LOGO!與變頻器在石化企業成品油發油系統中的應用

田海洋

(山東石大科技集團有限公司，山東東營 257061)

0 引言

在中小型石油化工企業的實際生產中，成品油發油系統一般采用電機驅動離心泵與閥相結合完成油品外送的流量控制，該控制方式中泵的轉速恒定，輸油管線中油品流量完全依賴于管線上閥的開度，由于成品油銷量受市場需求量影響，需要根據外來油罐車車輛數量變化，對管輸油流量經常調整。頻繁調節閥位，不僅操作繁瑣，元件機械磨損大，而且泵在節流運行中伴有巨大的能源浪費。

為了解決上述問題，本文介紹一種利用西門子LOGO!作為邏輯控制器，變頻器作為電機調速設備實現發油泵多級流量調節功能的改造方案，該方案一次投資少，具有明顯的節能優勢，而且適合成品油發油系統多種油品、多個出口、多級流量的實際需要。

1 LOGO!性能簡介

LOGO!是西門子公司研制的通用邏輯模塊，它不僅集成了與、或、非等各種基本控制邏輯模塊，還能完成定時、計數和時鐘等功能。LOGO!本身帶有顯示屏和鍵盤，編程時可以直接通過鍵盤輸入，也可以在計算機上編寫和測試后下載至LOGO!上。

LOGO!輸入信號為數字量，輸出信號為繼電器或晶體管開關量，允許通過最大電流為8 A，電源電壓有交流220 V和直流24 V兩種。LOGO!內有程序存儲卡，上電后，程序會自動復制到LOGO!中，即使突然斷電，其中的程序也不會丟失。LOGO!程序實際上是由不同方法表示的線路組成，程序采用STEP 7流程圖模式，可以充分利用資源。LOGO!獲得cULus和FM認證，可在抗震動、抗干擾和危險場所滿足較高要求。與傳統可編程邏輯控制(Programmable Logic Controller，PLC)相比，更加經濟、方便，用其組成簡單的控制系統，控制更可靠，易于方案修改，具有較高的性價比。

2 變頻器在成品油發油系統中的優勢分析

2.1 成品油發油系統特點分析

成品油發油系統負責石化企業產品裝車外送，具有同時可以發送多種油品及同種油品多口發送的特點，發油口開放數量需要根據拉油罐車的數量經常變化，這就要求輸油管線中油品流量隨著發油口開放數量進行分級調整，來保證每個發油口壓力穩定，管線流量調整比較頻繁。

2.2 發油泵的閥調節與變頻調節性能比較

從上述分析可以看出，石化企業成品油發油泵流量經常變化，這種情況下通過變頻調速控制流量與調節油泵的出口閥門開度控制流量相比具有明顯優勢。根據離心泵的工作原理可知:在不同的轉速下，油泵的流量(Q)、揚程(H)、軸功率(P)、電機轉速(n)有以下關系:

根據式(1)可知，對于恒速泵，電機輸出功率與流量和揚程乘積成正比，通過減小閥門開度來降低流量，電機輸出功率不變，揚程必然增大，大部分浪費在克服閥門阻力上。采用變頻調節降低泵轉速，則可以實現流量變小，同時泵的揚程、電機輸出功率也變小，電機輸出功率將大幅減小。兩種流量調節方式下泵的工作特性曲線如圖1所示。

圖1 不同轉速下Q-H曲線與管阻特性關系

從圖1可以看出，油泵的正常工作點為A，當流量需要從Q1調到Q2時，采用閥門調節工作點為B點，揚程增大，系統管道長期在高壓下運行，降低了油泵的運行效率，縮短了油泵電機及閥門的維修周期;采用變頻調速工作點為C點，揚程隨之減小，保持高效率運行，圖中陰影部分即為變頻調速實際節約的能耗。

另外，閥調節容易使油槍產生水擊，油槍發油流速過高，不易控制，使用變頻調速調節，則流量變化平緩，可以有效消除水擊現象，降低作業強度和噪聲污染，提高輸油泵的實際運行效率。通過以上分析可以看出，成品油發油泵用變頻調節比傳統的閥調節有明顯優勢。

