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能源節約

臥螺離心機變頻調速PLC控制系統設計

2017-11-07 10:42:13來源:北方工業大學機電工程學院瀏覽:評論:0

  針對傳統的臥螺離心機控制系統存在穩定性差、工作效率低的問題,設計了一種臥螺離心機變頻調速PLC控制系統;詳細介紹了該系統中共直流母線變頻調速系統、副電機隨動方案及負載率調整方法、PLC控制系統、組態界面的設計。實際應用表明,該系統運行穩定,提高了離心機的性能。

  在石油、鉆井等工作環境條件下,臥螺離心機使用雙電機驅動。主電機工作在電動機狀態,副電機工作在發電機狀態。近些年來,隨著變頻器技術的發展,共直流母線雙電機變頻器驅動在臥螺離心機上被廣泛應用。共直流母線雙電機變頻器驅動技術把直流母線用適當的方式進行并接,很好地解決了副電機再生電能的問題。傳統的臥螺離心機控制系統采用繼電器控制,穩定性差、工作效率低、易受外界干擾,很難實現自動控制。而PLC有較好的抗干擾性能,采用PLC控制離心機系統可提高其在惡劣環境條件下的工作性能。鑒此,筆者設計了一種臥螺離心機變頻調速PLC控制系統,該系統可有效提高離心機的工作效率,并節約能耗。

  1、系統整體結構

  臥螺離心機變頻調速PLC控制系統主要由變頻器、臥螺離心機、S7-200PLC CPU226、MCGSTPC7062K觸摸屏、上位機和MCGS組態軟件組成,其結構如圖1所示,其中供漿泵機也采用變頻調速方式,可以根據主、副電機的轉速調整進入離心機轉鼓的油液量。S7-200PLC CPU226采用RS485組成一個網絡,通過控制不同功率的變頻器去調控離心機的主、副電機和泵機的轉速,實現離心機的自動啟動、手動啟動、急停和復位等功能。

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  2、共直流母線變頻調速技術

  臥螺離心機共直流母線交流變頻調速系統結構如圖2所示。臥螺離心機由主電機驅動,差速器小軸和副電機同軸連接。主、副電機的轉速分別由主機、副機變頻器所控制,將兩者的直流母線并連,使主機、副機變頻器聯動。副機變頻器由主機變頻器直流母線輸出端供電,三相電源從主機變頻器中輸入。

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  3、副電機隨動方案及負載率調整

  實際應用中,電機傳動一般使用手動控制,即使是變頻調速,也缺乏自動調整環節,如果能做到副電機轉速隨動、負載率可調,并且自動調控,則可以提高效率。

  3.1隨動方案

  圖2中,副機變頻器由主機變頻器直流母線輸出端供電,將副機變頻器的電源輸入端子R和T(端子S懸空)接到主機變頻器的直流母線輸出端,其輸出電壓大約為500V。在主機、副機變頻器連接中,筆者將副機變頻器中的整流過程跳過,這樣就減少了變頻過程中的二極管或晶閘管的壓降損耗。主、副電機功率要求分別為37KW和7。5KW,因此,選用45KW的主機變頻器和7。5KW的副機變頻器。

  主電機和副電機的轉速聯動調整:將主電機調整到設定的轉動轉速,調整副電機轉速n。副電機轉速nf的計算公式為

  nf=nz-CΔn(1)

  式中:nz為主電機轉速;C為常數;Δn為設定的轉差速度(根據需要設定)。

  3.2負載率調整

  副電機的扭矩和負載率都與離心機的負載有關,可根據離心機的油液量自動調整泵機轉速,進而控制進入轉鼓的油液量。當副機實際扭矩接近或者超過副機額定扭矩×負載率時,泵機轉速將會自動逐漸降低,則泵機輸入的料漿減少,副機扭矩就會降低。根據實際情況,在控制過程中要求副機實際扭矩始終不超過副機額定扭矩×負載率。

  4、PLC控制系統

  PLC控制系統要求既能實時控制供漿泵的供液量,又能控制離心機的轉速,從而在鉆井液性能參數(密度、黏度、固相含量等)發生變化時,確保離心機始終順利排渣并盡可能發揮最大處理能力,實現恒排渣功能。該控制系統還應當具有很好的自動控制功能、遠距離監控能力,當離心機發生故障時,能自動停機并發出報警信號,避免離心機發生過載、堵塞等故障,從而提高離心機的使用效率并降低風險。PLC控制系統中PLC的主要功能:(1)接收外部提供的開關信號(主要是按鈕),判斷系統當前的狀態,并根據需要發出信號控制變頻器繼而控制電機轉速,完成相對應的控制任務;(2)與人機界面互聯,實時監控電機運轉狀態并讀取電機參數。采用西門子S7-200PLC作為PLC控制系統的控制器,采用STEP7-MICROWIN/4.0進行PLC軟件編程和調試。PLC的I/O點及其功能接線分配如圖3所示。

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  5、組態界面設計

  采用MCGS對臥螺離心機變頻調速PLC控制系統的操作界面、變頻器驅動示意圖、電機的參數設置和故障顯示界面進行組態。在設計過程中,通過中間寄存器M把PLC的I/O點和組態界面中的各個操作變量對應關聯起來,使PLC和MCGS能夠功能統一化,通過MCGS也能夠實現對變頻器的控制。系統運行時的組態界面如圖4所示。

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  6、結語

  設計的臥螺離心機變頻調速PLC控制系統能使泵機根據進入離心機鉆井液的密度、黏度、固相含量等參數的不斷變化而對離心機的供液量做出相對應的變化,提高了離心機的工作效率;共直流母線交流變頻調速系統較好地解決了臥螺離心機再生能量的回收問題,并減少了能量損耗。目前,該系統已在華北油田成功應用。

 

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