08级楼宇班一个学生的毕业论文解析

1、天津城市建设管理职业技术学院 毕业设计说明书 题目：油田联合注水站控制系统设计 2011 年5 月作者： * 系别： 能源机电系 专业： 楼于智能化工程技术 学号： 080901027 指导教师: * 内容摘要 . 1 1 一、 基于 PLCPLC 的控制系统总体方案设计 . 2 2 （一） . 系统工作原理 2 2 （二） . PLC PLC 简介 2 2 （三）变频器及变频调速原理 3 3 二、 高压注水泵站控制系统硬件设计 . 4 4 （一） . 压力变送器 4 4 （二） . 水泵性能介绍 5 5 （三） . 注水系统能耗分析 5 5 三、 控制系统的 PLCPLC 设计 . 6 6

2、四、 变频调速恒压注水自动控制系统程序设计 . 9 9 （一） . 满足控制要求的程序 9 9 （二） . 程序中用到的一些指令 1111 五、 结论 . 1111 致谢 . 1212 参考文献 . 13131 内容摘要 目前，世界上除了采用给井下注水的方式，还采用高压注气的方 法。相比较而言，后者可大大节省水资源，但控制的实现方法和检测 手段还有待进一步提咼和完善。从严格意义上讲，目前油田注水与米 油控制方式还是一种开环控制，也就是说，注入多少水，水压达到多 少，多大的注水量，可以获取最佳的出油率和出油量，这一直是各国 的油田注水研究的课题，国外最新尝试用神经网络加模糊控制来实现, 这有待于

3、进一步的研究开发。 关键词：PLCPLC 变频器；水泵；压力变送器；电气控制2 油田联合注水站控制系统设计 一、基于 PLC 的控制系统总体方案设计 （一）系统工作原理 在油田注水系统中，注水压力（指注水井口压力）的高低，是决定油田合理开发 和地面管线及设备的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和 机电设备配置都比实际宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供 水不足的影响，经常引起注水压力波动范围大，注水量不均匀、不稳定。注水压 力靠泵出口闸门手动控制，即靠改变泵的排量来调节泵的排量 ；或靠打回流方式调 节，难以达到在泵的最佳工况点运行。注水压力低，注水量满足不了油田开

4、发的 需要，必然造成油层压力下降，注水压力过高，浪费动力，也造成超注，导致水 淹、水窜。注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便。由于变频 器具有恒转矩的调速特性。为此，采用变频调速技术，设计以注水压力为被控参 数的恒压注水自动控制系统，可以实现系统闭环控制。从而达到油田注恒压注水 的目的。闭环系统构成原理如图 1 所示。 PLC S7-200 电机 一 泵 图 1 闭环系统构成原理方框图 （二） PLC 简介 1、 PLC 的特点 可编程控制器（简称 PLC） 是以微处理机为基础， 综合了计算机技术、 自动控制 技术和通信技术等现代科技而成的通用自动控制装置。它主要有以下一些特点：

5、 高可靠性 2）丰富的 I/O 接口模块 采用模块化结构，适应工业控制的各种需要 编程简单易学 5）安装简单，维修方便 2、 PLC 的主要组成 1）中央处理器（CPU） 2）存储器 输入/输出（I/O）接口 电源 PLC 的结构框图如图 2 所示。变频器 - 压力变迸器 3 电源 变频调速的基本原理： 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大， 静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对鼠笼型异步电动机进行调速控制, 由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以逐步得到推广。变频调速系统 的示意图如上图 4所示。 从调速性能和节能来说，变频调速是交流调速系统中最为理想

6、的方法。其主 要优点有： 1）较高的效率 J屮央处理益1 1存储器 1-11| 接 1 , 、* - 外部设备接口 编程图2 PLC结构框图 （三）变频器及变频调速原理 1、变频器的基本构成和工作原理 变频器是由主电路和控制电路两大部分组成，其基本构成如图 3 所示。 购 I 图 3 变频器的基本构成 4 2）调速范围宽 3）调速精度咼 4）自动化程度高 5）软启软停功能 6）节能 2、选用型号及其性能参数 在本文 中，选用的是 西门子 的 MICROMASTER430 系列变频 调速器。 MICROMASTER430 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多 种型号，额定功率范围

7、从 7.5kW 到 250kW，可供用户选用。 其主要特性为： 1）易于安装，参数设置和调试牢固的 EMC 设计； 2）可由 IT （中性点不接地）电源供电； 3）对控制信号的响应是快速的和可重复的； 4）参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置； 5）电缆连接简便，具有多个继电器输出； 6） 具有多个模拟量输出 （0 -20mA） 6 个带隔离的数字输入， 并可切换为 NPN/PNP接线，2 个模拟输入： AIN1 : 0-10 V， 0-20mA 和-10 至+10 V AIN2 : 0-10 V， 0-20mA ； 7）应用二进制互联连接技术； 8） 模块化设计，配置非常灵活

