變頻與自控技術(shù)在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上的應(yīng)用

于佩瑞（大慶石油管理局技術(shù)監(jiān)督中心）

1 裝置概況

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置于2013年4月由中國計(jì)量科學(xué)研究院驗(yàn)收合格并投入正常運(yùn)行，現(xiàn)正在使用中。裝置檢定系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 裝置檢定系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)工作時(shí)，啟動(dòng)真空泵，發(fā)揮其抽吸作用，將檢定室的空氣抽入被檢表管段，再經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)器噴嘴進(jìn)入儲氣罐，真空泵抽出的氣體再通過泵房和檢定室間的管道返回檢定室，循環(huán)運(yùn)行。下面重點(diǎn)介紹裝置的變頻系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

2 變頻系統(tǒng)

變頻技術(shù)主要應(yīng)用于該裝置的真空系統(tǒng)，真空系統(tǒng)主要是由水環(huán)式真空泵組成。使用中，真空泵（圖2）是在最大轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，而實(shí)際運(yùn)行中，生產(chǎn)需要的真空度遠(yuǎn)小于實(shí)際真空系統(tǒng)產(chǎn)生的真空度，這樣就造成了真空泵電動(dòng)機(jī)功率的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外，真空泵啟動(dòng)時(shí)電流大，對電網(wǎng)的沖擊大，電能的損耗大，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。因此，該系統(tǒng)應(yīng)用了變頻技術(shù)，將真空泵的控制方法改成變頻器控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 水環(huán)真空泵工作原理圖

裝置采用PI7600/7800 系統(tǒng)的變頻調(diào)速器，其特點(diǎn)如下：

1）調(diào)速范圍寬，變頻器的調(diào)速范圍能適應(yīng)調(diào)速設(shè)備的要求，頻率范圍為10～800 Hz。

2）控制精度高，變頻器的數(shù)字設(shè)定分辨率為0.01 Hz（300 Hz 以下）、0.1 Hz（300 Hz 以上），模擬設(shè)定分辨率為0.05 Hz。

3）運(yùn)行功能多，如限制頻率、回避頻率、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、反轉(zhuǎn)保護(hù)、自整定、PID 控制。

4）變頻器保護(hù)功能強(qiáng)，如過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)、過流失速保護(hù)、過壓失速保護(hù)、缺相保護(hù)。

在節(jié)能有效時(shí)，變頻器的實(shí)際電壓輸出值=變頻器的額定輸出電壓×輸出電壓百分比×節(jié)能輸出電壓百分比。

在日常檢定工作中，按上述原理將水環(huán)真空泵與變頻調(diào)速系統(tǒng)配套使用，既能夠準(zhǔn)確控制氣體流量，又節(jié)約能源、控制運(yùn)行成本，給檢定工作帶來便利。就節(jié)電方面做了以下統(tǒng)計(jì)，真空系統(tǒng)不加變頻系統(tǒng)耗電量為100%，加變頻系統(tǒng)平均耗電量為50%，變頻系統(tǒng)耗電量為10%，節(jié)能電量40%。裝置一共用3 臺變頻器，功率分別為37 kW、37 kW、22 kW，每天工作8 h，一年按工作260 d 計(jì)算，可節(jié)約電量79 872 kWh。

3 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)應(yīng)用工控機(jī)為上位機(jī)，采用PLC 作中央控制單元。該系統(tǒng)性能可靠，組態(tài)界面友好，界面功能齊全，控制方式及參數(shù)設(shè)置簡潔方便[1]。

控制系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

1）脈沖計(jì)數(shù)單元。計(jì)時(shí)頻標(biāo)1 MHz：光電隔離方式輸入，具有抗干擾能力。計(jì)數(shù)脈沖頻率范圍：1 Hz～10 kHz，脈沖幅度：2～24 V，能同時(shí)接入5 路被檢表脈沖。

2）模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元。把現(xiàn)場的變送器模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號供計(jì)算機(jī)處理。

3）數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元。將計(jì)算機(jī)發(fā)出的調(diào)節(jié)量信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥。

4）開關(guān)量輸出單元。開關(guān)量輸出單元每路均采用光電隔離，直接驅(qū)動(dòng)繼電器控制各種電動(dòng)（氣動(dòng)）閥門和換向器。

為了滿足氣體流量檢定系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)形式。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心進(jìn)行自動(dòng)控制。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)測量部分各種控制。對各種信號實(shí)時(shí)采集完成檢定過程的控制，能夠可靠地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，兼有數(shù)據(jù)前沿處理功能。上位機(jī)為適用于工業(yè)環(huán)境的工控機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)處理、文件管理、數(shù)據(jù)記錄打印，并通過下位機(jī)完成各種數(shù)據(jù)的采集，自動(dòng)控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊采用CAN 總線形式，CAN 總線為現(xiàn)場總線，其高性能、高可靠性、能夠較好地滿足系統(tǒng)的要求[2]。CAN 的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，通訊速率為1 Mbit/s，且具有良好的檢錯(cuò)功能，保證數(shù)據(jù)可靠。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐總結(jié)出控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）控制系統(tǒng)可以根據(jù)被檢表的類型與相關(guān)檢定規(guī)程的檢定規(guī)則，自動(dòng)確定被檢表的檢定點(diǎn)數(shù)和各檢定點(diǎn)下的檢定流量大小，也可根據(jù)需要自行設(shè)定流量檢定點(diǎn)數(shù)和對應(yīng)檢定下的流量，并同時(shí)在檢定過程中提示用戶選擇相應(yīng)的流量，用戶可以自行選擇設(shè)置噴嘴組合也可通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)確定并顯示出使用的組合狀態(tài)。

2）系統(tǒng)的軟件具有操作提示向?qū)В蟠筇岣吡塑浖目刹僮餍裕徽摍z定人員是否經(jīng)過培訓(xùn)，都可以輕松地操作該系統(tǒng)。

3）系統(tǒng)設(shè)有自保護(hù)功能，可以防止因不正當(dāng)操作而損壞系統(tǒng)及設(shè)備。

4）系統(tǒng)具有自診斷功能（自檢功能），在檢定運(yùn)行前，對被檢表所在管線及相關(guān)控制、測試設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)報(bào)警指示錯(cuò)誤狀態(tài)，保證檢定記錄的嚴(yán)謹(jǐn)與準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

在一年多的實(shí)踐工作中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足日常的氣表檢定工作，也為即將開展的項(xiàng)目《濕天然氣計(jì)量裝置的研究》做好準(zhǔn)備。而應(yīng)用于該裝置的變頻、自控技術(shù)在檢定工作中發(fā)揮了極大的作用，不僅為現(xiàn)場工作人員提供了便利，也提高了現(xiàn)場的工作效率，節(jié)約了能源，降低了運(yùn)行成本。另外，做好裝置的日常保養(yǎng)工作，可以延長其使用壽命，更好地為油田檢定工作服務(wù)。

[1]陸德民.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].3 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:1.

[2]王福瑞.單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001:101-112.