08級樓宇班一個學(xué)生的畢業(yè)論文解析

1、畢業(yè)設(shè)計說明書題目：油田聯(lián)合注水站控制系統(tǒng)設(shè)計作者：*系別：能源機電系 專業(yè)：樓宇智能化工程技術(shù)學(xué)號： 080901027 指導(dǎo)教師：*2011年5月目 錄內(nèi)容摘要1一、基于PLC的控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計2（一）系統(tǒng)工作原理2（二） PLC簡介2（三）變頻器及變頻調(diào)速原理3二、高壓注水泵站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4（一）壓力變送器4（二）水泵性能介紹5（三）注水系統(tǒng)能耗分析5三、控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計6四、變頻調(diào)速恒壓注水自動控制系統(tǒng)程序設(shè)計9（一）滿足控制要求的程序9（二）程序中用到的一些指令11五、結(jié)論12致謝13參考文獻14內(nèi)容摘要目前，世界上除了采用給井下注水的方式，還采用高壓注氣的方法。相比較而

2、言，后者可大大節(jié)省水資源，但控制的實現(xiàn)方法和檢測手段還有待進一步提高和完善。從嚴格意義上講，目前油田注水與采油控制方式還是一種開環(huán)控制，也就是說，注入多少水，水壓達到多少，多大的注水量，可以獲取最佳的出油率和出油量，這一直是各國的油田注水研究的課題，國外最新嘗試用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加模糊控制來實現(xiàn)，這有待于進一步的研究開發(fā)。關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；水泵；壓力變送器；電氣控制油田聯(lián)合注水站控制系統(tǒng)設(shè)計一、基于PLC的控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計（一）系統(tǒng)工作原理在油田注水系統(tǒng)中，注水壓力(指注水井口壓力)的高低，是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)?？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計和機電設(shè)備配置都

3、比實際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力波動范圍大，注水量不均勻、不穩(wěn)定。注水壓力靠泵出口閘門手動控制，即靠改變泵的排量來調(diào)節(jié)泵的排量;或靠打回流方式調(diào)節(jié)，難以達到在泵的最佳工況點運行。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然造成油層壓力下降，注水壓力過高，浪費動力，也造成超注，導(dǎo)致水淹、水竄。注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便。由于變頻器具有恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性。為此，采用變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計以注水壓力為被控參數(shù)的恒壓注水自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。從而達到油田注恒壓注水的目的。閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1所示。圖1 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)

4、成原理方框圖（二）PLC簡介1、PLC的特點可編程控制器(簡稱PLC)是以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而成的通用自動控制裝置。它主要有以下一些特點： 高可靠性2）豐富的I/O 接口模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，適應(yīng)工業(yè)控制的各種需要編程簡單易學(xué)5）安裝簡單，維修方便2、PLC的主要組成1）中央處理器（CPU）2）存儲器輸入/輸出（I/O）接口電源PLC的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 PLC結(jié)構(gòu)框圖（三）變頻器及變頻調(diào)速原理1、變頻器的基本構(gòu)成和工作原理變頻器是由主電路和控制電路兩大部分組成，其基本構(gòu)成如圖3所示。交流電整流電路直流中間電路逆變電路控制電路圖3 變頻器的基

5、本構(gòu)成變頻調(diào)速的基本原理： 在交流異步電動機的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。采用通用變頻器對鼠籠型異步電動機進行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟效益顯著，所以逐步得到推廣。變頻調(diào)速系統(tǒng)的示意圖如上圖4所示。圖4 變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖從調(diào)速性能和節(jié)能來說，變頻調(diào)速是交流調(diào)速系統(tǒng)中最為理想的方法。其主要優(yōu)點有:1）較高的效率2）調(diào)速范圍寬3）調(diào)速精度高4）自動化程度高5）軟啟軟停功能6）節(jié)能2、選用型號及其性能參數(shù)在本文中，選用的是西門子的MICROMASTER430系列變頻調(diào)速器。MICROMASTER430 是用于控制三相交流電動機速度的變頻器

