注配間變頻器安全聯動控制技術研究

岳永澤

（大慶油田釆油七廠信息中心，黑龍江 大慶 163517）

0 引言

傳統上，人們通常采用變頻器上的操作面板對頻率參數進行本地設置，但是注配間內注水井地下情況復雜，且間內來水壓力不穩，導致間內單井注水波動較大，需人工在現場頻繁調節變頻器變頻。對此，基于配水間數字化改造，可通過遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）與變頻器進行通信，進行變頻參數的實時采集。在RTU 中開發智能應用程序，根據單井控制策略，智能調節單井注水量，在不能滿足單井注水需求時，智能調節變頻器參數，并采取安全措施，最終實現注配間安全平穩注水。

1 變頻器通信

大多數變頻器支持RS485 通信方式，因此RTU 通過RS485協議與變頻器進行通信，通過RS485 信號線將變頻器變頻數據信號輸出至RTU 中，通過Modbus 協議，進行變頻器頻率數據的讀寫。RTU 通過有線方式與變頻器進行連接，RTU 采集的變頻器數據通過4G 無線網絡將數據傳入監控中心，監控中心也可向RTU 下達控制指令，RTU 再將命令寫入變頻器。

大慶油田采油七廠注配間因投產時間不同，變頻器的廠家、型號眾多，包括艾默生、森蘭、偉創、ABB 等廠家的10 余種型號的變頻器。不同變頻器廠家通信協議存在較大差異，即使同一廠家不同型號的變頻器，其通信協議也可能不同，這就需要在每個配水間都開發一版程序，給現場RTU 與變頻器通信帶來較大的工作量。為解決這一問題，技術人員將RTU 采集驅動模塊化，即收集整理每種型號變頻器RS485 通信協議，根據通信協議開發驅動程序，并將驅動程序植入RTU 中，在RTU 與變頻器配置通信時，選擇該型號變頻器所對應的驅動。這樣即使一個不懂開發的現場技術人員，也可以輕松完成變頻器的通信配置工作。

2 變頻聯動控制

2.1 單井智能注水

目前，大慶油田采油七廠配水間數字化改造已接近尾聲，單井均安裝了流量計與注水控制器，可以實現按照配注進行穩流配水。配水間數字化改造改變了傳統人工頻繁手動調節單井注水量的管理方式，減輕了員工的勞動強度，提高了工作效率。

穩流配水雖然實現了單井精準的注水，但是部分注水井地層情況較為復雜，分層測試結果中合理注水壓力范圍較小，雖然注水量達到配注量，但注水壓力卻超出合理范圍，導致小層不分水或搶水的情況發生，水井A2 資料則為不合格，需要測試隊進行復測，甚至個別注水井需要多次復測，從而大大地提高了水井測試的工作量和成本。

為提高注水資料合格率，大慶油田采油七廠采取基于RTU二次開發的方式，開發智能注水程序，自動調節設定水量和注水壓力，確保注水量和注水壓力全合格，并通過與油田管理各部門緊密結合，聯系生產實際，制定合理的自動調節策略。①采集注水壓力、流量實時數據。②當注水壓力＞破裂壓力（允許最大注水壓力）時，閥門快速關小，流量下降，使注水壓力下降，如注水壓力不超過破裂壓力時，進入第3 步。③當注水壓力＞合格壓力上限時，閥門關小，減小流量。當注水壓力＜合格壓力下限時，流量控制器開大閥門，使注水壓力在合格壓力范圍內，當壓力在合格壓力范圍內進入第4 步。④當瞬時流量不在合格水量范圍之內時，調節瞬時流量，使瞬時流量在合格水量范圍內。比如，流量在合格范圍內則跳轉至1，進行重復，當流量不在合格范圍之內時，則進入第5 步。⑤按配注水量調節閥門，同時保證注水壓力＜破裂壓力。

2.2 變頻聯動控制

注配間單井和配水間單井流程一樣，區別在于注配間來水壓力較低，不能滿足間內正常注水，因此采用柱塞泵增壓的方式來提高注水壓力，一般間內部署2～3 臺柱塞泵，由變頻器控制柱塞泵電機的轉速，從而控制泵的揚程。變頻器控制方式大多為1 拖1，部分為1 拖2，即1 個變頻控制兩臺泵，一臺柱塞泵變頻運行，一臺柱塞泵工頻運行。無論間內有幾臺變頻器運行，通常都只調節其中一臺變頻器，其他變頻器只發揮60%～80%的能力，相當于工頻運行。