8、，脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音 低，具有详细的变频器状态信息和全面的信息功能，有多种可选件供用户选用： 用于与 PC通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP-2）和用于进行现场总线通讯 的 PROFIBUS 模块。 二、高压注水泵站控制系统硬件设计 （一）压力变送器 1、压力变送器的工作原理 注水压力的检测是由压力变送器完成的，本设计采用扩散硅式压力变送器， 其基本原理如下： 当被测介质压力作用在压力传感器芯体前端的波纹膜片上时，膜片上的压力 会通过硅油传递到半导体硅片上。半导体硅片上有一个用三维集成电路工艺技术 和机械加工技术制作的惠斯登电桥。它的工作原理是因为由特殊工艺加工过的半 导

9、体硅片在经受外力作用时会产生极微小的应变，导致其原子结构内部的电子能 级状态发生变化，当利用扩散或注入工艺进行掺杂后，会引起电阻率发生剧烈变 化，从而导致半导体硅片发生压阻效应。而惠斯登电桥发生变化时，给予适当的 激励源，便会产生一个与所测压力成正比关系的毫伏级信号，这个信号经过温度 补偿、激光修调、信号放大等处理，即可形成具有标准输出信号的扩散硅压力变 送器， 很显然， 这种压力变送器较传统的膜盒电位计式、力平衡式、应变片式、 电感式、电容式等变送器在技术上要先进得多，在压力测量领域仍然是最新一代 的测量元件。 扩散硅压力变送器的特点是： 1） 变送器输出信号稳定，灵敏度高。 2） 变送器可

10、以达到较高的精度。 3）在动态应用中，可达到较宽的频带范围。5 4）具有安全防爆性。 2、压力变送器选型 在油田注水系统运行时，压力变送器检测压力时的各项参数值如表 1 所示 在实际使用过程中，课题选择了 MPM482 18（ 0-20MPa）型压力变送器。 表 1 压力变送器参考值 输入压力（MPa 电压（V 电流（mA 2 1.4 5.600 5 2.0 8.000 8 2.6 10.400 10 3.0 12.000 12 3.4 13.600 16 4.2 16.800 18 4.6 18.400 20 5.0 20.000 而且从上表 1 中可以看出， 压力变送器的各项参数值是根据输

11、入压力的值成 线性变化的。 （二） 水泵性能介绍 1）扬程；2）流量；3）转速；4）功率；5）效率。 （三） 注水系统能耗分析 注水系统是用管网将水源、水处理站、注水站、配水间、注水井连接而成的 系统。从注水系统能流模型中可以看出，如图 5 所示，其能耗包括： 1） 注水泵电动机的耗能 P1； 2） 注水泵的耗能 P2； 3） 泵出口及配水间的节流阀耗能 P3； 4） 管线摩擦阻力造成的耗能 P4； 5） 注水井井筒的耗能损失 P5； 图 5 注水系统能流模型图 6 6）将水注入油层所需的能量 WN，这部分能量是注水系统中的有用能量。 所以 系统总能耗为 2、P W。式中 a P 为注水系统的

12、能量损失，WN是保证 具有一定压力和流量的水注入地层的有效能量。因此，注水系统的效率可表示为： 为 p+区WN第一部分是驱动注水泵电机损耗的能量，这部分能量可以用电机 的效率曲线来描述，油田使用电机的效率随轴功率而变化，效率约为 92%，也就 3 是说每1m的水大约有 8%的能量由电机本身损耗了。第二部分是注水泵消耗的能 量，这部分能量可用水泵效率曲线来描述，它随水泵输出流量而变化。 三、控制系统的 PLC 设计 1、PLC 控制系统设计 本系统共有四个输入点，八个输出点，具体的 I/O 分配图如图 6 所示。 I I O O 图 6 I/O 分配图 变频器外部接线图如图 7 所示。7 图 7

13、 变频器外部接线图 PLC 的 10.1, 10.2 接变频器的端子 19、21, L+接端子 20、22,以便把变频器 上限频率信号和下限频率信号送到 PLC 中。上限频率一般设置为 4949.5Hz。 下限频率为防止水泵转速较低，形成“空转”，一般设置为 2530Hz o PLC 的 3L、Q1.1、Q1.2 分别接变频器的端子 9、5、6,以实现用 PLC 的信号控制变频器 运行和停止。PLC 输出的 101106 号线接控制电路图中相对应的控制线。 2、电气控制系统主电路图 电气控制系统主电路图如图 8 所示。图中，M1 , M2 , M3 为三台电机，交流 接触器 KM1-KM6 控

