變頻與自控技術在氣體流量標準裝置上的應用

于佩瑞（大慶石油管理局技術監督中心）

1 裝置概況

氣體流量標準裝置于2013年4月由中國計量科學研究院驗收合格并投入正常運行，現正在使用中。裝置檢定系統原理如圖1 所示。

圖1 裝置檢定系統原理圖

系統工作時，啟動真空泵，發揮其抽吸作用，將檢定室的空氣抽入被檢表管段，再經過標準器噴嘴進入儲氣罐，真空泵抽出的氣體再通過泵房和檢定室間的管道返回檢定室，循環運行。下面重點介紹裝置的變頻系統與控制系統。

2 變頻系統

變頻技術主要應用于該裝置的真空系統，真空系統主要是由水環式真空泵組成。使用中，真空泵（圖2）是在最大轉速下運行，而實際運行中，生產需要的真空度遠小于實際真空系統產生的真空度，這樣就造成了真空泵電動機功率的嚴重浪費。另外，真空泵啟動時電流大，對電網的沖擊大，電能的損耗大，嚴重影響設備的使用壽命。因此，該系統應用了變頻技術，將真空泵的控制方法改成變頻器控制，達到節能的目的。

圖2 水環真空泵工作原理圖

裝置采用PI7600/7800 系統的變頻調速器，其特點如下：

1）調速范圍寬，變頻器的調速范圍能適應調速設備的要求，頻率范圍為10～800 Hz。

2）控制精度高，變頻器的數字設定分辨率為0.01 Hz（300 Hz 以下）、0.1 Hz（300 Hz 以上），模擬設定分辨率為0.05 Hz。

3）運行功能多，如限制頻率、回避頻率、轉差補償、反轉保護、自整定、PID 控制。

4）變頻器保護功能強，如過壓保護、欠壓保護、過流保護、過載保護、過熱保護、過流失速保護、過壓失速保護、缺相保護。

在節能有效時，變頻器的實際電壓輸出值=變頻器的額定輸出電壓×輸出電壓百分比×節能輸出電壓百分比。

在日常檢定工作中，按上述原理將水環真空泵與變頻調速系統配套使用，既能夠準確控制氣體流量，又節約能源、控制運行成本，給檢定工作帶來便利。就節電方面做了以下統計，真空系統不加變頻系統耗電量為100%，加變頻系統平均耗電量為50%，變頻系統耗電量為10%，節能電量40%。裝置一共用3 臺變頻器，功率分別為37 kW、37 kW、22 kW，每天工作8 h，一年按工作260 d 計算，可節約電量79 872 kWh。

3 控制系統

本系統應用工控機為上位機，采用PLC 作中央控制單元。該系統性能可靠，組態界面友好，界面功能齊全，控制方式及參數設置簡潔方便[1]。

控制系統構成見圖3。

圖3 控制系統構成

1）脈沖計數單元。計時頻標1 MHz：光電隔離方式輸入，具有抗干擾能力。計數脈沖頻率范圍：1 Hz～10 kHz，脈沖幅度：2～24 V，能同時接入5 路被檢表脈沖。

2）模/數轉換單元。把現場的變送器模擬信號轉換成數字量信號供計算機處理。

3）數/模轉換單元。將計算機發出的調節量信號轉換成模擬信號輸出控制現場調節閥。

4）開關量輸出單元。開關量輸出單元每路均采用光電隔離，直接驅動繼電器控制各種電動（氣動）閥門和換向器。

為了滿足氣體流量檢定系統的各項要求，控制系統采用上、下位機形式。系統以計算機為中心進行自動控制。下位機實現測量部分各種控制。對各種信號實時采集完成檢定過程的控制，能夠可靠地實現遠程操作，兼有數據前沿處理功能。上位機為適用于工業環境的工控機，主要完成數據處理、文件管理、數據記錄打印，并通過下位機完成各種數據的采集，自動控制相應的機構。上位機與下位機之間的通訊采用CAN 總線形式，CAN 總線為現場總線，其高性能、高可靠性、能夠較好地滿足系統的要求[2]。CAN 的通信距離最遠可達10 km，通訊速率為1 Mbit/s，且具有良好的檢錯功能，保證數據可靠。

根據現場實踐總結出控制系統具有以下特點：

1）控制系統可以根據被檢表的類型與相關檢定規程的檢定規則，自動確定被檢表的檢定點數和各檢定點下的檢定流量大小，也可根據需要自行設定流量檢定點數和對應檢定下的流量，并同時在檢定過程中提示用戶選擇相應的流量，用戶可以自行選擇設置噴嘴組合也可通過計算機自動確定并顯示出使用的組合狀態。

2）系統的軟件具有操作提示向導，大大提高了軟件的可操作性，不論檢定人員是否經過培訓，都可以輕松地操作該系統。

3）系統設有自保護功能，可以防止因不正當操作而損壞系統及設備。

4）系統具有自診斷功能（自檢功能），在檢定運行前，對被檢表所在管線及相關控制、測試設備的運行狀態進行巡檢，及時發現問題，及時報警指示錯誤狀態，保證檢定記錄的嚴謹與準確。

4 結論

在一年多的實踐工作中，系統運行穩定，能夠滿足日常的氣表檢定工作，也為即將開展的項目《濕天然氣計量裝置的研究》做好準備。而應用于該裝置的變頻、自控技術在檢定工作中發揮了極大的作用，不僅為現場工作人員提供了便利，也提高了現場的工作效率，節約了能源，降低了運行成本。另外，做好裝置的日常保養工作，可以延長其使用壽命，更好地為油田檢定工作服務。

[1]陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].3 版.北京:化學工業出版社,2009:1.

[2]王福瑞.單片微機測控系統設計大全.北京:北京航空航天大學出版社,2001:101-112.