變頻器“一拖四”控制方案在長輸輸油管道中的應用

許春清，周靜，張蘭婷，王本明

(1. 廊坊開發區中油龍慧自動化工程有限公司，河北 廊坊 065001；2. 中國石油管道公司 管道工程第三項目經理部，河北 廊坊 065001)

?

變頻器“一拖四”控制方案在長輸輸油管道中的應用

許春清1，周靜2，張蘭婷2，王本明2

(1. 廊坊開發區中油龍慧自動化工程有限公司，河北 廊坊 065001；2. 中國石油管道公司 管道工程第三項目經理部，河北 廊坊 065001)

摘要：介紹了變頻器“一拖四”控制方案在長輸輸油管道中的應用。結合實際工程，深入研究了該控制方案的實施情況，詳細闡述了站控系統、變頻控制系統和現場設備之間的相互聯系，并分析了如何通過PID調節實現該控制方案的平穩運行。 針對該方案存在的問題提出了具體的優化方法，進一步提高了該方案的控制水平。該方案的成功應用對長輸輸油管道變頻器“一拖N”的工程設計及項目應用都具有一定的指導意義。

關鍵詞：變頻器長輸輸油管道控制方案

中壓變頻器具有成本低、節能降耗能力強和效率高等特點，在長輸輸油管道工程項目中得到廣泛應用。然而，隨著長輸輸油管道工程項目對成本投入的嚴格控制和對控制水平要求的不斷提高，對變頻器“一拖N”控制方案的需求也愈加迫切。盡管變頻器“一拖一”的控制方案已經非常成熟且具有大量的工程實例，但顯然無法掩蓋其投入成本高、技術相對落后的弊端，因而提出了變頻器“一拖N”的控制方案。

2015年，6kV中壓變頻器“一拖N”的控制方案應用于長輸輸油管道工程項目中。在鐵嶺-錦西原油管道復線工程法庫輸油泵站，PF7000系列變頻器“一拖四”的控制方案已經成功投用并平穩運行，實現了單臺變頻器拖動多臺輸油泵電機運轉。

變頻器“一拖四”控制方案在節約項目成本的同時，還提升了整個控制系統的靈活性和控制水平，在今后長輸輸油管道工程項目建設中將會有著更加廣泛的應用。筆者對該輸油泵站變頻器“一拖四”控制方案進行了詳細的闡述和分析，并提出了進一步優化的措施和方法，希望對變頻器“一拖N”控制方案在長輸輸油管道工程項目中的應用具有積極的影響和推動作用。

1設計方案

該輸油泵站變頻器“一拖四”控制方案主要由站控系統、變頻器控制系統和現場設備幾部分構成。

1.1總體方案配置框架

該控制方案的總體框架如圖1所示。

圖1　總體配置框架示意

1.2站控系統

站控系統是該原油管道復線工程全線數據采集與監控系統(SCADA)的當地檢測和控制單元，是保證全線SCADA系統正常運行的基礎，它不但能夠獨立完成對站場的數據采集和控制，還能將有關信息傳送給調控中心，并接受調控中心下達的相關指令。站控系統硬件由操作員工作站、可編程邏輯控制器(PLC)、打印設備、數據通信接口設備等組成。

1.3變頻器控制系統

該輸油泵站變頻器控制系統主要包括同步切換系統和變頻PLC控制系統兩部分，可實現對PF7000系列變頻器和輸油泵電機的控制。

1.3.1同步切換系統

同步切換系統由變頻器、進線斷路器柜(DI)、旁路斷路器柜(BP)和輸出斷路器柜(OP)組成，系統原理如圖2所示。

1) 變頻器。該輸油泵站采用PF7000系列中壓變頻器，具有如下特點：

a) 變頻器調速運行，以滿足各種工藝條件的控制要求。

b) 具有完善的同步切換功能，可實現輸油泵變頻與工頻的在線雙向切換。

c) 可實現將1臺輸油泵變頻運行模式切換到工頻運行模式后，再將另1臺輸油泵以變頻模式進行啟動，以實現變頻器“一拖多”控制功能。

d) 變頻器在同一時刻只能驅動1臺輸油泵電機。

圖2　變頻器“一拖四”控制系統原理示意

2) 進線斷路器柜。進線斷路器柜為真空斷路器配置，并內置綜合保護裝置，實現至變頻器線路保護功能。變頻器進線柜的正常分合閘采用就地和遠程兩種控制模式，就地模式可在柜體上進行按鈕操作，遠程模式可由變頻PLC控制系統進行分合閘操作。

