PLC变频控制在油田连续输油系统的应用研究

【摘 要】长庆油田在建设数字化大油田的过程中，在增压站、联合站以及输油站等站点广泛地使用了电机变频调速技术，由调整泵的电机转速取代调节出口阀，降低泵出口的压力损耗，有效避免了输油泵出口阀的节流损失，取得了很好的节能效果。此外变频调速的应用还能减小对电网的冲击、节约维修费用、增加输油量等。在油田增压站数字化建设流程中，其要求根据缓冲罐液位来调节输油泵的启停和转速，这是实现输油智能化的重要表现，输油泵由异步电动机驱动，由PLC系统对电机的控制就显得尤为重要。西门子S7-200 PLC以及英威腾CHF系列变频器为例，主要研究了力控组态软件的开发应用、PLC变频控制系统的组成功能、PLC与变频器的连接及通讯、PLC变频系统的具体实现以及相应的程序。

【关键词】PLC；变频控制；运行过程；软件算法；应用情况

一、PLC变频控制系统分析

（一）系统结构及功能分析

力控组态软件作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速、三相电参，远程启停及调速控制等功能，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。PLC和变频器综合起来主要实现了变频调速，电机的正反转，加减速以及快速制动以及远程启停等。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。

（二）系统实现总体思路

系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过力控界面设置给定输入液位值给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将变频器频率反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。

（三）CHF系列变频器设置及闭环控制接线

如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，调试中用到的变频器都已经完成了快速调试。PLC的AO输出以及变频器的频率反馈连接线必须使用带屏蔽层的线缆，启停以及状态等信号采集线缆可根据实际情况使用。此外，采集电机三相电参以及电流的RS-485通讯必须采用屏蔽双绞线，以防止动力电缆的干扰，使得采集的数据失真。为了实现闭环控制，需要将变频器的AO模拟量输出端子接入PLC的模拟量采集端子。

二、PLC变频控制的实现

（一）PLC变频控制系统的运行过程

在自动PID控制模式下，PLC首先采集缓冲罐的实际液位，经过编写好的PLC内部程序计算后，通过模拟量输出模块（EM232）给变频器一个相应的4-20mA电流信号，再经变频器内部PID控制程序的计算，给变频器一个转速控制信号。由于该系统是一个负反馈的系统，实际液位与设定液位的偏差值越大，输油泵的运行频率越大，随着液位的下降，输油泵运行频率也相对降低。与此同时，变频器将自身的实际运行频率以相应的4-20mA的电流信号发送到PLC的模拟量输入模块（EM235），PLC通过内部程序计算对输出的电流进行修正，形成了闭环控制。在现场实际中，很多站点的来油量并不能保证连续输油，此时需要对输油泵的启停以及运行频率在力控运行界面进行远程手动控制。此外，通过RS-485通讯，还能够将电机的运行三相电参以及等数据采集到力控平台上。

（二）PLC变频控制PID参数整定实践

PID参数调试凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。

1、整定比例控制

将比例控制作用由小到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

2、整定积分环节

先将步骤1中选择的比例系数减小为原来的50～80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

3、整定微分环节环节

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。一般情况下，在增压点PLC变频控制输油系统中，通过调节P、I这两个系数即可得到较为理想的控制系统，系数D可以不用调试。

PLC变频控制自动输油系统为频率PID控制，频率具有比较大的滞后性，所以一般为了增强系统动态响应，比例、积分、微分全投入使用，经过多次参数设定比较后，当设定比例系数P为10，积分时间I为0.15，微分时间D为0.01时，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在+1HZ/min以内。

最终系统整定控制效果如下：

三、PLC变频控制在油田连续输油系统中的应用情况

PLC变频控制自动输油系统的调试涉及到了PLC的编程、对PID控制方法的理解以及在实践中的参数整定，还涉及到对不同厂家变频器功能及参数的了解以及进行相关的设定，相对模拟量等调试来说涉及的东西较多，难度也相对大很多。本项目研究了闭环变频控制系统需要实现的功能以及具体的实现思路，并且以英威腾CHF系列变频器为例说明了在闭环控制系统中如何与PLC连接及通讯，此外，本项目还研究了该系统软件的构成及PID算法，并且介绍了如何依靠经验对PID参数进行整定。本研究项目通过今年在陇东片区以及陕北片区9个站点的调试实践，积累了较为丰富的调试经验。经过一年多以来的实践，PLC变频控制输油系统运行可靠，完全满足增压点生产工程流程要求，杜绝了人工操作易造成缓冲罐溢罐等事故发生，提高了生产安全、减轻了人工劳动强度，并且输油泵整体节能达20%以上，受到一线操作人员及采油作业区好评。

四、结束语

PLC变频自动控制系统除了在增压点的输油系统得到全面的应用之外，还在长庆油田的注水泵控制，空气压缩机控制，以及丙烷压缩机组的控制等方面也得到了广泛的应用。再者PLC变频控制输油系统在总厂数字化混输橇以及增压点改造等产品及项目中也得到了广泛的应用，因此这一技术将会随着总厂数字化业务的不断拓展而被广泛应用，发展前景看好。