SIMATIC控制系统在石油钻井中的应用
摘要(Abstract)随着电驱动钻机在油田应用的普及,作为其控制核心的PLC及其通讯应用的越来越广泛.本文结合石油钻井设备控制系统的具体实例，概括了利用西门子SIMATIC300进行系统集成的设计方法。
1 引言
该项目使用SIMATIC控制系统应用在 ZJ30DB、ZJ50DB、ZJ70DB变频电动钻机上。选用西门子SIMATIC300系列CPU作为变频电动钻机的控制核心，PLC与变频器的通讯采用Profibus总线。由于高可靠性及野外操作对维修带来的复杂性要求，系统具有冗余备份和远程监控功能。
2 系统介绍
该钻井设备布置分为五个区域:钻台区、泵房区、动力及电传动区、固控区、油罐区。钻台区布置有绞车、转盘、顶驱、司钻室、司钻偏房等，为危险作业区，整个区域的电气均要求防爆。泵房区布置有泥浆泵组、电动灌注系统及钻井液管汇;动力及电传动区布置有柴油发电机房、气源净化装置房、辅助发电机房和电控房;固控区布置有泥浆循环罐、泥浆净化设备及套装水罐;油罐区包括油罐、泵、管线。由于钻台区为危险防爆区域，按照国际及国家有关标准，其他区域距离井眼的长度至少在50米以上。整套PLC控制系统分别布置在电控房和司钻室，其中电控房内包括两台相互冗余的CPU和一套ET200M，司钻室包含一套ET200M。电控房内布置有:PLC控制柜、发电机柜、整流柜、 VFD柜及MCC柜。司钻室集钻机机电、气、液控制于一体，除了包含一套ET200M的电控柜外还包括主控制台和辅助控制台，具有钻机操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、声光报警、故障指示等。控制系统可以完成对5台600kW以上电机(其中包括3台泥浆泵电机、1台绞车机和1台转盘电机) 的控制和相互之间的联锁控制;还包括对发电机柜、整流柜及钻台传感器的数据采集、控制和报警、故障显示。在钻井过程中，对绞车和转盘的可靠性要求较高，如果绞车或转盘发生故障，在短时间内不能修复，则有可能造成井壁坍塌的大事故，因而系统具有冗余备份的功能。
3 控制系统构成
控制站具有冗余备份功能，由两个 SIMATICCPU315-2DP模块构成;采用ET200M将现场输入输出点通过Profibus总线连接到控制站，并通过Profibus总线与5 台ABB变频器通讯;经理室采用SIMATICWINCC软件通过S7协议与控制站通讯;并在控制站通过MPI口外接SIMATICTC35T以实现远程维护。
4 系统功能
整套钻机的钻井工艺概况如下:
绞车装置主要用于起升、下放井架、底座、大钩及钻杆;转盘装置用于钻杆的上扣、下扣以及旋转钻杆带动钻头切削岩石;泥浆泵装置将高压泥浆通过管汇注入钻头，不仅起润滑、冷却钻头的作用，还将夹杂着岩石碎屑的泥浆带回泥浆净化系统以便重新使用。
整个钻机系统的功能主要包括:
(1)通过Profibus总线，实现S7-300CPU与ABB变频器之间的通讯，以完成对相应电机的控制。
根据传递参数数量确定PPO类型,编写相应的通讯程序。对关键钻井工艺过程实现安全联锁，若发生故障，在操作台面板上给出声光报警,并在MP370显示面板上给出报警或故障提示。
由于方案是初次使用西门子公司的PLC控制系统，整个系统的通讯采用Profibus电气网络，系统中的司钻室距离电控房较远(60m)，系统初始设置通讯速率为1.5Mbps，但在现场调试过程中发现设置在司钻室的分布式I/O从站时常有通讯中断现象，而按照设计要求位于总线终端的中继器和总线连接器的终端电阻都置于“ON”位置。这让现场调试、故障查找及排除花费了较长时间。但按照手册查找，通讯速率应可达12Mbps，系统中设置通讯速率为1.5Mbps通讯应该可靠，但将波特率降低至 500kbps，系统长时间运行安全可靠，再无通讯故障现象发生。这说明系统的通讯质量存在问题。经分析，从电控房到司钻室的通讯线受到动力线的干扰较大。
如何根据网络的拓补结构、总线的硬件连接情况确定系统可靠安全运行的通讯速率以及如何优化，这些困扰摆在我们面前。目前，西门子公司已推出用于检测Profibus系统通讯质量的专用仪器，根据监测结果来改善拓补结构和硬件接线，便于设备安装、调试、故障定位与维护;另外，从性价比方面考虑，采用光纤通讯也是一种可行方案。从现场设备的调试和运行情况来看，SIMATICPLC控制系统的可靠性和灵活性有目共睹，相信我们会有更多的设备来使用SIMATIC控制系统。