3) 旁路斷路器柜。旁路斷路器柜為輸油泵電機工頻運行柜，分別連接對應的6kV母線及輸油泵電機。變頻器在遠程控制模式下，旁路操作同步切換由變頻PLC控制系統進行控制；變頻器在就地控制模式下，可由變頻器PLC控制系統柜上的按鈕進行手動操作。同步切換時，變頻PLC控制系統接收到自站控系統下發的切換指令后，經過條件判斷發出旁路切換命令；同步切換完成后，站控系統可對旁路斷路器柜進行分閘控制。

4) 輸出斷路器柜。輸出斷路器柜僅應用于變頻工作模式，該輸油泵站4臺輸油泵電機分別對應各自不同的輸出斷路器柜。其采用了電氣互鎖設計，并配置真空接觸器，以防止任意2臺輸出斷路器柜同時合閘。

1.3.2變頻PLC控制系統

變頻PLC控制系統選用Controllogix系列產品，該系統完成對變頻器、進線斷路器柜、輸出斷路器柜和旁路斷路器柜控制，并可以為站控系統提供相關的控制接口。站控系統與變頻PLC控制系統之間采用硬接線方式實現對變頻器切換控制，并采用RS-485網絡通信方式進行信號監視。

變頻PLC控制系統可實現就地和遠程兩種操作模式，既可以接收來自站控系統或中控系統的指令實現遠程操作，也可以在本系統柜門處通過按鈕進行就地操作。

2方案實施

該輸油泵站變頻器“一拖四”控制方案的實施充分發揮了變頻器節能降耗能力強、操作簡便和效率高的特點。在整個方案實施過程中單臺變頻器和4臺輸油泵電機銜接緊密，功能實現充分，完全滿足了站場各種工藝條件下的操作需求。與此同時，為了避免輸油泵在線操作時產生過激的壓力波動，方案實施也充分納入了變頻系統和出站調節閥的PID調節功能，在實現變頻器“一拖四”控制方案的同時，又保證了該輸油泵站站場工藝的平穩運行。

2.1變頻器“一拖四”控制的實施

1) 單臺輸油泵的工頻、變頻起停泵功能。輸油泵可通過就地和遠程兩種模式進行起、停泵操作，輸油泵既可以接收來自調度中心和站控系統的遠程操作指令，也可以在輸油泵操作柱上實現就地的起、停控制。

2) 定轉速泵和調速泵的相互切換。輸油泵的切換只能在遠程模式下實現，即操作人員根據站場工藝的實際情況，在站控系統人機界面的操作面板上設置輸油泵機組的切換延遲時間并下發切換指令。為了避免誤操作，在站控系統人機界面中增加了輸油泵預起和預停的預選操作面板。同時，為了簡化操作，站控系統人機界面對輸油泵切換控制、切換延遲時間設置和預選操作進行了操作面板的優化。

3) 單臺輸油泵機組工頻與變頻的在線切換。當變頻器在工作狀態下，輸油泵可實現從變頻向工頻狀態的在線切換；當變頻器在非工作狀態下，輸油泵可實現從工頻向變頻狀態的在線切換。

2.2變頻系統和出站調節閥的PID調節

該輸油泵站變頻系統和出站調節閥均可針對輸油泵入口匯管壓力和出站壓力進行手動和自動調節。變頻系統與出站調節閥的調節功能相同，二者既可單獨調節，也可同時在線調節。站控系統需要對變頻系統和出站調節閥的PID調節的結果進行判斷，并選擇最優的PID調節結果進行輸出。