2.3 變頻器的多級頻率調速功能

目前工業用大多數變頻器都具備多級轉速功能，以本文選用的富士5000G11S型變頻器為例，說明其實現多級頻率功能的設置方式。富士5000G11S型變頻器可在C05～C19功能代碼中寫入各級目標頻率值，最多可以設定15級不同頻率設定范圍為0.00～400.00 Hz，再由變頻器多功能輸入端子X4、X3、X2、X1外接開關的通斷組合輸入4位二進制編碼，通過所輸入的不同編碼來確定選擇C05～C19中的某個頻率值，變頻器即可輸出該頻率運行，直到多功能輸入端子輸入編碼發生變化時，再輸出相應頻率運行。具體頻率輸入編碼如表1所示。

表1 多級頻率編碼表

3 控制系統方案設計

山東石大科技集團有限公司輕質油裝車臺有0#柴油發油口3個，可滿足1～3臺油罐車同時裝油，無裝油車時發油口全關。其發油泵設計流量為139 m3，拖動電機型號為YB2225M－4，功率為45 kW。系統對電氣控制的要求如下:

(1)發油泵運行、停止由裝車臺遠程控制，有任意一發油口處于開放狀態發油泵運行，無發油口開放時發油泵停止。

(2)發油泵轉速與裝車臺發油口開放數量對應，即開放1口33%轉速，開放2口66%轉速，開放3口100%轉速。

(3)裝車臺現場裝設變頻器運行、停止、故障指示，以及現場急停裝置。

3.1 硬件設計

根據該公司成品油發油實際控制要求，利用LOGO!與富士變頻器作為發油泵的主要控制元件，所構成的成品油發油泵控制系統原理圖如圖2所示。

圖2 成品油發油泵控制系統圖

圖2 中 S11、S12，S21、S22，S31、S32 分別為 3個發油口現場操作柱發油開始和停止按鈕，HD1、HD2、HD3為現場操作柱狀態指示燈，YD為變頻器故障指示燈。現場安裝的急停開關1個，在緊急情況下切斷系統控制電源。變頻器型號為FRN45G11S－4CX，不僅用于對電機調速控制，還用來完成電機的過載、過流、過電壓、失壓及自身故障停機等保護功能，30B、30C為變頻器的總報警輸出，有輸出則油泵停機，現場YD燈點亮。LOGO!作為邏輯控制單元，對裝車臺發油口開放及停止狀態進行采集和編程，控制變頻器的輸出頻率，其I/O組態如表2所示。

表2LOGO!I/O組態表

3.2 軟件設計

LOGO!輸入端子連3個接現場操作柱的起動、停止按鈕，經過內部邏輯編程，輸出不同的編碼組合至變頻器的多功能輸入端子X1～X3。根據表1，將變頻器的多級頻率設定為 C05=16.5 Hz，C06=33 Hz，C08=50 Hz，則 LOGO!的邏輯關系應滿足:當現場發油口只有1個運行時Q1、Q2輸出，當現場發油口有任意2個運行時Q1、Q3輸出，當現場發油口3個全部運行時Q1、Q4輸出。使現場發油口開放數量與變頻器的多級頻率形成對應關系，完成對成品油發油流量的多級控制。LOGO!的邏輯圖如圖3所示。

圖3LOGO!邏輯圖

4 結語

該成品油發油系統控制方案使用LOGO!和富士變頻器控制發油泵拖動電機的起動和多級轉速運行。與傳統發油系統控制方式相比，存在較大優勢:

(1)節電效益高。用變頻調速實現流量控制，消除了調節閥控制在低流量時的能量損失，由于實際使用中泵經常運行在33%額定轉速和66%額定轉速，該系統平均節電率約為30%，節電效果明顯。

(2)系統穩定性高。使用LOGO!及富士變頻器完成系統控制，有效減少了電機的起動次數、閥門的頻繁調節和機泵磨損，延長了設備的使用壽命，大幅降低了設備維護頻次，提高了設備運行的安全性、可靠性。

通過多年在生產實踐中的使用證明，該改造方案滿足成品油發油系統的控制要求，操作簡便，運行穩定，結構簡單，為中小型石油化工企業發油系統的控制提供了有效途徑，具有推廣性。

［1］原魁，劉偉強，鄒偉，等.變頻器基礎及應用［M］.2版.北京:冶金工業出版社，2004.

［2］姚錫祿.變頻器控制技術與應用［M］.福州:福建科學技術出版社，2005.

［3］楊詩成，王喜魁.泵與風機［M］.3版.北京:中國電力出版社，2007.

［4］王仁祥，王小曼.通用變頻器選型、應用與維護［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［5］西門子中國有限公司.LOGO!編程參考手冊［G］.2003.