PLC的在工业中的应用

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 作者 系别 能源机电系 专业 楼宇智能化工程技术 学号 080901027 指导教师 2011 年 5 月 目 录 内容摘要 1 一 基于 PLC 的控制系统总体方案设计 2 一 系统工作原理 2 二 PLC 简介 2 三 变频器及变频调速原理 3 二 高压注水泵站控制系统硬件设计 4 一 压力变送器 4 二 水泵性能介绍 5 三 注水系统能耗分析 5 三 控制系统的 PLC 设计 6 四 变频调速恒压注水自动控制系统程序设计 9 一 满足控制要求的程序 9 二 程序中用到的一些指令 11 五 结论 12 致谢 13 参考文献 14 1 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高和完善 从严格意义上讲 目前油田注水与采 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 这有待于进一步的研究开发 关键词 关键词 PLC 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 一 基于基于 PLCPLC 的控制系统总体方案设计的控制系统总体方案设计 一 系统工作原理 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 图1 闭环系统构成原理方框图 二 二 PLCPLC 简介简介 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 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 3 图2 PLC结构框图 三 变频器及变频调速原理 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 图 3 变频器的基本构成 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 图4 变频调速系统示意图 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的方法 其主 要优点有 1 较高的效率 交流电 整流电路直流中间电路逆变电路 控制电路 4 2 调速范围宽 3 调速精度高 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 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 二 高压注水泵站控制系统硬件设计高压注水泵站控制系统硬件设计 一 压力变送器 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 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入压力的值成 线性变化的 二 水泵性能介绍 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 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 将水注入油层所需的能量 这部分能量是注水系统中的有用能量 所 N W 输入压力 MPa 电压 V 电流 mA 21 45 600 52 08 000 82 610 400 103 012 000 123 413 600 164 216 800 184 618 400 205 020 000 6 以系统总能耗为 式中为注水系统的能量损失 是 N WPW p N W 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 第一部分是驱动注水泵电机损耗的能量 这部分能量可 N N WP W 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 也就是说每的水大约有 8 的能量由电机本身损耗了 第二部分是注水泵消耗 3 1m 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 控制系统的三 控制系统的 PLCPLC 设计设计 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 1M I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 7 M L L1 N 1L Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q1 1 Q1 2 2L 3L I O 220V 101 102 103 104 105 106 S7 200 CPU226 19 21 9 5 6 起动信号 水池水位 下限信号 图6 I O分配图 变频器外部接线图如图 7 所示 7 图7 变频器外部接线图 PLC 的 I0 1 I0 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 49 49 5Hz 下限频率为防止水泵转速较低 形成 空转 一般设置为 25 30Hz 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 101 106 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 KH1KH2KH3 M1 M2M3 M 3 M 3 M 3 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 KM1 KM2 KM3KM4KM5KM6 A B C N U V W R ST L1 L2 L3 UUU VVVWWW 图8 电气控制系统主电路图 8 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 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 I0 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 101 102 103 104 105 106 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 1 2 3 4 KA KM1 KM1 KM1 KM2 KM3KM4 KM5 KM6 KM1 HL KH1KH2 KH3 KA KA KA 101 102 103104 105 106 KA SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 KM1 KM1 KM2 KM2 KM3 KM3 KM4 KM4 KM5 KM5 KM6 KM6 KM5 KM3 KM1 NL1 QS1 接PLC的输出 自动 手动转换变频 1 泵 工频 变频 2 泵 工频 变频 3 泵 工频 SA 控制线路原理图 N 图9 控制线路图 9 四 四 变频调速恒压注水自动控制系统变频调速恒压注水自动控制系统程序设计程序设计 一 满足控制要求的程序 一 满足控制要求的程序 本系统运行的关键是 PLC 程序的合理性 可行性问题 本系统控制梯形图程 序如下图所示 现对程序作简要说明 按起动按钮 1 泵变频运行 此时 Q0 0 Q1 1 运行 如果变频器达到频率上限 即有输入 I0 0 为 1 则定时器 T37 开始计时 5s 计时完毕后关闭 Q0 0 Q1 1 接通 Q1 2 延时 1s 延时是为了两方面的原 因 一是使开关充分熄弧 防止电网倒送电给变频器 烧毁变频器 二是让变频 器减速为 0 以重新起动另一台电机 以下各切换时的延时与此原因相同 将不 再赘述 延时完毕 则 1 泵投入工频运行 2 泵投入变频运行 此时 Q0 1 Q0 2 Q1 1 运行 如果变频器又达到频率上限 I0 0 为 1 则定时器 T37 又开始计时 5s 计时完毕后关闭 QO 2 Q1 1 接通 Q1 2 延时 1S 延时完 毕后 则 1 泵投入工频运行 2 泵投入工频运行 3 泵投入变频运行 此时 Q0 1 Q0 3 Q0 4 Q1 1 运行 这是一个增加电机的过程 如果运行在 1 泵工频运行 2 泵工频运行 3 泵变频运行 即有 QO 1 QO 3 QO 4 Q1 1 运行 的状态下 变频器出现频率下限 I0 1 为 1 则定时器 T38 开始计时 10s 计时完毕后关闭 QO 1 此时 2 泵处于工频运行 3 泵处于变频运行 即有 Q0 3 Q0 4 Q1 1 运行 如果变频器又达到频率下限 I0 1 为 1 则定时器 T38 又开始计时 10s 计时完毕后 关闭 Q0 3 此时 3 泵处于变频运行 即 Q0 4 Q1 1 运行 这是一个切除电机的过程 本系统在投入电机时是设置为到达频率上限后连续计时 5s 而在切除电机时 是设置为到达频率下限后 10s 这是为了当运行着的电机全速运行压力还低于给 定压力时 能尽快投入电机使压力升高 同时防止当压力在切换电机状态附近波 动时频繁切换电机 系统程序包括主程序和启动子程序 主程序内包括主程序和起动子程序 主 程序内电机切换程序 即加电机程序和减电机程序 启动子程序实际上是清零程 序 在 PLC 上电时 先将 VD260 VB200 VB201 赋值为零 在主程序中 T37 T38 为变频器频率上 下限到达滤波时间继电器 主要用于稳定系统 VB200 为变频泵的泵号 VB201 为工频运行泵的总台数 VD260 为换泵时间存 10 储器 11 二 程序中用到的一些指令 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 SM0 0 该位始终为 1 MOV B 字节传输指令 INC B 字节递增指令 IN 1 OUT 输入输出均为无符号数 DEC B 字节递减指令 IN 1 OUT 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 12 五 结论五 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 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