1) 相互獨立調節。變頻系統與出站調節閥PID調節相互獨立時，站控系統根據站場的工藝條件和實際情況，選用其中最優的PID調節方式進行壓力的自動調節，同時將另一種調節方式設為手動調節模式。

2) 同時在線調節。變頻系統與出站調節閥PID調節同時在線時，站控系統根據系統設定的程序進行壓力的自動調節，調節方式如下：

a) 當出站壓力超過壓力調節設定值并低于Δp1(Δp1=0.2MPa)時，變頻器進行單獨調節，而此時出站調節閥的閥位應保持在全開狀態下；當出站壓力超過壓力調節設定值且不低于Δp1時，調節閥和變頻器同時在線進行調節。

b) 當輸油泵入口匯管壓力低于調節設定值且在Δp2(Δp2=0.05MPa) 以內時，變頻器進行調節，此時調節閥全開；如輸油泵入口匯管壓力達到或低于調節閥設定值Δp2時，調節閥和變頻器同時進行調節。此時，站控系統需要對PID調節結果進行程序判斷，并選擇最優的結果進行輸出。此外，需要說明的是： 這里的Δp1和Δp2是針對該輸油泵站工藝情況下的設定值，其他應用場合可根據工況條件的變化進行適當調整。

總之，通過變頻系統和出站調節閥的雙重PID調節，在進行輸油泵的相關操作時，該輸油泵站站場的壓力波動完全在可接受的控制范圍之內。

3存在問題及優化方法

3.1存在問題

1) 變頻器放電時間長。目前，該輸油泵站變頻器停車之后的正常放電時間約為120s，當輸油泵機組短時間內頻繁切換時，放電時間可能會延長。由于變頻器停車后必須經過放電才能重新投入使用，因而變頻器放電時間長和波動將直接影響到輸油泵機組的切換。例如： 輸油泵機組切換過程時間長、變頻器重新啟動失敗等容易造成操作人員的誤判斷。

2) 站控系統和變頻PLC控制系統部分功能界面劃分不合理。目前，在該控制方案中，站控系統和變頻PLC控制系統之間的部分功能界面劃分不夠合理，導致在某些功能的實現上，操作相對繁瑣、時間長。例如： 變頻器啟動預選和單臺輸油泵工頻切變頻的轉速設定等。

a) 變頻器啟動預選操作流程。在輸油泵變頻器啟動預選過程中，站控系統和變頻PLC控制系統之間選用的是順序等待的形式，即站控系統將預選命令下發至變頻PLC控制系統，再由變頻PLC控制系統進行判斷和上報，如圖3所示。

b) 單臺輸油泵工頻模式切換至變頻模式。通常變頻器都是以自動模式運行，在這種模式下變頻器的轉速需要實時跟隨變頻系統PID調節的輸出結果。由于單臺輸油泵從工頻模式切換至變頻模式時，變頻器需要站控系統對其啟動轉速(2980rad/min)進行設定，因而站控系統必須首先進行變頻器工作模式的判斷，再對轉速進行設定。工頻切換至變頻控制流程如圖4所示。

圖3　輸油泵啟動預選操作示意

圖4　輸油泵工頻切換至變頻控制流程示意

3.2優化方法

1) 增加變頻器快速放電裝置。建議變頻器增加快速、深度放電裝置，以保證變頻器停車后能夠快速投入使用。此外，在變頻器PLC控制系統中增加變頻器放電狀態監視點，并采用硬接線方式傳送至站控系統進行變頻器放電狀態的顯示和趨勢跟蹤，以保證變頻器能夠準確投用并避免操作人員的誤操作。

