臥螺離心機(jī)變頻調(diào)速ＰＬＣ控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊培文，　任占峰，　孟慶海

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京　１００１４４）

 摘要：針對傳統(tǒng)的臥螺離心機(jī)控制系統(tǒng)存在穩(wěn)定性差、工作效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種臥螺離心機(jī)變頻調(diào)速ＰＬＣ控制系統(tǒng)；詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)中共直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)、副電機(jī)隨動方案及負(fù)載率調(diào)整方法、ＰＬＣ控制系統(tǒng)、組態(tài)界面的設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高了離心機(jī)的性能。
    關(guān)鍵詞：臥螺離心機(jī)；變頻調(diào)速；ＰＬＣ控制；雙電機(jī)；共直流母線；組態(tài)界面
    中圖分類號：ＴＤ６７　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ｂ　　　網(wǎng)絡(luò)出版時間：２０１２－０９－２５　１４：２４
    ０　引言
    在石油、鉆井等工作環(huán)境條件下，臥螺離心機(jī)使用雙電機(jī)驅(qū)動［１］。主電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)，副電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。近些年來，隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，共直流母線雙電機(jī)變頻器驅(qū)動在臥螺離心機(jī)上被廣泛應(yīng)用［２］。共直流母線雙電機(jī)變頻器驅(qū)動技術(shù)把直流母線用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行并接，很好地解決了副電機(jī)再生電能的問題。傳統(tǒng)的臥螺離心機(jī)控制系統(tǒng)采用繼電器控制，穩(wěn)定性差、工作效率低、易受外界干擾，很難實(shí)現(xiàn)自動控制。而ＰＬＣ有較好的抗干擾性能，采用ＰＬＣ控制離心機(jī)系統(tǒng)可提高其在惡劣環(huán)境條件下的工作性能。鑒此，筆者設(shè)計(jì)了一種臥螺離心機(jī)變頻調(diào)速ＰＬＣ控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效提高離心機(jī)的工作效率，并節(jié)約能耗。
    １·系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    臥螺離心機(jī)變頻調(diào)速ＰＬＣ控制系統(tǒng)主要由變頻器、臥螺離心機(jī)、Ｓ７－２００ＰＬＣ　ＣＰＵ２２６、ＭＣＧＳＴＰＣ７０６２Ｋ觸摸屏、上位機(jī)和ＭＣＧＳ組態(tài)軟件組成，其結(jié)構(gòu)如圖１所示，其中供漿泵機(jī)也采用變頻調(diào)速方式，可以根據(jù)主、副電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的油液量。Ｓ７－２００ＰＬＣ　ＣＰＵ２２６采用ＲＳ４８５組成一個網(wǎng)絡(luò)，通過控制不同功率的變頻器去調(diào)控離心機(jī)的主、副電機(jī)和泵機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)離心機(jī)的自動啟動、手動啟動、急停和復(fù)位等功能。

             
    ２·共直流母線變頻調(diào)速技術(shù)
    臥螺離心機(jī)共直流母線交流變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２所示。臥螺離心機(jī)由主電機(jī)驅(qū)動，差速器小軸和副電機(jī)同軸連接［３－６］。主、副電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別由主機(jī)、副機(jī)變頻器所控制，將兩者的直流母線并連，使主機(jī)、副機(jī)變頻器聯(lián)動。副機(jī)變頻器由主機(jī)變頻器直流母線輸出端供電，三相電源從主機(jī)變頻器中輸入。