(2)泥浆泵控制:操作员操作司钻室的面板通过ET200M的 Profibus-DP将信号传递到控制站S7-300CPU模块，控制三台泥浆泵的风机、喷淋泵、泥浆泵主电机的启动、停止、速度给定以及相关的联锁保护。由于电机功率较大，要求强制风冷。泥浆泵风机启动后，当其风压开关闭合即建立风压时，方可启动泥浆泵主电机。
(3)绞车控制:使用脉冲编码器通过FM350模块计算大钩高度，对最高位、最低位进行限位，防止“上碰下砸”;具有“自动控制”功能，可根据速度给定手柄的位置确定是否处于自动区域(手柄全行程的 0～20%，80%～100%)，处于自动区域可自动控制大钩的运行速度以及停止位置;可选择高速、低速、超低速三种速度选择范围以适应不同工况;在起升、下放井架、底座时由于负载重量比较大，使用“超低速”速度选择方式(0～60rpm)，而且在起升、下放时，系统具有能耗制动功能，使得操作平稳、可靠。
(4)转盘控制:采用Profibus-DP协议通讯，可控制转盘变频器的速度给定值、扭矩限定值，并给出变频器过流、过压报警。
(5)软件冗余:当由于供电单元、背板总线、主站、硬件或软件引起的CPU发生故障、冗余备份总线电缆、冗余从站接口通讯中断或冗余从站接口发生故障时，通过 SIMATICSoftwareRedundancy软件-简单的软件机制就可使一个发生故障的主CPU由冗余CPU接管过来，这对主备系统切换时间要求不高、而采用冗余备份系统或其他特殊高可靠性系统不是绝对必要(从性价比方面考虑)的系统是比较适合的。采用这种软件冗余备份方法，可有效地提高系统的可靠性;
(6)远程监控:通过GSM无线通讯网络可实现远程监控。由于石油钻井设备应用现场的特殊性(可靠性要求高，生产现场比较偏僻、环境恶劣)，现场服务不可能迅速快捷，维修成本相应较大。在远程终端通过 SIMATICTELESERVICE软件，可在线实时分析故障原因并实现远程软件升级。这样可更有效地使用资源、提供快捷服务、大大较少维修费用和维护时间、增强了设备的经济性;
(7)人机界面:两个人机界面显示面板分别设置在电控房和司钻室。通过PROTOOL软件组态,显示设备运行状态以及各个电机的运行逻辑状态，监控现场设备的运行，设有故障页显示,便于故障定位和维护。
(8)历史归档及报表打印:由设置在经理室的PC机完成。采用SIMATICWINCC软件编制，使用Microsoft公司的SQLSERVER作为数据库管理的工具，VISUALC实现对历史归档数据的查询、动态画面的组态，可实现报表、趋势、报警打印功能，为管理人员分析数据提供帮助。
5 结束语
整套系统实现了钻井设备的分布式集中控制。设置在电控房内的S7-300CPU，通过现场的分布式I/O模块采集设备状态、控制现场设备的运行，具有复杂程序控制和常规联锁保护功能，并通过两台显示面板实现现场设备的运行状况的可视化，系统还具有历史归档和报表打印功能，使整个系统具有较强的技术优势和竞争力。
变频器和软启动器在城市供水中的应用
某山区小城，仅有日产1.5万吨自来水的小水厂，供该城市区10万居民的生活及城内企业之用水，十分紧张。春夏季节绕城河里有水，居民可自行在河中取水和洗涤，一到秋冬季节，河道干涸，河床朝天，用水就成了大问题。水厂只得实施定时放水：早上5:00~7:00，下午16:00~19:00，给水站前排起了长龙，为了水曾发生斗殴，甚至于命案。为了解决居民用水问题，市府立项“民心工程”——建一座日产10万吨自来水的水厂，深受市民欢迎。
此处仅讨论与水厂水泵有关的变频器和软启动器的应用情况，排除了自来水制造的工艺流程问题。
水厂共三口取水井，厂内一口，厂外二口；厂外二口取水井分别距水厂3km和5km，井深均为200m。三口井的日出水量分别为1.5万吨、4万吨和6万吨，所有水泵配备的电动机均为笼型异步电动机，其功率分别为75kw一台、180kw二台和320kw二台。
水厂的成品水通过二泵房送至供水管网，二泵房共有五台泵，均配备笼型异步电动机，容量为180kw三台，320kw二台。
我们仅关心电器设备的控制及作用，并不计及城市供水管网的结构。
由于这是一个新老结合的管网，它由新老二部分组成：新城区和省级经济技术开发区是新管网，它采用压力泵调节水压的供水方式；老城区则为老管网，它采用高位水塔维持供水压力的方式，并且还有二个标高，1#蓄水池（水塔）标高900m，给老城较高地区的居民区供水；2#蓄水池（水塔）标高860m，给老城较低地区的居民供水。它们分别由1#泵站和2#泵站给其注水，分别距水厂2.8km和1.2km，所有水泵电动机亦均为笼型异步电动机。1#泵站的二台水泵电动机功率分别为55kw和90kw，2#泵站的二台则为135kw和180kw。
水厂的其它电气设备容量都较小，况且计量泵和搅拌泵都随主机带上了变频器，故不予考虑。