2) 優化站控系統和變頻PLC控制系統功能界面劃分。針對變頻器操作，優化站控系統和變頻PLC控制系統之間的功能劃分，將部分功能從站控系統遷移至變頻PLC控制系統內，以簡化變頻器操作流程、縮短操作時間，如變頻器啟動預選和工頻切變頻轉速設定等。

a) 輸油泵的預起預選功能的優化。將輸油泵的預起預選功能放到變頻PLC控制系統中，并由變頻PLC控制系統對輸油泵是否滿足變頻啟動進行實時跟蹤和判斷，并將這一狀態以硬接線的方式傳送至站控系統。當進行輸油泵變頻啟動操作時，站控系統就可以直接針對滿足啟動條件的輸油泵進行操作，從而簡化了圖3中操作流程，并縮短了操作時間。

b) 單臺輸油泵工頻切變頻轉速設定的優化。當輸油泵從工頻模式切換至變頻模式運行時，取消站控系統對變頻器固定啟動轉速的設定，并將此功能嵌入到變頻PLC控制系統中。該功能優化后，變頻PLC控制系統接收到站控系統單臺輸油泵工頻切變頻命令后，直接以固定轉速(2980rad/min)啟動，不但縮短了操作時間，還明確了站控系統和變頻PLC控制系統的功能劃分，從而使單臺輸油泵工頻切變頻的操作更簡單合理。

4結束語

綜上所述，變頻器“一拖四”控制方案在該輸油泵站的成功應用，為今后變頻器“一拖N”控制方案在長輸輸油管道中的應用奠定了堅實的基礎。通過對方案的優化，可以進一步提高變頻器“一拖N”控制方案的控制水平并保證系統的平穩運行。

參考文獻:

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊[M].2版.上海： 機械工業出版社，2003.

[2]黃立培，張學.變頻器應用技術及電動機調速[M].北京： 人民郵電出版社，1998.

[3]喻支乾.基于組態王_PLC及變頻器在恒壓供水控制系統的設計[D].濟南： 山東大學，2008.

[4]吳昌斌.變頻器控制在水泵中的應用與節能分析[J].包裝與食品機械，2014，32(03)： 60-62.

[5]項曉春，劉廣魁.SCADA系統及其應用[J].自動化技術與應用，2000，19(03)： 19-22.

[6]孟曉芳，李策，王玨，等.西門子系列變頻器及其工程應用[M].上海： 機械工業出版社，2008.

[7]張如剛.天然氣利用工程中的SCADA監控系統設計[J].現代制造，2007(31)： 86-88.

[8]葉松濤，謝杰輝，魏秀靜，等.串聯離心泵節流與變頻控制方案比較分析[J].化工自動化及儀表，2015，42(01)： 7-11.

[9]陳梅，毛映霞，陳薇，等.基于耦合補償的矢量變頻驅動帶式輸送機的功率平衡控制策略[J].化工自動化及儀表，2015，42(03)： 241-244，281.

Application of Inverter “One-to-Four” Control Solution in Long Distance Oil Transportation Pipeline

Xu Chunqing1， Zhou Jing2， Zhang Lanting2， Wang Benming2

(1. China Petroleum Longhui Automation Engineering Co. Ltd., Langfang, 065001, China;2. The Third Project Manager Department, China Petroleum Pipeline Company,Langfang, 065001, China)

Abstract:Application of inverter “One-to-Four” control solution in long distance oil transportation pipeline is described. Combing practical engineering, the implementation of inverter “One-to-Four” control solution is studied deeply. The interrelation among station control system, inverter control system and field devices is elaborated in detail. How to achieve smooth running for the inverter “One-to-Four” control solution is evaluated through PID regulation. Detailed optimization is proposed aiming at the existing problems of the solution to further improve the control. Successful application of inverter “One-to-Four” control solution has great significance for “One-to-N” control solution of engineering and construction.

Key words:inverter; long distance oil transportation pipeline; control solution

作者簡介：許春清(1980—)，男，黑龍江牡丹江人，2003年畢業于遼寧石油化工大學測控技術與儀器專業，獲學士學位，現就職于廊坊開發區中油龍慧自動化工程有限公司，從事油氣長輸管道SCADA系統設計與集成工作，任工程師。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)02-0029-04

稿件收到日期： 2015-11-08，修改稿收到日期： 2016-01-19。