费动力，也造成超注，导致水淹，水窜。注水压力控制难度大，给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定。

另一方面，由于储油地层的压力及油、气、水的分布不断在发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备的配置上都按照油田最大可能的需求来设计，这一点在注水系统的设计当中显得尤为突出。油田注水设备多采用大功率系统运行，常是“大马拉小车”，效率低下。注水压力靠泵出口的闸门手动控制，即靠改变管网特性曲线来调节泵的排量，泵和电机匹配难以在泵的最佳工况点运行，管网效率低，电能损失高达50%以上。

正是从恒压注水，节能和与上位机通讯等多方面考虑，所以在油田注水系统中引入了变频器加PLC的控制方案。

1 控制系统的组成

我们所实施的一拖二注水泵控制方案如图1所示。

本系统主要组成部分为PLC、人机界面、变频器、软启动器、PID控制及一系列开关控制元件。

人机界面用MODBUS 协议通过232 接口与变频器通讯，由于变频器通讯接口是485 接口，所以需加一个转换器来转换信号。人机界面上可以设定变频器的主要常用参数，也可以通过人机界面读出变频器的运行参数等，当变频器有故障时，将故障内容用中文显示在人机界面上，且在断电状况下记忆10 000条以上，以方便用户查询。而且，人机界面再通过485 接口将这些数据传送给PLC 内部。PLC 对出口压力，入口压力，润滑油温度以及各种电量采样运算处理后，将从人机界面接收到的数据一并传送给上位机监控。PLC 通过I/O 接口控制各开关元件及变频器与软启动器的开/停机、频率给定通道的转换等。当自动运行，无人值守时，PID 自动调节变频器运行频率，PLC 根据压力大小调整每个泵的启停。

2 系统控制要求

电机功率是250 kW，用户对一拖二恒压注水泵系统的基本要求如下。

1)对泵的操作要有手动和自动控制功能;具有手动调频和PID闭环自动调节模式，手动只在应急或检修时使用。

2)变频故障状态下，设工频软启动。

3)在注水泵出口设有高压报警，具有超高压报警停机功能(值可设定)。

4)在注水泵入口设有低压报警，具有超低压报警停机功能(值可设定)。

5)润滑油温度过高时报警停机(值可设定)。

6)设人机界面，集中实现相关工艺参数显示和设定。具有RS-485数据通讯接口，采用MODBUS RTU通信规约，实现数据存储及上传功能。

3 设备选型

3.1 JD-BP32-XF型供水变频器

JD-BP32-XF 型是专用供水变频器，使用空间电压矢量控制技术，适用于各类自动控制场合。

JD-BP32-XF 型变频器除具有变频器的一般特性外，还具有以下特性：水压高、水压低输出接口，变频器运行上限、下限频率可以任意设定，可以方便地进行压力控制，内置智能PI 控制，非常适用于供水控制要求。在恒压注水泵中可以采用这类变频器。在本例中选用JD-BP32-250F(250 kW)供水变频器拖动用户注水泵。

3.2 PLC选型

1)控制系统的I/O 点及地址分配根据控制要求，统计控制系统的输入、输出信号的名称，代码及地址编号如表1 所列。

2)PLC 系统选型系统共有开关量输入点13个，开关量输出点15 个，选用西门子主机CPU226(24 入16 出)1 台，加上模拟量扩展模块EM235(4入1出)1 台，即可满足用户供水控制要求。

3.3 压力传感器

在供水系统中，压力传感器采用STP系列压力变送器，注水泵入口和出口各有一个压力变送器。在本实例中，根据用户要求，配备的压力变送器为两只，入口为2.5 MPa，出口为32 MPa，输出信号均为4~20 mA，压力输出信号送入PLC进行模拟量处理。

