基于LabVIEW的油田注水泵變頻遠控系統(tǒng)

張卓

【摘 要】文章以實際工程項目為例，重點說明了LabVIEW在基于OPC的上位機與PLC通信、串口通信、數(shù)據(jù)傳輸及自動控制等方面的應用，并簡要介紹了注水泵變頻遠程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲、硬件組成和軟件結(jié)構。

【關鍵詞】LabVIEW；OPC；串口通信；自動控制；注水泵

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）08-0038-04

0 引言

油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，利用油田注水泵工作時產(chǎn)生的超高壓力通過注水井把水注入油層，以補充和保持油層壓力，提高和保證出油率。目前，以手動方式控制注水壓力，難以在泵的最佳工況點運行，存在水錘效應，以及管網(wǎng)效率低、電能損失高、泵閥門磨損嚴重、壽命短等問題。同時，僅由人工錄取數(shù)據(jù)和定時巡查的方式對水泵工作狀態(tài)進行監(jiān)控。

基于以上因素，在油田注水系統(tǒng)中引入遠程監(jiān)測控制技術，利用“西門子”PLC、基于“美國NI公司”的LabVIEW開發(fā)軟件及傳感器改變傳統(tǒng)模式，通過監(jiān)控水泵壓力、水泵流量、電機軸溫、水泵溫度、電機電量等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對注水泵的遠程實時狀態(tài)監(jiān)測與控制，提高了水泵工作效率和出油效率。

本文以金馬油田海一聯(lián)注水3號泵為例，介紹了LabVIEW在油田注水泵變頻遠程控制系統(tǒng)中的應用。

1 注水系統(tǒng)結(jié)構

注水系統(tǒng)結(jié)構簡圖如圖1所示。圖1中，1#水泵、2#水泵、3#水泵、4#水泵分別由4臺高壓電機驅(qū)動。

系統(tǒng)中監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)如下。 ①壓力：泵入口水壓、泵出口水壓、主干管道水壓（干壓）。 ②流量：水泵出口流量。③溫度：電機軸溫、消耗軸溫、泵入口水溫、泵出口水溫。④電量：電機電流。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲如圖2所示。

本項目為變頻器搭建了一個獨立的局部小系統(tǒng)，與外部沒有控制連接。其中，PLC用于將變頻驅(qū)動的電機及其水泵的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至PC機。PC機作為這個小系統(tǒng)的中控設備。

3 遠控軟件設計

遠控軟件分為人機界面和控制程序兩個部分。其中，人機界面包括控制界面、監(jiān)視界面和報警記錄界面；控制程序包括自動控制程序、PLC控制程序、變頻器通信程序、上位機與PLC通信程序和報警記錄程序。結(jié)構圖如圖3所示。

3.1 后臺軟件與PLC的OPC通信

后臺軟件與PLC采用的是OPC的通信方式，傳輸方式為以太網(wǎng)，通過OPC來讀取PLC采集到的注水泵流量、溫度等模擬量。首先使用LabVIEW軟件中自帶的OPC服務器程序建立一個與“西門子”PLC連接的OPC連接文件，然后在OPC文件中建立與“西門子”PLC中各模擬量地址位相對應的標簽，最后將這些標簽與LabVIEW中的控件一一對應綁定到一起，就完成了后臺軟件與PLC的通信（如圖4所示）。

OPC標準以微軟公司的OLE技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。OPC的出現(xiàn)為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁。

3.2 上位機與變頻器之間的串口通信

變頻器和上位機通信采用的是串口通信的方式，（如圖5所示）。

LabVIEW中用來實現(xiàn)串口通信的是一組VISA函數(shù)，這組函數(shù)包括串口初始化函數(shù)、讀串口函數(shù)、寫串口函數(shù)、關閉串口函數(shù)、檢測串口緩存函數(shù)和暫停串口函數(shù)等。通過利用這些LabVIEW自帶函數(shù)進行不同的組合和連接，可以實現(xiàn)各種不同通信協(xié)議的串行口通信。利用LabVIEW開發(fā)串口通信的程序的基本步驟為：①對串口進行初始化，根據(jù)變頻器的通信點表進行串口參數(shù)的設置。②對串口進行寫操作，根據(jù)變頻器的通信點表將需要用到的功能碼寫入串口。③進行延時設置。④對串口進行讀操作，根據(jù)變頻器通信點表將串口讀到的數(shù)據(jù)進行解析。⑤關閉串口。

3.3 上位機自動調(diào)頻程序

上位機自動調(diào)頻功能通過檢測變頻器電流、水泵流量，實時對比電流及流量的上、下限值，進行邏輯判斷，通過調(diào)頻將超出限值的狀態(tài)調(diào)回到限定范圍內(nèi)，其控制目標是水泵流量在限定范圍內(nèi)。邏輯判斷的依據(jù)是變頻器電流、水泵流量是否超出限定范圍。調(diào)節(jié)方式是變頻器頻率給定的調(diào)整。上位機自動控制流程圖如圖6所示。

3.4 人機界面

LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)了極高的效率。LabVIEW在人機界面方面也有著相當大的優(yōu)勢，遠控界面如圖7所示，界面顯示內(nèi)容清晰詳細、操作方便快捷，能很好地完成監(jiān)視與控制方面的需求。

LabVIEW采用圖形化編程方式，內(nèi)置大量人機交互功能，可以方便地完成工業(yè)過程仿真及控制、數(shù)據(jù)采集分析顯示、儀器控制、測量測試等操作，并具有良好的可擴展性。它的前面板包含了大量形象逼真的控件，用戶可以創(chuàng)建自定義控件。前面板的窗口形式也可以以不同的方式顯示，滿足不同的需求，用戶可以通過按鈕、播放聲音、對話框等多種方式與程序進行交互。

3.5 使用變頻調(diào)速后的節(jié)能估算

按流體機械的相似定律，水泵流量Q、揚程H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間的比例關系如下：

■=■

■=[■]2

■=[■]3

水泵在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且揚程H隨流量Q呈平方規(guī)律變化，則水泵的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變（只有在負荷率低于80%時才略有下降），水泵流量由100%下降到50%時，變速調(diào)節(jié)與閥門調(diào)節(jié)方式相比，水泵的效率平均高出30%以上。從節(jié)能的觀點來看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳選擇。

4 結(jié)語

本文介紹的注水泵變頻自動控制系統(tǒng)中，采用LabVIEW開發(fā)的基于OPC的PLC通信、變頻器串口通信、自動控制及人機界面等所有后臺軟件。由于LabVIEW在通信穩(wěn)定性、自動控制準確度和人機界面操作便捷等方面的優(yōu)勢，使注水泵變頻遠控系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的性能，很好地滿足了系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)現(xiàn)已交付客戶使用且運行狀況良好。

參 考 文 獻

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[3]馬懷儉.基于網(wǎng)絡的電機試驗系統(tǒng)[J].哈爾濱理工大學學報，2002，7（3）：41-43.

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[責任編輯：鐘聲賢]