PLC 和變頻器在新型煤層氣排采系統中的應用

徐 浩，于紅業，杜 業

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

煤層氣是地下煤層伴生天然狀態的氣體，主要以吸附狀態儲集于煤層中，主要成分為甲烷，地面開采煤層氣中甲烷體積含量一般占95%左右。煤層氣是近20 年來崛起的優質潔凈新能源，開發利用程度日益加深。在煤層氣井排采階段,通常采用控液排氣法，用三抽設備或用螺桿泵（或其他泵）抽水控液，所用設備存在以下不足：存在設備不配套、抽空、檢泵周期短等問題；井下產出煤粉顆粒及壓裂支撐劑石英砂,容易產生煤卡、閥堵塞等現象；有桿泵舉升工藝，存在著不平衡、桿偏磨等現象，尤其是對斜井、叢式井等適應性比較差。為解決上述問題，提出一種新型煤層氣排采系統，不用三抽設備或用螺桿泵（或其他泵）抽水控液，采用PLC 加變頻器控制電機驅動地面泵方式，通過井下特制采集器采氣，地面水氣分離器分離排水，實現對煤層氣的排采。

1 系統原理

系統由傳感器、PLC、液晶控制屏、變頻器、電機、地面泵、水氣分離器等組成，如圖1 所示。通過壓力傳感器采集信號，PLC加變頻器控制電機轉速，實現對泵的排量控制，具有手動、自動兩種控制方式?？蓪崿F自動檢測壓力升降速，自動排水，保護、報警等功能。

2 控制系統組成

2.1 PLC 選型與編程

PLC 使用西門子SIMATIC 控制器系列的最新產品SIMAT原IC S7-1200。SIMATIC S7-1200 緊湊型控制器是一款節省空間的模塊化控制器，適合要求簡單或高級邏輯、HMI 和網絡功能的小型自動化系統。SIMATIC S7-1200 控制器和 SIMATIC HMI 基本型面板二者均可使用SIMATIC STEP 7 Basic 工程軟件進行編程。由于實現了使用同一個工程軟件對兩種設備進行編程，開發成本得以顯著降低。

PLC 接收來自壓力傳感器的信號，經過程序判斷與運算實現對變頻器的控制。PLC 在輸出顯示和監控信號的同時，向變頻器發出、啟動、加速、減速和制動等信號。由變頻器根據一定的控制規律和算法來控制電機。

程序流程說明：

圖1 煤層氣排采系統組成

（1）自動控制。液晶屏輸入所有參數后按下啟動按鈕壓力傳感器信號通過程序計算控制轉速，壓力高則轉速升高，壓力低則降低轉速，速度控制在設定壓力附近。壓力達到報警值后報警，停機。延時一段時間后，重新檢測壓力及各種保護條件，如保護清除自動重新啟動。

（2）手動控制。手動輸入所需轉速，按下按鈕，電機啟動，達到所需轉速。檢測壓力達到報警值，停機，人工復位。

（3）液位控制。自動打開：傳感器檢測到高液位后，排水打開一定時間（可設定），如果在高液位持續則停機，不能自動復位。手動打開：按下屏幕排水按鈕，手動打開排水。

（4）溫度控制。溫度傳感器檢測管路溫度是否過高，如超過報警值，系統停機。

（5）保護功能。系統具有地面泵保護，電機保護，變頻器保護等保護功能。

使用STEP7 編程軟件編程，將程序分為5 個子程序：自動控制FC1、手動控制FC2、液位排水FC3、溫度控制FC4、保護功能FC5。在主程序OB1 中調用5 個子程序實現控制功能。

2.2 變頻器

選用西門子MICROMASTER 440 變頻器，功率范圍從120 W 到200 kW。變頻器由微處理器控制，并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管IGBT 作為功率輸出器件。因此他們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低電機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電機提供良好的保護。

滿足系統運行，需要設定的變頻器參數見表1。為使氣體排采過程平穩，不出現回環效應，加減速時間應進行合適的設定。電機參數按照銘牌設定正確。考慮的到共振效應還應設定跳躍頻率，保證設備不受損害。

表1 變頻器參數設定

2.3 液晶屏

由于可視化已成為大多數機器設計的標準組件，故選用西門子KTP 400 Basic 液晶屏。共分6 個畫面：歡迎畫面、參數設定顯示畫面、自動控制畫面、手動控制畫面、液位控制畫面、報警畫面?；谝陨袭嬅婕纯赏瓿伤袑τ谙到y的控制及監視功能。

2.4 通信組態

MM440 變頻器本身具備RS485 通信端口，根據USS 協議通過西門子S7-1200 PLC 控制變頻器。借助PROFINET 網絡，S7-1200 PLC 可以與HMI 面板通信。

僅以USS 通信接口參數功能塊編程示例，如圖2 所示。

圖2 USS 通信接口參數功能塊編程示例

3 結束語

新型煤層氣排采系統，不用三抽設備或用螺桿泵（或其他井下泵）抽水控液，采用地面泵方式，控制系統采用PLC 加變頻器控制，提高系統運行的平穩性、工作的可靠性，操作與維護方便，同時實現轉速實時調節，節約電能。經過實驗證明設計方案可行性高，程序合理，運行穩定，很好的滿足生產需求。