注配间变频器安全联动控制技术研究

岳永泽

（大庆油田釆油七厂信息中心，黑龙江 大庆 163517）

0 引言

传统上，人们通常采用变频器上的操作面板对频率参数进行本地设置，但是注配间内注水井地下情况复杂，且间内来水压力不稳，导致间内单井注水波动较大，需人工在现场频繁调节变频器变频。对此，基于配水间数字化改造，可通过远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）与变频器进行通信，进行变频参数的实时采集。在RTU 中开发智能应用程序，根据单井控制策略，智能调节单井注水量，在不能满足单井注水需求时，智能调节变频器参数，并采取安全措施，最终实现注配间安全平稳注水。

1 变频器通信

大多数变频器支持RS485 通信方式，因此RTU 通过RS485协议与变频器进行通信，通过RS485 信号线将变频器变频数据信号输出至RTU 中，通过Modbus 协议，进行变频器频率数据的读写。RTU 通过有线方式与变频器进行连接，RTU 采集的变频器数据通过4G 无线网络将数据传入监控中心，监控中心也可向RTU 下达控制指令，RTU 再将命令写入变频器。

大庆油田采油七厂注配间因投产时间不同，变频器的厂家、型号众多，包括艾默生、森兰、伟创、ABB 等厂家的10 余种型号的变频器。不同变频器厂家通信协议存在较大差异，即使同一厂家不同型号的变频器，其通信协议也可能不同，这就需要在每个配水间都开发一版程序，给现场RTU 与变频器通信带来较大的工作量。为解决这一问题，技术人员将RTU 采集驱动模块化，即收集整理每种型号变频器RS485 通信协议，根据通信协议开发驱动程序，并将驱动程序植入RTU 中，在RTU 与变频器配置通信时，选择该型号变频器所对应的驱动。这样即使一个不懂开发的现场技术人员，也可以轻松完成变频器的通信配置工作。

2 变频联动控制

2.1 单井智能注水

目前，大庆油田采油七厂配水间数字化改造已接近尾声，单井均安装了流量计与注水控制器，可以实现按照配注进行稳流配水。配水间数字化改造改变了传统人工频繁手动调节单井注水量的管理方式，减轻了员工的劳动强度，提高了工作效率。

稳流配水虽然实现了单井精准的注水，但是部分注水井地层情况较为复杂，分层测试结果中合理注水压力范围较小，虽然注水量达到配注量，但注水压力却超出合理范围，导致小层不分水或抢水的情况发生，水井A2 资料则为不合格，需要测试队进行复测，甚至个别注水井需要多次复测，从而大大地提高了水井测试的工作量和成本。

为提高注水资料合格率，大庆油田采油七厂采取基于RTU二次开发的方式，开发智能注水程序，自动调节设定水量和注水压力，确保注水量和注水压力全合格，并通过与油田管理各部门紧密结合，联系生产实际，制定合理的自动调节策略。①采集注水压力、流量实时数据。②当注水压力＞破裂压力（允许最大注水压力）时，阀门快速关小，流量下降，使注水压力下降，如注水压力不超过破裂压力时，进入第3 步。③当注水压力＞合格压力上限时，阀门关小，减小流量。当注水压力＜合格压力下限时，流量控制器开大阀门，使注水压力在合格压力范围内，当压力在合格压力范围内进入第4 步。④当瞬时流量不在合格水量范围之内时，调节瞬时流量，使瞬时流量在合格水量范围内。比如，流量在合格范围内则跳转至1，进行重复，当流量不在合格范围之内时，则进入第5 步。⑤按配注水量调节阀门，同时保证注水压力＜破裂压力。

2.2 变频联动控制

注配间单井和配水间单井流程一样，区别在于注配间来水压力较低，不能满足间内正常注水，因此采用柱塞泵增压的方式来提高注水压力，一般间内部署2～3 台柱塞泵，由变频器控制柱塞泵电机的转速，从而控制泵的扬程。变频器控制方式大多为1 拖1，部分为1 拖2，即1 个变频控制两台泵，一台柱塞泵变频运行，一台柱塞泵工频运行。无论间内有几台变频器运行，通常都只调节其中一台变频器，其他变频器只发挥60%～80%的能力，相当于工频运行。