RTU 采集間內所有數據進行數據分析與控制，首先，判斷注水干線壓力是否超過上限、柱塞泵的出口壓力是否超過上限（其中干線和泵壓力上限可以通過監控系統遠程設置），當壓力超過上限，技術人員將變頻下調0.1 Hz，當壓力正常時，進入單井控制流程，即采用配水間智能注水策略，通過量壓優選法調節單井注水控制裝置。當不能滿足單井注水需求時，變頻上調0.1 Hz，能夠滿足注水時則不調節。這樣周而復始地進行聯動控制，提高了調節精度，減輕了員工的勞動強度。

3 遠程與本地控制

變頻器不能一直遠程控制（RTU 自動控制包含遠程控制），特殊情況仍需現場調節，因此應設計遠程和本地控制模式切換功能，即遠程控制和本地變頻器面板控制切換。大慶油田采油七廠注配間柱塞泵所配套變頻器生產時間和型號各異，近幾年新投產注配間變頻器功能較多，擁有遠程和就地控制的控制接口，支持控制模式的切換，部分老舊變頻器因生產年限較早，功能單一，不具備遠程和就地控制接口。針對變頻器是否存在遠程、就地控制接口，設計兩種切換方式：軟件切換和硬件切換。

3.1 軟件切換

如果變頻器存在切換接口，可通過RTU 與變頻器建立通信，修改變頻器相應寄存器狀態值，實現遠程和就地控制模式切換。設計思路如下：①默認狀態下變頻器為就地控制模式；②服務端控制系統遠程向RTU 下達指令，切換指令、調節指令；③RTU 接受指令后向變頻器下達模式切換指令，切換為遠程模式；④如果變頻器遠程控制模式切換成功，繼續執行變頻參數調節指令；⑤如果遠程調節頻率已執行，則將控制模式切換回本地模式。

3.2 硬件切換

如果變頻器沒有切換接口，便無法遠程切換控制模式，因此大慶油田采油七廠對現場變頻柜進行改造，在柜門上加裝一旋鈕（相當于單刀雙擲開關），兩動觸點分別與變頻柜控制面板和RTU 連接，并做好切換模式標注，當切換到遠程模式觸點，變頻器便與RTU 連接上，通過RTU 就能遠程對變頻器進行調節。當切換到本地模式觸點，變頻器便與自帶控制面板連接，通過控制面板進行變頻調節。

4 變頻安全控制

注水管線只有在合理的壓力范圍內才能正常運行，當管線承受的壓力超過上限時，管線極易穿孔；當管線內壓力過低時，說明來水量太小或閥門沒有打開。為確保注配間聯動控制安全運行，自動監控系統能夠設定進、出口壓力報警及停機閾值，出口壓力超報警值則報警，超停機值則停機；進口壓力降至低壓報警值則報警，降至停機值則停機，最終可以實現系統的正常運行，從而避免事故發生。出口壓力停機值是指間內生產允許的最大壓力，而聯動控制的壓力上限小一點，這樣就形成了雙保險。根據控制采集參數和控制停泵的方式不同，技術人員制訂了兩種方案。

方案一：RTU 控制方式，即采用一臺RTU 單獨采集間內所有柱塞泵出口壓力和總干線壓力，當壓力超過上限時，將該壓力所對應的柱塞泵變頻器斷電。安全RTU 直接將采集的壓力數據回傳至后臺監控系統，監控系統還可以遠程調節壓力閾值。

方案二：二次表控制方式，即采用二次表采集柱塞泵及總干線壓力，并設置上限，當壓力超上限時，將接入的柱塞泵變頻器斷電。二次表不能通過遠程設置報警閾值，只能在本地儀表面板上進行設置。一塊二次表只能接一塊壓變，一塊二次儀表只能控制一臺變頻，因此注配間使用二次表的數量由變頻器數量決定。

兩種方案均采用通過控制繼電器來實現變頻器電路切斷，均能實現壓力超限停泵，成本相近，其中，方案一中安全RTU 運算能力強，能夠進行復雜控制，并能實時回傳現場數據及報警信息，且施工較為簡單；方案二中二次表功能簡單，故障率較低，系統運行穩定，但需求數量較多，施工較為復雜。數字化改造設計時，可根據使用要求選擇適合的建設方案。

5 結語

本研究在穩流配水系統基礎上，接入變頻器進行聯動調節，對注配間建設方案進行了完善，同時采取安全措施，消除安全隱患，以確保注配間安全穩定運行，提高數字化管理水平，進一步降低員工的勞動強度，真正實現注配間無人值守。