6、系列。本系列有多種型號，額定功率范圍從 7.5kW 到250kW，可供用戶選用。 其主要特性為：1）易于安裝，參數(shù)設(shè)置和調(diào)試牢固的EMC設(shè)計； 2）可由 IT（中性點不接地）電源供電； 3）對控制信號的響應(yīng)是快速的和可重復(fù)的； 4）參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應(yīng)用對象進行配置； 5）電纜連接簡便，具有多個繼電器輸出；6）具有多個模擬量輸出（0 -20mA） 6個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換為 NPN/PNP 接線，2個模擬輸入： AIN1：0-10 V， 020mA 和-10至+10 V AIN2：0-10 V， 0-20mA ；7）應(yīng)用二進制互聯(lián)連接技術(shù)； 8）模塊化設(shè)計，配置非常靈活

7、，脈寬調(diào)制的頻率高，因而電動機運行的噪音低，具有詳細的變頻器狀態(tài)信息和全面的信息功能，有多種可選件供用戶選用：用于與 PC 通訊的通訊模塊，基本操作面板（BOP-2）和用于進行現(xiàn)場總線通訊的 PROFIBUS 模塊 。二、 高壓注水泵站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計（一）壓力變送器1、壓力變送器的工作原理注水壓力的檢測是由壓力變送器完成的，本設(shè)計采用擴散硅式壓力變送器，其基本原理如下:當(dāng)被測介質(zhì)壓力作用在壓力傳感器芯體前端的波紋膜片上時，膜片上的壓力會通過硅油傳遞到半導(dǎo)體硅片上。半導(dǎo)體硅片上有一個用三維集成電路工藝技術(shù)和機械加工技術(shù)制作的惠斯登電橋。它的工作原理是因為由特殊工藝加工過的半導(dǎo)體硅片在經(jīng)受外力作

8、用時會產(chǎn)生極微小的應(yīng)變，導(dǎo)致其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子能級狀態(tài)發(fā)生變化，當(dāng)利用擴散或注入工藝進行摻雜后，會引起電阻率發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體硅片發(fā)生壓阻效應(yīng)。而惠斯登電橋發(fā)生變化時，給予適當(dāng)?shù)募钤矗銜a(chǎn)生一個與所測壓力成正比關(guān)系的毫伏級信號，這個信號經(jīng)過溫度補償、激光修調(diào)、信號放大等處理，即可形成具有標(biāo)準輸出信號的擴散硅壓力變送器，很顯然，這種壓力變送器較傳統(tǒng)的膜盒電位計式、力平衡式、應(yīng)變片式、電感式、電容式等變送器在技術(shù)上要先進得多，在壓力測量領(lǐng)域仍然是最新一代的測量元件。擴散硅壓力變送器的特點是:1）變送器輸出信號穩(wěn)定，靈敏度高。2）變送器可以達到較高的精度。3）在動態(tài)應(yīng)用中，可達到較寬

9、的頻帶范圍。4）具有安全防爆性。2、壓力變送器選型在油田注水系統(tǒng)運行時，壓力變送器檢測壓力時的各項參數(shù)值如表1所示。在實際使用過程中，課題選擇了MPM48218( 0-20MPa)型壓力變送器。表1 壓力變送器參考值輸入壓力（MPa）電壓（V）電流（mA）2581012161820而且從上表1中可以看出，壓力變送器的各項參數(shù)值是根據(jù)輸入壓力的值成線性變化的。（二）水泵性能介紹1) 揚程；2) 流量；3)轉(zhuǎn)速；4) 功率；5)效率。（三）注水系統(tǒng)能耗分析注水系統(tǒng)是用管網(wǎng)將水源、水處理站、注水站、配水間、注水井連接而成的系統(tǒng)。從注水系統(tǒng)能流模型中可以看出，如圖5所示，其能耗包括:1) 注水泵電動機

10、的耗能P1；2) 注水泵的耗能P2；3) 泵出口及配水間的節(jié)流閥耗能P3；4) 管線摩擦阻力造成的耗能P4；5) 注水井井筒的耗能損失P5；圖5 注水系統(tǒng)能流模型圖6) 將水注入油層所需的能量，這部分能量是注水系統(tǒng)中的有用能量。所以系統(tǒng)總能耗為。式中為注水系統(tǒng)的能量損失，是保證具有一定壓力和流量的水注入地層的有效能量。因此，注水系統(tǒng)的效率可表示為：第一部分是驅(qū)動注水泵電機損耗的能量，這部分能量可以用電機的效率曲線來描述，油田使用電機的效率隨軸功率而變化，效率約為92%，也就是說每的水大約有8%的能量由電機本身損耗了。第二部分是注水泵消耗的能量，這部分能量可用水泵效率曲線來描述，它隨水泵輸出流量