14、制三台电机的运行，KH1 , KH2 , KH3 为三台电机 M1 , M2 , M3 过载保护用的热继电器，QF1-QF5 分别为主电路，变频器和三台泵的工频运行 空气开关。 压力传感器 压力信号 420mA A1N 乜3 20 AIN- 变频器上限 变频專运行 停止 信号 DINI DIN2 22 2 变频器下限 I / 9 MM430 t 变频器 19 8 A B C N QF1 图 8 电气控制系统主电路图 9 3、电气控制系统控制电路图 电气控制线路图见图 9 所示，图中，SA 为手动/自动转换开关，KA 为手动/ 自动中间继电器，打在 1 位置为手动状态，打在 2 位置为自动状态，

15、同时 KA 吸 合。在手动状态，可以按动 SB1-SB6 控制三台泵的起停。在自动状态时，系统根 据 PLC 的程序运行，自动控制泵的起停，中间继电器 KA 的常开触点接 10.3,控 制自动状态时的起动。中间继电器 KA 的三个常闭触点接在三台泵的手动控制电 路上，控制三台泵的手动运行。在自动状态时，三台泵在 PLC 的控制下能够有序 而平稳的切换，运行，KH1，KH2，KH3 为三台泵的热继电器的常闭触点，可对 电机进行过流保护。 106 丨 105041031102101 、 KM 曲M5KM4KMKM2 R15 1N TOMI +30- PT 100 mil MOB Ip ) I_c

16、R 7 网堵刃 12 （二）程序中用到的一些指令 SM0.1:该位在首次扫描时为 1,用途之一是为了调用初始化子程序； SMO.O:该位始终为 1； MOV-B :字节传输指令； INC-B :字节递增指令，IN+1=0UT，输入输出均为无符号数； DEC-B :字节递减指令，IN-1=0UT，输入输出均为无符号数； 此外程序中还涉及到一些比较指令，计时器，和一些基本的输入输出指令。 五、结论 油田注水是石油开采中的一个重要环节，提高油田注水系统的效率、降低生 产能耗具有重大的实际价值。本课题在对油田注水过程及能耗分析基础上开发了 具有微机监控的恒压注水系统，实现了注水过程的完全自动化。在注水

17、调速系统 中我们将电力电子高新技术应用于油田注水，采用了先进的变频调速方式，大大 降低了电机能耗。经过对生产中各项指标的对比分析，该系统达到同类油田领先 水平。另外本文还对 PLC、变送器、变频器及泵等现场设备的选型做了详细介绍。 在完成该课题的过程中，了解了目前高新技术在生产实际中的应用情况， S7-200是采用微电子技术，其大量的开关动作由无触点的半导体来完成。 PLC 控 制技术令系统故障率大大降低。文中运用的变频调速技术具有较强的节能效果， 较正常供水方法节省电能 40 %左右。另外所有水泵电机起动由变频器来控制，避 免了起动大电流给水泵电机带来的危害， 延长了电机使用寿命。所以说基于

18、 S7-200 的变频调速恒压供水系统可靠性高，经济性强。 短暂的几个月的毕业设计，感觉收获颇丰、获益良多。首先，通过毕业实习 的锻炼，在资料收集能力方面有了很大的提高。更重要的是，通过阅读与可编程 序控制器和变频器相关的书籍、资料，从中获得了大量与变频调速和恒压注水系 统有关的设计方法和控制原理。 致谢 首先，我向我的指导老师*表示最诚挚的谢意。本论文是在赵老师的悉心指 导下完成的。自毕设开始以来，从资料的收集、课题的设计、试验到论文的审定， *老师都给予了我极大的帮助，倾注了大量的心血。 *老师渊博的学识，丰富的实 阿曲i 堆刨黑诫悦殆Q主科序 iq 愉 $ ? 痕 ru- r w .IT 13 践经验，勤勉的工作精神，诚恳的育人态度，都使我受益匪浅，终身难忘。在 * 师的引导下，我开拓了思路，扩大了视野，初步掌握了分析和处理问题的科学方 法，为今后的发展打下了基础。在此谨向恩师表示最真挚的感谢和最崇高的敬意。 此外，我还要向那些在我的背后默默地支持和帮助我的所有老师、同学、朋 友表示最衷心的感谢！ 最后，我要感谢我的父母，是他们一直在给我前进的信心和勇气，我的每一 个进步都与家人的支持是分不开的。在此我向他们表示衷心的感谢。14 参考文献