轉油站PLC變頻控制系統設計與實踐

何偉民

（大慶油田工程有限公司自動化與機械產品部，黑龍江 大慶 163000）

PLC 變頻控制系統的大規模應用，不僅可以大大降低泵出口的節流損失、壓力損失，節能效果顯著，還可以降低勞動強度，提高采集數據及泵的控制精度，實現生產過程自動化控制。另外，變頻控制系統能減小對油田電網的沖擊，從而保持其穩定，節約維護費用，本文以某轉油站數字化建設為例，介紹根據緩沖罐液位高低的變化，來調節外輸泵異步電機的啟停和轉速達到自動化輸油的目的。

1 基本概念

（1）PLC 是英文programmable logic controller 的首字母縮寫，中文意思是可編程邏輯控制器，又稱為可編程控制器，其實質是一種工業計算機，它的主要結構與微型計算機相同，主要包括：中央處理單位元（CPU）、存儲器、電源。

（2）PID 控制器。PID 是英文Proportion Integration Differentiation 的首字母縮寫，它是工業應用控制上常用的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I 和微分單元D組成，其控制基礎是比例控制、積分控制、可消除穩態誤差。

（3）變頻器。是把工頻電源（一般為50Hz 或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，從而改變電機定子繞組供電頻率來實現電機的變速運行的設備。

2 PLC 變頻控制系統設計

2.1 系統結構及功能

“力控組態軟件”是一種軟件開發平臺工具，它可以根據用戶要求定制功能，比如，顯示三相電機參數、轉速，泵的遠程啟停及電機調速等功能，通過PLC 編程，可以遠程自動控制設備的運轉。PLC 系統和變頻器相結合，可以自動遠程控制電機的轉向、啟停、轉速，因此，PLC 變頻控制系統設計必須有控制運算部分、執行和反饋部分。PLC 和變頻器可完成運算功能，變頻器和電機為執行機構，速度是反饋部分主要指標。

2.2 系統實現總體設計思路

根據以上介紹，轉油站PLC 變頻控制系統應由可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器和外輸泵電機組成。首先PLC通過力控界面設置，獲得一個輸入液位值，PLC 通過變頻器上多功能端子、RS485 通訊接口或數模（DA）轉換模塊來控制變頻器，經變頻器改變電流（電壓）的頻率來控制電機，后變頻器頻率反饋至PLC，后經對比再輸出給變頻器，最終實現無靜差調速。

2.3 CHF 系列變頻器設置及閉環控制接線

變頻器出廠后必須用經快速調試過的變頻器對其進行快速調試，調試合格方能用于實際工程。為避免電磁信號干擾，變頻器頻率反饋連接線及PLC AO 輸出線以及必須使用帶屏蔽層的單、雙芯線纜，其他如狀態、啟停信號線可根據設備規格及其實際使用環境進行選擇。另外，泵房內的動力電纜產生的磁場會干撓電機三相電參以及電流的RS-485 通訊，使其采集的數據失真，影響系統對輸油系統的控制，這些采集線必須選用屏蔽雙絞線。PLC 對變頻器頻率的控制，一般有模擬量控制法和串行總線通線控制法，油田工程上一般選擇前者，需要將PLC 的模擬量采集端子與變頻器的AO 模擬量輸出端子連接起來，形成閉環控制。