11、而變化。三、控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計1、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)共有四個輸入點，八個輸出點，具體的I/O分配圖如圖6所示。圖6 I/O分配圖 變頻器外部接線圖如圖7所示。圖7 變頻器外部接線圖PLC19、21，L+接端子20、22，以便把變頻器上限頻率信號和下限頻率信號送到PLC中。上限頻率一般設(shè)置為4949.5Hz 。下限頻率為防止水泵轉(zhuǎn)速較低，形成“空轉(zhuǎn)”，一般設(shè)置為2530Hz 。PLC的3L、Q1.1、Q9、5、6，以實現(xiàn)用PLC的信號控制變頻器運行和停止。PLC輸出的101106號線接控制電路圖中相對應(yīng)的控制線。2、電氣控制系統(tǒng)主電路圖電氣控制系統(tǒng)主電路圖如圖8所示。圖中，M1，M2，M

12、3為三臺電機，交流接觸器 KM1-KM6控制三臺電機的運行，KH1，KH2，KH3為三臺電機M1，M2，M3過載保護用的熱繼電器，QF1-QF5分別為主電路，變頻器和三臺泵的工頻運行空氣開關(guān)。 圖8電氣控制系統(tǒng)主電路圖3、電氣控制系統(tǒng)控制電路圖電氣控制線路圖見圖9所示，圖中，SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA為手動/自動中間繼電器，打在1位置為手動狀態(tài)，打在2位置為自動狀態(tài)，同時KA吸合。在手動狀態(tài)，可以按動SB1-SB6控制三臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運行，自動控制泵的起停，中間繼電器KA的常開觸點接I0.3，控制自動狀態(tài)時的起動。中間繼電器KA的三個常閉觸點接在三臺泵的手動

13、控制電路上，控制三臺泵的手動運行。在自動狀態(tài)時，三臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)的切換，運行，KH1，KH2，KH3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可對電機進行過流保護。 圖9控制線路圖四、變頻調(diào)速恒壓注水自動控制系統(tǒng)程序設(shè)計（一）滿足控制要求的程序本系統(tǒng)運行的關(guān)鍵是PLC程序的合理性，可行性問題。本系統(tǒng)控制梯形圖程序如下圖所示?，F(xiàn)對程序作簡要說明：按起動按鈕1#泵變頻運行,此時Q0.0,Q1.1運行,如果變頻器達到頻率上限(“1”)，則定時器T37開始計時(5s)，計時完畢后關(guān)閉Q0.0、Q1.1，接通Q1.2，延時1s(延時是為了兩方面的原因：一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，

14、燒毀變頻器；二是讓變頻器減速為0，以重新起動另一臺電機。以下各切換時的延時與此原因相同，將不再贅述。)延時完畢，則1#泵投入工頻運行,2#泵投入變頻運行(此時Q0.1、Q0.2、Q)；如果變頻器又達到頻率上限(“1”)，則定時器T37又開始計時(5s)，計時完畢后關(guān)閉QO.2、Q1.1，接通Q1.2，延時1S，延時完畢后，則1#泵投入工頻運行、2#泵投入工頻運行、3#泵投入變頻運行(此時Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q)。這是一個增加電機的過程。如果運行在1#泵工頻運行、2#泵工頻運行、3#泵變頻運行(即有QO.1、QO.3、QO.4、Q)的狀態(tài)下，變頻器出現(xiàn)頻率下限(I0.1為“1”)，則定