软启动器和变频器特别适合于城市供水系统是基于以下三点：
首先，软启动器和变频器对提高供水系统技术性能指标：在调压式供水系统中，适当分配软启动器和变频器的数量和功率，用软启动器作为主要供水电动机的驱动装置，用变频器作为供水压力的调节装置。根据自动调节原理，我们把供水压力U作为调节量，供水量作为扰动量f构成闭环控制系统，工作原理如图1。
此处对象就是水泵，当供水系统的扰动（供水量）f增大时，供水压力U下降，给定值Ui与其差值DU增大，使水泵转速提高，直至接近供水压力U的给定值Ui。反之，当扰动量（供水量）f降低时，DU下降，使水泵转速下降。这样，不管系统供水流量大小如何变化，供水的压力U始终维持在给定（压力）值Ui的附近。
其次，使用软启动器和变频器可使水泵按系统需要实现软启动和软停止，这些可以避免突然启动对管网和阀门及其它供水设备的冲击，同样也可避免水泵突然停止时的水锤效应，减少了供水设备的疲劳损坏和检修工作量，延长了使用寿命。
第三，使用软启动器和变频器可节约投资和电能，降低自来水生产成本。
节约电能降低生产成本是无人怀疑的，节约投资就不然了。实际的情况是：在电网上直接启动电动机，其容量不得大于电网容量的15~20%，选用软启动器和变频器后可把变压器的容量下降至传统驱动方式时的40~50%。我们这次是这样做的；1#取水井的变压器由1600kvA降至800kvA；2#取水井的变压器由1000kvA降至400kvA；1#泵站的变压器由500kvA降至160kvA；2#泵站变压器亦由1000kvA降至400kvA。加上水厂内的1600kvA变压器，整个供水系统的变压器容量由原来的为5700kvA降至3360kvA，降低了变压器容量2340kvA，节约设备投资30万元，基本电费65万元，同时降低了搬运和安装费15万元，线路架设费10万元，共计节约120万元之多，弥补购置变频器和软起动器之差价还略有剩余。此外还减少无功补偿容量3500kvaR，节约投资60万元有余。
节能有三个方面：一是软启动器较传统直接启动节约电能7~8%；二是变频调速可取消档板流量调节装置，直接实施供水流量调节，可节电40~50%；三是采用变频调速，实施调节水压供水方式较高位水塔维持水压供水的方式节能20~30%，因为在后者供水方式中，高位水塔中水的势能在使用时被白白地浪费了。
鉴于变频器的商业价格通常为软启动器的3~4倍，因此必须坚持慎重选用变频器，以期物尽其用。我们选用的最终结果是：1#取水井75kw变频器一台；2#取水井180kw软启动器二台；3#取水井320kw软启动器二台；1#泵站55kw变频器一台、90kw软启动器一台；2#泵站135kw变频器一台、180kw软启动器一台；二泵房320kw变频器一台、320kw软启动器一台、180kw软启动器三台。一年运行的节电效果如下：1#取水井节电22万千瓦时，2#取水井节电20万千瓦时，3#取水井节电35万千瓦时，1#泵站节电23万千瓦时，二泵房节电160万千瓦时，共计一年节电305万千瓦时，仅节电一项可使每吨水的生产成本下降0.1元，相当于每年节约电费365万元。
同时，供水的技术指标有了大幅度的提高，供水压力的波动度降到±1.5Pa。可靠性提高到99.5%。
高压变频器在水泥厂风机节能改造的应用
1、引言
水泥生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户，水泥行业已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高水泥行业的节约型制造和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。在水泥的生产中，电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条水泥生产线其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。
目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。如果利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。随着电力电子技术及电子技术的发展，变频技术日趋成熟，国际上对于风机的风量、风压调节已普遍摒弃靠调整配套的风门开度的手段，改而采用变速的电气传动调节，变频调速已成为风机、泵类节能降耗的最佳、首选的电气传动方案。