3 PLC 變頻控制的實現

3.1 PLC 變頻控制系統的運行過程

目前，智能PID 控制器在油田工程中已得到廣泛應用，輸油泵前緩沖罐的液位在PID 液位控制器的作用下，傳輸至PLC，經其內部程序計算后，將一個大約4～20mA 的電流信號通過模擬量輸出模塊（EM232）傳送至變頻器，再根據變頻器內部PID 控制程序的計算結果，變頻器獲得一個信號——轉速控制信號。PLC 變頻控制系統是一個負反饋的系統，緩沖罐的實際液位與設定液位之間的偏差值會影響輸油泵的頻率，該偏差值與輸油泵的頻率成正比變化，偏差值越大，輸油泵的運行頻率越大，反之越小。相對應的，PLC 的模擬量輸入模塊（EM235）同時也不斷接收到來自變頻器的實際運行頻率信號，該信號也是以4～20mA 的電流形式傳送，經PLC 內部程序計算后，修正輸出電流，形成對電機的閉環控制。各聯合站、轉油站在實際生產中，由于季節變化、新井投產、老井關停及生產工藝的調整等原因，導致各站來油量并不穩定，無法保證輸油的連續運轉，此時，需要在力控運行界面遠程手動控制輸油泵的啟停以及運行頻率。同時，力控平臺還可通過RS-485 通訊采集電機的運行三相電參。

3.2 PLC 變頻控制PID 參數整定實踐

PID 控制器的參數整定是PLC 變頻控制系統設計的核心內容，它是根據被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID 參數方法主要有理論計算法和工程整定法，后者又分為臨界比例法、反應曲線法和衰減法等，實際工作中臨界比例法應用較多，其整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。

（1）整定比例控制。比例控制比較簡單，輸出與輸入誤差信號成比例關系，當只存在比例控制時系統輸出的誤差為穩態誤差，將比例控制作用由小到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。

（2）整定積分環節。多次反復調整步驟中的比例系數、積分時間長短及積分作用，隨時觀測響應曲線，直至獲得比較滿意的響應，選定此時的比例和積分參數。

（3）整定微分環節環節。首先將微分時間TD 設置為0，并逐步調增TD 的設置值，與此同時，相應調整積分時間和比例系數大小，經多次試驗，直至獲得較好的控制效果及與些對應的PID 控制參數。一般來說，轉油站輸油泵工藝中應用的PLC 變頻控制系統，只調節P、I 這兩個系數，控制系統就可達到理想效果，而不必繼續調試D 系數。

油田場站PLC 自動輸油系統中，PID 控制的頻率滯后性較大，所以實際應用中，將比例系數P、積分時間I、微分時間D 全投入使用，才能獲得較強的系統動態響應。經多次試驗得到的經驗值，當P=10，I=0.15，D=0.01 時，最大超調為兩度左右，穩定后數值在+1HZ/min 內，此時，系統的控制效果較好。

4 PLC 變頻控制系統在大慶油田某轉油站輸油工藝中的應用

2017 年年底，大慶油田某轉油站PLC 變頻控制自動輸油系統建設完成，調試后投產取得滿意的效果，還對不同廠家變頻器功能及相關參數的設定加以對比分析，進行了總結。根據本項目所應用的英威騰CHF 系列變頻器，工作人員對閉環變頻控制系統需要實現的功能以及具體的實現思路進行了研究，對系統軟硬件構成、PLC 與變頻器間的通訊方式、PLC 編程、PID 算法加深了了解，并能夠依靠實際經驗進行PID 參數整定。經過本項目實踐，積累了一定的PLC 變頻控制系統調試經驗。2018 年年底，該項目投產一周年，PLC 變頻控制系統運行平穩、可靠，完全滿足了轉油站原油輸送要求，降低了員工的勞動強度，消除了冒罐、泵空轉等風險，同時據統計較上年轉油站全年節能約25%，得到了廠領導及基層員工的一致好評。

5 結語

隨著油田改革的不斷深入，節能能源、提高單位生產率不再只是一句口號，而是要落在實處，數字化油田的建設，可大大減少人力成本的投入，降低能源的消耗。PLC 變頻自動控制系統作為數字化油田建設的一部分，應積極加以推廣。根據PLC 及變頻器工作原理，PLC 變頻自動控制系統除了可在抽油機、轉油站、聯合站的的輸油系統應用之外，還可廣泛應用于水處理系統、注水系統、空氣壓縮系統等的控制，此技術隨著數字化業務的發展，潛力巨大。