15、時器T38開始計時(10s)，計時完畢后關(guān)閉QO.1，此時2#泵處于工頻運行、3#泵處于變頻運行(即有Q0.3、Q0.4、Q)；如果變頻器又達到頻率下限(I01為“1”),則定時器T38又開始計時(10s)，計時完畢后，關(guān)閉Q0.3，此時3#泵處于變頻運行(即Q0.4、Q)。這是一個切除電機的過程。本系統(tǒng)在投入電機時是設(shè)置為到達頻率上限后連續(xù)計時5s，而在切除電機時是設(shè)置為到達頻率下限后10s，這是為了當(dāng)運行著的電機全速運行壓力還低于給定壓力時，能盡快投入電機使壓力升高，同時防止當(dāng)壓力在切換電機狀態(tài)附近波動時頻繁切換電機。系統(tǒng)程序包括主程序和啟動子程序，主程序內(nèi)包括主程序和起動子程序，主程序內(nèi)

16、電機切換程序，即加電機程序和減電機程序。啟動子程序?qū)嶋H上是清零程序，在PLC上電時，先將VD260，VB200，VB201賦值為零。在主程序中，T37，T38為變頻器頻率上、下限到達濾波時間繼電器，主要用于穩(wěn)定系統(tǒng)。VB200為變頻泵的泵號，VB201為工頻運行泵的總臺數(shù)，VD260為換泵時間存儲器。（二）程序中用到的一些指令SM0.1：該位在首次掃描時為1，用途之一是為了調(diào)用初始化子程序；SM0.0：該位始終為1；MOV-B：字節(jié)傳輸指令；INC-B：字節(jié)遞增指令，IN+1=OUT，輸入輸出均為無符號數(shù)；DEC-B：字節(jié)遞減指令，IN-1=OUT，輸入輸出均為無符號數(shù)；此外程序中還涉及到一些

17、比較指令，計時器，和一些基本的輸入輸出指令。五、結(jié)論油田注水是石油開采中的一個重要環(huán)節(jié)，提高油田注水系統(tǒng)的效率、降低生產(chǎn)能耗具有重大的實際價值。本課題在對油田注水過程及能耗分析基礎(chǔ)上開發(fā)了具有微機監(jiān)控的恒壓注水系統(tǒng)，實現(xiàn)了注水過程的完全自動化。在注水調(diào)速系統(tǒng)中我們將電力電子高新技術(shù)應(yīng)用于油田注水，采用了先進的變頻調(diào)速方式，大大降低了電機能耗。經(jīng)過對生產(chǎn)中各項指標(biāo)的對比分析，該系統(tǒng)達到同類油田領(lǐng)先水平。另外本文還對PLC、變送器、變頻器及泵等現(xiàn)場設(shè)備的選型做了詳細介紹。在完成該課題的過程中，了解了目前高新技術(shù)在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用情況，S7-200是采用微電子技術(shù)，其大量的開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體來

18、完成。PLC控制技術(shù)令系統(tǒng)故障率大大降低。文中運用的變頻調(diào)速技術(shù)具有較強的節(jié)能效果，較正常供水方法節(jié)省電能40左右。另外所有水泵電機起動由變頻器來控制，避免了起動大電流給水泵電機帶來的危害，延長了電機使用壽命。所以說基于S7-200的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可靠性高，經(jīng)濟性強。短暫的幾個月的畢業(yè)設(shè)計，感覺收獲頗豐、獲益良多。首先，通過畢業(yè)實習(xí)的鍛煉，在資料收集能力方面有了很大的提高。更重要的是，通過閱讀與可編程序控制器和變頻器相關(guān)的書籍、資料，從中獲得了大量與變頻調(diào)速和恒壓注水系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)計方法和控制原理。致謝首先，我向我的指導(dǎo)老師*表示最誠摯的謝意。本論文是在趙老師的悉心指導(dǎo)下完成的。自畢設(shè)開始以來，從資料的收集、課題的設(shè)計、試驗到論文的審定，*老師都給予了我極大的幫助，傾注了大量的心血。*老師淵博的學(xué)識，豐富的實踐經(jīng)驗，勤勉的工作精神，誠懇的育人態(tài)度，都使我受益匪淺，終身難忘。在*老師的引導(dǎo)下，我開拓了思路，擴大了視野，初步掌握了分析和處理問題的科學(xué)方法，為今后的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。在此謹向恩師表示最真摯的感謝和最崇高的敬意。此外，我還要向那些在我的背后默默地支持和幫助我的所有老師、同學(xué)、朋友表示最衷心的感謝！最后，我要感謝我的父