油田注水站控制系统设计

赵运婷

（天津城市建设管理职业技术学院，天津 300134）

油田注水站控制系统设计

赵运婷

（天津城市建设管理职业技术学院，天津 300134）

采用西门子S7－200可编程控制器和MM430变频器，通过PID控制实现了油田恒压注水，把电力电子高新技术用于油田注水生产，实现了注水系统自动化，优化了油田注水工艺，降低了注水系统的能耗，具有重要的节能意义。

注水；节能；变频；恒压供水

图1 闭环系统构成原理方框图

在国民经济建设中石油起着重要的作用，保证油田的高产、稳产具有重要的意义。对油田注水系统结构优化分析，优化注水工艺，对注水系统进行节能改造和优化控制具有重要的现实意义。基于变频调速的油田注水恒压系统的研制与开发，为实现油田生产的信息化，自动化提供基础。采用变频调速技术，设计以注水压力为被控参数的恒压注水自动控制系统，可以实现系统的闭环控制。从而达到油田恒压注水的目的。

一、系统方案设计

系统需要检测和控制的最主要参数是注水站压力，在恒压注水系统中，在泵的出口处安装一只压力变送器，将实际测量的压力信号与系统的配注压力相比，将其差值送往变频器中的PID控制器进行比例积分运算，再将模拟量输出给变频器进行频率调节，最后将输出的结果送给PLC。PLC根据接收的PID整定信号使系统自动调整变频器的输出频率，从而达到控制变频泵转速的目的。闭环系统构成原理如图1所示。

（一）PLC选型

本文选用的PLC为西门子S7－200，CPU型号为CPU226，它集成24输入／16输出共40个数字量I／O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I／O点或35路模拟量I／O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，两个RS485通讯／编程口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力。可用于较高要求的控制系统，具有更多的输入／输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完成适应于一些复杂的中小型控制系统［3］。

（二）变频器选型

在本文中，选用的是西门子的MICROMASTER430系列6SE6430－2UD27－5CA0 7．5KW的变频调速器。

Micro Master430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7．5k W至250k W。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现多泵切换、手动／自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等功能［4］。

（三）压力变送器选型

油田注水系统中使用的压力变送器为MPM482型LCD数字显示压力变送器，采用带不锈钢隔离膜片的OEM压阻式传感器作为信号测量元件，经过计算机自动测试并用激光调阻工艺进行了宽温度范围的零点和灵敏度补偿。传感器信号经过专用放大电路放大转换为4－20m ADC信号输出，同时将输出信号经过液晶显示器现场实时显示压力数据，性能稳定可靠。适用于石油工业过程压力和液位的测量与控制。

二、控制系统的硬件设计

（一）PLC输入／输出点的确定

本系统共有四个输入点，八个输出点，具体的I／O分配图如图2所示。

图2 I／O分配图

变频器外部接线图如图3所示。

图3 变频器外部接线图

PLC的I0．1，I0．2接变频器的端子19、21，L＋接端子20、22，以便把变频器上限频率信号和下限频率信号送到PLC中。PLC的3L、Q1．1、Q1．2分别接变频器的端子9、5、6，以实现用PLC的信号控制变频器运行和停止。PLC输出的101～106号线接控制电路图中相对应的控制线。

（二）电气控制系统主电路图

电气控制系统主电路图如图4所示。图中，M1，M2，M3为三台电机，交流接触器KM1－KM6控制三台电机的运行，KH1，KH2，KH3为三台电机M1，M2，M3过载保护用的热继电器，QF1－QF5分别为主电路，变频器和三台泵的工频运行空气开关。

图4 电气控制系统主电路图

（三）电气控制系统控制电路图

电气控制线路图见图5所示，图中，SA为手动／自动转换开关，KA为手动／自动中间继电器，打在1位置为手动状态，打在2位置为自动状态，同时KA吸合。在手动状态，可以按动SB1－SB6控制三台泵的起停。在自动状态时，系统根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停，中间继电器KA的常开触点接I0．3，控制自动状态时的起动。中间继电器KA的三个常闭触点接在三台泵的手动控制电路上，控制三台泵的手动运行。在自动状态时，三台泵在PLC的控制下能够有序而平稳的切换，运行，KH1，KH2，KH3为三台泵的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。

三、系统的软件设计

（一）系统流程图

系统流程图如图6所示。

（二）系统程序设计

本控制系统运行的关键是PLC程序的可行性与合理性。现对主要的梯形图程序作简要说明：按起动按钮1＃泵变频运行，Q0．0，Q1．1运行，变频器达到频率上限时（即有输入I0．0为“1”），则定时器T37开始计时5s，计时完毕后关闭Q0．0、Q1．1，接通Q1．2，延时1s，则1＃泵工频运行，2＃泵变频运行（此时Q0．1、Q0．2、Q1．1运行）；如果变频器又达到频率上限时（I0．0为“1”），则定时器T37又开始计时5s，计时完毕后关闭 QO．2、Q1．1，接通 Q1．2，延时1S，则1＃泵工频运行、2＃泵工频运行、3＃泵变频运行（此时 Q0．1、Q0．3、Q0．4、Q1．1运行）。这是增加电机的过程。

如果在1＃泵工频运行、2＃泵工频运行、3＃泵变频运行（即有 QO．1、QO．3、QO．4、Q1．1运行）的状态下，变频器出现频率下限（I0．1为“1”），则定时器T38开始计时10s，计时完毕后关闭QO．1，此时2＃泵工频运行、3＃泵变频运行（即有 Q0．3、Q0．4、Q1．1运行）；变频器又达到频率下限时（I0．1为“1”），则定时器T38又开始计时10s，计时完毕后，关闭Q0．3，此时3＃泵处于变频运行（即Q0．4、Q1．1运行）。这是切除电机的过程。

系统在投入电机时为到达频率上限后连续计时5s，而在切除电机时为到达频率下限后连续10s，目的是当电机全速运行时压力还低于给定压力时，能尽快投入电机使压力升高，同时防止当压力在切换电机状态附近波动时频繁切换电机。

图5 控制线路图

图6 程序流程图

四、结论

文章将传统的开环注水控制方式用闭环调节方式实现，采用积分分离PID控制算法，实现了对注水压力的精确控制。采用先进的变频调速方式，将电力电子高新技术应用于油田注水控制系统，大大降低了电机能耗，具有很重要的现实意义。

［1］张燕宾．变频调速应用实践［M］．北京：机械工业出版社，2001．

［2］李华德．交流调速控制系统［M］．北京：电子工业出版社，2002．

［3］贾德胜．PLC应用开发实用子程序［M］．北京：人民邮电出版社，2006．

［4］曾毅等．变频调速控制系统的设计与维护［M］．山东：山东科学技术出版社，2002．

Control System Design for Oilfield Water Injection Station

ZHAO Yun－ting
（Tianjin Urban Construction Management Vocational Technical College，Tianjin，China 300134）

With Siemens S7－200 programmable controller and MM430 inverter，constant pressure water injection in oil field is realized by PID control．The power electronic high－tech applied in oilfield water production helps implement water injection system automation．The significance lies in energy saving due to the optimization of oilfield water injection process and the reduction of energy consumption in water injection system．

water injection；energy saving；frequency conversion；water supply in constant pressure

TE357．6

A

1673－582X（2012）09－0090－06

2012－04－15

赵运婷（1983－），女，天津城市建设管理职业技术学院教师，主要从事智能检测与信息处理教学与研究工作。