伺服控制技术在地面工程系统的应用

李文武 王棚 王玉锐（大庆油田有限责任公司第十采油厂）

截至目前，朝阳沟油田集输系统运行脱水站3座，转油站20座，安装各型机泵540余台，机泵运行模式有工频模式、变频模式和伺服模式。目前共计投运低压变频器74台，其中掺水系统85台机泵中的32台为变频模式运行(由16台一拖二低压变频器驱动)，剩余的53台掺水机泵采用控制阀门开度来实现出站压力的调节，该控制方式造成电动机传导的大量能量损失在调节阀门上，致使掺水泵组运行效率下降、电能浪费较多。

1 伺服控制技术

1.1 伺服控制系统的构成

伺服控制系统主要由控制单元、驱动单元、通讯接口单元、编码器及相应的反馈检测器件构成。控制单元采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，DSP集成了高速的程序编辑器、大容量的程序/参数存储器、数字/模拟信号的处理和转换器，能够为电动机编制复杂的运行程序。驱动单元采用以智能功率模块为核心的驱动电路，应用矢量控制技术调节电动机的转速，同时电路中还设置有过电压、过电流、过热、欠压、缺相等故障检测、报警和保护回路；另外，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。通讯接口单元与控制单元集成为一体，负责数据的传输和接收，根据用户的需要，还可实现设备的远程控制及远程监视。

1.2 伺服控制技术原理

伺服控制技术结合了目前最新的三相交流异步电动机矢量控制技术，即交流异步电动机磁通和转矩的解耦控制。如图1所示，若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标轴系到旋转坐标轴系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量分解成两个垂直的直流变量，并分别进行控制：d轴分量控制转子磁通，在控制转子磁通恒定的前提下，电动机转矩与定子电流的q轴分量成正比，通过控制电动机的定子电流分量，实现正交解耦控制，从而对异步交流电动机的位置、转速、加速度、转矩等参数进行精确的控制[1]。

图1 矢量控制技术原理

1.2.1 闭环自动控制逻辑关系

依托强大的核心处理器，伺服控制系统可根据地面工程各个系统对控制参数的不同要求来编制闭环自动控制逻辑关系，以掺水系统闭环自动控制为例，如图2所示，伺服控制系统以掺水出站压力恒定为目标制定逻辑关系图[2]。

1.2.2 伺服控制柜

伺服控制柜由控制系统、驱动系统、编码器和输入/输出模块组成，其中控制系统是伺服控制柜的核心。以掺水系统伺服控制柜为例，如图3所示，柜内DSP控制系统负责目标基准值的设定，并接收和处理采集设备提供的运行参数，绘制机泵的闭环自动化控制程序，在由驱动单元对电动机转矩和转速进行调节，从而实现掺水系统出站压力恒定的控制目标。

图2 掺水系统闭环自动控制逻辑关系

图3 伺服控制柜结构

1.2.3 控制参数反馈设备

根据现场运行要求，在关键工艺管理位置安装控制参数反馈设备，对于不同的地面工程系统需配套安装不同的设备，例如：外输系统根据控制液量的要求需安装流量计；掺水系统根据出站压力恒定的控制要求需安装压力变送器。

1.2.4 编码器

在电动机风扇侧的转子上安装编码器，实时采集电动机转速参数，安装方式采用电动机后轴中心孔攻丝加装延长轴方式，同时延长风扇罩，如图4。

1.3 伺服控制技术的特点

伺服控制技术有闭环自动控制、数据远传、远程控制、稳定性好、安全性高、节能效果好等特点。

1.3.1 自动化程度更高

依托功能完备的控制单元（DSP），实现了高速的运算能力，可根据现场运行需要，编制复杂的电动机运行流程，岗位员工只需设定目标基准值，剩余的调控操作由伺服控制系统根据编写的程序流程自动完成。另外，DSP集成了大容量的程序存储器、数字/模拟信号的处理和转换器，可实时刷新、显示、保存和备份大量的运行参数。

图4 编码器安装示意图

1.3.2 具备强大的数据传输和接收能力

伺服控制系统的通讯接口单元支持多种通讯接口，如USB、RS232、RS485、Ethernet/IP、CANOPEN等，方便数据的备份、打印、传输，根据用户要求，可轻松实现远程监视和控制。