4 电气控制系统原理图

电气控制系统原理图包括主电路图、控制电路图及PLC 外围接线图三部分。

4.1 主电路图

电控系统主电路如图2 所示。两台注水泵电机分别为M1、M2;两台冷却风机电机分别为M3、M4。Q1为主电源空气开关;变频器和软启动器电源采用独立空开单独控制，分别为Q2，Q3。接触器K1、K2分别控制M1、M2的工频运行;接触器K3、K4分别控制M1、M2 的变频运行或软启动;K5 为选择变频器或软启动器的单刀双掷隔离开关;接触器K6、K7分别控制变频电机的冷却风机M3、M4;K8、K9分别为两台注水泵电机过载保护用的热继电器。

4.2 控制回路和PLC 接线图

电控系统控制回路如图3 所示，PLC 及扩展模块外围接线图如图4所示。由于本系统使用的开关元件电流比较大，其控制线圈吸合和维持电流大，故PLC输出点不能直接带动开关元件，所以PLC 每一输出点上均有一个中间继电器来放大电流。J1~J15依次对应Q0.0~Q1.6。在PLC及扩展模块外围接线图(图4)中，S1为1#泵允许启动开关，此开关的位置在禁止时，无论是手动还是自动，1#泵都无法启动。S2为2#泵允许启动开关，功能同上。当手动状态并且1#允许的情况下，按下S3即可启动1#泵，S4为停止1#泵。S5，S6控制2裕泵，功能同上。

在自动状态下，操作任何按钮不起作用，系统完全由PLC 自动控制。I0.6 与I0.7 分别引自变频器与软启动器故障输出端子。K10与K11分别为安装在单刀双掷隔离开关两侧的位置开关，其作用为判断单刀双掷隔离开关K5 的位置，以此来判断是变频启动还是软启动器启动。这种电路能省掉很多交流接触器。I1.2 为变工频切换常开点，引自变工频切换装置。当变频器运行在50 Hz时，系统压力达不到设定值，PLC 给出信号到变工频切换装置，变频工频切换装置自动检测变频电源和工频电源的相位，当相位差最小时，此装置给出切换信号，允许变频转工频。I1.3 为软启动器运行到设定的电压(一般为工频电压的80%)时给出的启动完毕信号。S7为手动、自动选择开关。J1~J4分别控制变频器与软启动器的起停。J5~J6分别控制1裕，2裕泵的工频接触器。J9为报警信号输出继电器，包括各类报警。J10控制变频运行指示灯。J11，J12为变工频切换装置提供信号。J13，J14控制两个电机散热风机。

J15控制变频器手动自动控制方式。模拟量信号输入共三组，分别是出口压力信号，入口压力信号，润滑油温度信号，由PLC 扩展模块采样。H1为总电源指示灯，H2，H3 分别为1# 泵工频指示与变频指示灯。H4，H5分别为2#泵工频指示与变频指示灯。JL为报警器。

5 系统监控画面

图5 为人机界面监控画面首页，能显示各种状态指示，从此画面点击相应的按钮可以进入其它五个监控画面。在此界面中，主要参数的监控画面用红色文字标识。

图6 为开关状态画面，此画面能实时直观地显示各个开关的通断状态。

图7 为数据监控画面，能监控变频器的主要运行参数以及压力等数据。调整相应系数可以使显示压力更接近实际压力。

图8 为数据设定画面，能设定变频器的主要参数以及各种保护。主要保护设定采用的是红色标识。

图9 为运行频率，是输出电压及输出电流的历史运行数据查询画面。

图10 为故障状况查询画面。

6 结语

近年来，随着计算机技术、信息技术和通讯技术的迅速发展，在现代工业中，利用微机进行数据通讯的工业控制应用也越来越广泛。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用已经渗透到石油行业的各个部门。本次通过变频改造后的注水系统具有如下优点。

1)实现了电机软起动、软停车。电机均通过变频器或软起动从0耀50 Hz 作缓慢加速起动，减少了泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击。

2)提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到了节能运行的目的。

3)消除了泵的喘振现象，使泵始终运行于最佳工况状态。

4)实现了压力自动控制，被调节量得到平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。

5)实现了数据集中上传功能，可监控运行中的参数，查询历史数据或故障，非常方便。