RTU 采集间内所有数据进行数据分析与控制，首先，判断注水干线压力是否超过上限、柱塞泵的出口压力是否超过上限（其中干线和泵压力上限可以通过监控系统远程设置），当压力超过上限，技术人员将变频下调0.1 Hz，当压力正常时，进入单井控制流程，即采用配水间智能注水策略，通过量压优选法调节单井注水控制装置。当不能满足单井注水需求时，变频上调0.1 Hz，能够满足注水时则不调节。这样周而复始地进行联动控制，提高了调节精度，减轻了员工的劳动强度。

3 远程与本地控制

变频器不能一直远程控制（RTU 自动控制包含远程控制），特殊情况仍需现场调节，因此应设计远程和本地控制模式切换功能，即远程控制和本地变频器面板控制切换。大庆油田采油七厂注配间柱塞泵所配套变频器生产时间和型号各异，近几年新投产注配间变频器功能较多，拥有远程和就地控制的控制接口，支持控制模式的切换，部分老旧变频器因生产年限较早，功能单一，不具备远程和就地控制接口。针对变频器是否存在远程、就地控制接口，设计两种切换方式：软件切换和硬件切换。

3.1 软件切换

如果变频器存在切换接口，可通过RTU 与变频器建立通信，修改变频器相应寄存器状态值，实现远程和就地控制模式切换。设计思路如下：①默认状态下变频器为就地控制模式；②服务端控制系统远程向RTU 下达指令，切换指令、调节指令；③RTU 接受指令后向变频器下达模式切换指令，切换为远程模式；④如果变频器远程控制模式切换成功，继续执行变频参数调节指令；⑤如果远程调节频率已执行，则将控制模式切换回本地模式。

3.2 硬件切换

如果变频器没有切换接口，便无法远程切换控制模式，因此大庆油田采油七厂对现场变频柜进行改造，在柜门上加装一旋钮（相当于单刀双掷开关），两动触点分别与变频柜控制面板和RTU 连接，并做好切换模式标注，当切换到远程模式触点，变频器便与RTU 连接上，通过RTU 就能远程对变频器进行调节。当切换到本地模式触点，变频器便与自带控制面板连接，通过控制面板进行变频调节。

4 变频安全控制

注水管线只有在合理的压力范围内才能正常运行，当管线承受的压力超过上限时，管线极易穿孔；当管线内压力过低时，说明来水量太小或阀门没有打开。为确保注配间联动控制安全运行，自动监控系统能够设定进、出口压力报警及停机阈值，出口压力超报警值则报警，超停机值则停机；进口压力降至低压报警值则报警，降至停机值则停机，最终可以实现系统的正常运行，从而避免事故发生。出口压力停机值是指间内生产允许的最大压力，而联动控制的压力上限小一点，这样就形成了双保险。根据控制采集参数和控制停泵的方式不同，技术人员制订了两种方案。

方案一：RTU 控制方式，即采用一台RTU 单独采集间内所有柱塞泵出口压力和总干线压力，当压力超过上限时，将该压力所对应的柱塞泵变频器断电。安全RTU 直接将采集的压力数据回传至后台监控系统，监控系统还可以远程调节压力阈值。

方案二：二次表控制方式，即采用二次表采集柱塞泵及总干线压力，并设置上限，当压力超上限时，将接入的柱塞泵变频器断电。二次表不能通过远程设置报警阈值，只能在本地仪表面板上进行设置。一块二次表只能接一块压变，一块二次仪表只能控制一台变频，因此注配间使用二次表的数量由变频器数量决定。

两种方案均采用通过控制继电器来实现变频器电路切断，均能实现压力超限停泵，成本相近，其中，方案一中安全RTU 运算能力强，能够进行复杂控制，并能实时回传现场数据及报警信息，且施工较为简单；方案二中二次表功能简单，故障率较低，系统运行稳定，但需求数量较多，施工较为复杂。数字化改造设计时，可根据使用要求选择适合的建设方案。

5 结语

本研究在稳流配水系统基础上，接入变频器进行联动调节，对注配间建设方案进行了完善，同时采取安全措施，消除安全隐患，以确保注配间安全稳定运行，提高数字化管理水平，进一步降低员工的劳动强度，真正实现注配间无人值守。