1.3.3 完善的监控功能

伺服控制器有完善的监控功能，可以实时的显示电动机的电流、频率和转速；同时，还可根据现场需要显示采集的系统参数，如压力、流量等。

1.3.4 安全性可靠性更高

伺服控制系统可承受3倍过载能力，可达到300%～350%之间的额定转矩，能在10s以内完成电动机的启动。

1.3.5 无谐波污染问题

伺服控制系统自研发之初便内置了滤波单元，解决多次谐波产生的危害，此外伺服系统信号传输均采用差分方式，即减少谐波的产生又避免了外界的干扰，提高了系统运行的稳定性。

2 伺服控制技术试验情况

2.1 试验站点建设现状

朝23#转油站于1992年建成投产，安装掺水机泵4套，运行模式为冬季运二备二、夏季运一备三，1#、2#、4#掺水泵型号JZSB60-50×5，3#掺水泵型号GI65-50×5，额定排量60m3/h，扬程250m，电动机型号YB2-280M-2，功率90kW，额定电流160/92.4A，掺水系统冬季排量55m3/h，夏季排量47m3/h，工频模式下平均泵压约为2.5MPa，管压1.4MPa，电动机电流103A，冬季日耗电3420kWh（运行2台），夏季日耗电1720kWh（运行1台）。

朝24#转油站于1992年建成投产，安装掺水机泵4套，运行模式为冬季运二备二、夏季运一备三，1#、2#、3#掺水泵型号 JZSB60-50×5，4#掺水泵型号100ZSD-67×4，额定排量60m3/h，扬程250m，电动机型号YB2-280M-2，额定功率90kW，额定电流160.7/92.5A，掺水系统冬季排量60m3/h，夏季排量50m3/h，工频模式下平均泵压约为2.6 MPa，管压1.5MPa，电动机电流120A，冬季日耗电4650kWh（运行2台），夏季日耗电2270kWh（运行1台）。

2.2 伺服控制柜运行情况

目前2座站安装的伺服控制器和其驱动的掺水电动机运转安全、稳定，伺服模式运行的掺水电动机为闭环自动化运行，实现了该站掺水系统出站压力恒定的调控目标，朝23#、朝24#转油站掺水系统出站压力分别恒定在1.4MPa和1.5MPa。

另外，伺服模式下运行的掺水泵出口阀门为全开状态，从而消除了截流损失，降低了掺水系统运行能耗，提高了机泵运行效率。

2.3 伺服控制技术应用效果

通过朝23#转油站进行现场能耗测试，测试结果表明伺服模式驱动的2#、4#掺水电动机较试验前的工频模式节约了大量电能，2#掺水电动机日节约电量623.5kWh，4#掺水电动机日节约电量653.1 kWh，节电率分别达到37.1%和37.8%，按照伺服控制器运行300d计算，年可减少耗电18.7×104kWh，节约电费11.11万元，节能效果较好。电动机运行情况见表2，节能效果见表3。

表2 朝23#转油站2#、4#掺水电动机运行情况

表3 朝23#转油站2#掺水电动机节能效果

2.4 朝24#转油站伺服控制技术应用效果

通过对2#、4#掺水电动机进行现场能耗情况测试，得出2台掺水电动机节电率分别为39.7%和40.6%。测试结果显示，伺服模式运行的2#、4#掺水电动机较试验前的工频模式日减少耗电分别为895.93kWh和918.05kWh，按照伺服控制器年运行300天计算，年可节约电量26.87×104kWh，节约电费15.97万元。电动机运行情况见表4，节电效果见表5。

表4 朝24#转油站2#、4#掺水电动机运行情况

表5 朝24#转油站4#掺水电动机节能效果

3 结论及认识

1）伺服技术满足电动机高效低耗运行的控制要求。伺服控制器驱动的电动机，其出力调节快速、精确，可消除截流损失，提高集输系统运行效率，节约大量电能。同时，该设备可记录、保存大量机泵运行参数，并具有电动机软启动功能，电动机启动电流和机械冲击小，实现了机泵的全寿命运行。

2）伺服技术顺应数字化油田建设趋势。伺服控制器是一种集数字化、网络化和自动化于一体的高端节能控制设备，可以满足油田联合站、转油站各型电动机的闭环自动化控制要求。适合在联合站进行合岗改造时，对外输、掺水、供水等系统机泵的闭环自动控制，通过其功能强大的通讯接口单元，在中控岗即可实现机泵的远程控制和监视。

[1]敖荣庆,袁坤.伺服系统[M].北京:航空工业出版社,2006.

[2]郭庆鼎,王成元.交流伺服系统[M].北京:机械工业出版社,1994.