    ３·副電機(jī)隨動方案及負(fù)載率調(diào)整
    實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)傳動一般使用手動控制，即使是變頻調(diào)速，也缺乏自動調(diào)整環(huán)節(jié)，如果能做到副電機(jī)轉(zhuǎn)速隨動、負(fù)載率可調(diào)，并且自動調(diào)控，則可以提高效率。
    ３．１　隨動方案
    圖２中，副機(jī)變頻器由主機(jī)變頻器直流母線輸出端供電，將副機(jī)變頻器的電源輸入端子Ｒ和Ｔ（端子Ｓ懸空）接到主機(jī)變頻器的直流母線輸出端，其輸出電壓大約為５００Ｖ。在主機(jī)、副機(jī)變頻器連接中，筆者將副機(jī)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(jī)功率要求分別為３７ｋＷ和７．５ｋＷ，因此，選用４５ｋＷ的主機(jī)變頻器和７．５ｋＷ的副機(jī)變頻器。
    主電機(jī)和副電機(jī)的轉(zhuǎn)速聯(lián)動調(diào)整：將主電機(jī)調(diào)整到設(shè)定的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速，調(diào)整副電機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ。副電機(jī)轉(zhuǎn)速ｎｆ的計(jì)算公式為
    ｎｆ＝ｎｚ－ＣΔｎ（１）
    式中：ｎｚ為主電機(jī)轉(zhuǎn)速；Ｃ為常數(shù)；Δｎ為設(shè)定的轉(zhuǎn)差速度（根據(jù)需要設(shè)定）。
    ３．２　負(fù)載率調(diào)整
    副電機(jī)的扭矩和負(fù)載率都與離心機(jī)的負(fù)載有關(guān)，可根據(jù)離心機(jī)的油液量自動調(diào)整泵機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓的油液量。當(dāng)副機(jī)實(shí)際扭矩接近或者超過副機(jī)額定扭矩×負(fù)載率時，泵機(jī)轉(zhuǎn)速將會自動逐漸降低，則泵機(jī)輸入的料漿減少，副機(jī)扭矩就會降低。根據(jù)實(shí)際情況，在控制過程中要求副機(jī)實(shí)際扭矩始終不超過副機(jī)額定扭矩×負(fù)載率。
    ４·ＰＬＣ控制系統(tǒng)
    ＰＬＣ控制系統(tǒng)要求既能實(shí)時控制供漿泵的供液量，又能控制離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而在鉆井液性能參數(shù)（密度、黏度、固相含量等）發(fā)生變化時，確保離心機(jī)始終順利排渣并盡可能發(fā)揮最大處理能力，實(shí)現(xiàn)恒排渣功能。該控制系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具有很好的自動控制功能、遠(yuǎn)距離監(jiān)控能力，當(dāng)離心機(jī)發(fā)生故障時，能自動停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號，避免離心機(jī)發(fā)生過載、堵塞等故障，從而提高離心機(jī)的使用效率并降低風(fēng)險(xiǎn)。ＰＬＣ控制系統(tǒng)中ＰＬＣ的主要功能：（１）接收外部提供的開關(guān)信號（主要是按鈕），判斷系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，并根據(jù)需要發(fā)出信號控制變頻器繼而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成相對應(yīng)的控制任務(wù)；（２）與人機(jī)界面互聯(lián)，實(shí)時監(jiān)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并讀取電機(jī)參數(shù)。采用西門子Ｓ７－２００ＰＬＣ作為ＰＬＣ控制系統(tǒng)的控制器，采用ＳＴＥＰ　７－ＭｉｃｒｏＷＩＮ　Ｖ４．０［７－９］進(jìn)行ＰＬＣ軟件編程和調(diào)試。ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ點(diǎn)及其功能接線分配如圖３所示。

            
    ５·組態(tài)界面設(shè)計(jì)
    采用ＭＣＧＳ對臥螺離心機(jī)變頻調(diào)速ＰＬＣ控制系統(tǒng)的操作界面、變頻器驅(qū)動示意圖、電機(jī)的參數(shù)設(shè)置和故障顯示界面進(jìn)行組態(tài)。在設(shè)計(jì)過程中，通過中間寄存器Ｍ把ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ點(diǎn)和組態(tài)界面中的各個操作變量對應(yīng)關(guān)聯(lián)起來，使ＰＬＣ和ＭＣＧＳ能夠功能統(tǒng)一化，通過ＭＣＧＳ也能夠?qū)崿F(xiàn)對變頻器的控制。系統(tǒng)運(yùn)行時的組態(tài)界面如圖４所示。

              
    ６·結(jié)語
    設(shè)計(jì)的臥螺離心機(jī)變頻調(diào)速ＰＬＣ控制系統(tǒng)能使泵機(jī)根據(jù)進(jìn)入離心機(jī)鉆井液的密度、黏度、固相含量等參數(shù)的不斷變化而對離心機(jī)的供液量做出相對應(yīng)的變化，提高了離心機(jī)的工作效率；共直流母線交流變頻調(diào)速系統(tǒng)較好地解決了臥螺離心機(jī)再生能量的回收問題，并減少了能量損耗。目前，該系統(tǒng)已在華北油田成功應(yīng)用。
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