在水泥厂风机采用变频调速技术，能提高节约大量能源，提高生产效率，为水泥厂带来较大的经济效益和社会效益。根据大量水泥生产线风机高压变频调速节能改造的具体经验，采用变频调速后，风机的电耗降低 8%～45%，电费以0.50元/kWh计算，通常在1.5～3.5年可收回变频器的设备和其它安装等附加费用等总投资。
2、高压变频器在水泥生产线风机节能改造的应用及效益
变频调速技术现已被应用于各行各业，广州智光电气股份有限公司的ZINVERT系列智能高压变频调速系统从2005年起开始应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功应用于新型干法水泥生产线的6个工艺位置的高压风机，即：生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机，并取得了许多成功的改造经验，获得了显著的经济效益。
下表是选择不同类型风机应用高压变频改造后在系统满载、相同环境、工艺条件要求下进行节能测试效果的实例数据：
|
风机
类型
|
电机
功率
|
电压
等级
|
挡扳开度
调节开度
|
运行功率（kW）
|
运行电流（A）
|
运行
频率
|
|||
|
变频前
|
变频后
|
节电率
|
工频
|
变频
|
|||||
|
生料磨循环
|
630KW
|
6KV
|
风门80%
|
500
|
372
|
25％
|
64
|
36.5
|
43
|
|
煤磨循环
|
560KW
|
10KV
|
风门80%
|
500
|
382
|
24％
|
37
|
24
|
37
|
|
窑头排风
|
710KW
|
6KV
|
风门70%
|
582
|
369
|
36％
|
70
|
34.8
|
39.9
|
|
窑尾排风
|
1000KW
|
10KV
|
水阻80%
|
840
|
710
|
15％
|
61
|
42.9
|
39.7
|
|
高温循环
|
2500KW
|
10KV
|
液耦90%
|
2600
|
2350
|
9.6％
|
155
|
143
|
45
|
|
水泥磨循环
|
355KW
|
10KV
|
风门45%
|
190
|
105
|
45％
|
17
|
6.2
|
36
|
特别需要指出的是，在新型干法水泥生产工艺中要求控制窑尾预热器压力的窑尾高温循环风机，需要通过DCS的控制来对高温循环风机的风量进行调节，原先设计一般采用液力耦合器、绕线电机转子串阻调速等调速控制，而目前基本发展趋势是在90年代迅速发展起来并在近几年成熟的高压交流变频调速技术的技术和性能远远胜过以前采用的调速方式，在经过大量成功的现场应用并显示其巨大的节能效益后，高压变频器器成为国家水泥节能设计规范标准要求的设备。我国在2007年10月25日颁布、2008年5月1日起执行的强制性标准《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》中的第4.3.5条规定：“窑尾高温风机应采用变频调速装置”。
水泥生产线的大容量风机采用变频调速控制后，除实现节能降耗经济效益外，其他方面的效益也是明显的：
(1)改善了工艺，调速精度得到保证，提高了产品质量的稳定并可提高产量。投入变频器后可以平滑稳定地调整风量风压，提高了效率，特别是使生产线设备利用率得到保证，保证了顺产，进一步提高了产量。
(2)设备运行与维护费用下降：采用变频调节后，避免原来转子滑环烧损维护、更换的工作，以及液力耦合器油路、漏油的维护以及由于若打坏齿轮的维修工作，以及由此导致的停产损失；高压变频器的运行实践证明其可靠性得到保证。
(3)延长电机等设备的使用寿命。采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，几乎不产生冲击，避免水阻软启动3～4倍的冲击电流、液力耦合器启动时的4～7倍的冲击电流，可大大延长电机定子、转子轴及轴承等电气与机械寿命。
（4）目前单元级联式的高压变频器，其输入电流谐波含量小于国家标准要求的限制要求，功率因数可保证在0.95以上，与采用液力耦合器、转子串阻等调速方式相比，输入功率因数大大提高，再无需投资功率补偿设备，并可降低有关的设备投资与维护费用。
3、高压变频器在水泥生产线风机应用的主要问题与应对措施
水泥厂因生产线风机从工艺上对风量、压力的调节要求，高压变频器需要针对性有一定的技术要求；更加特别的是设备的应用现场水泥生产线一般粉尘较大，调速机械大多安装在室外或库下，环境较其它行业相比较为恶劣，而高压变频器作为电力电子器件与较精密电子控制组成的系统设备，对环境有相对较高的要求，因此在水泥生产线风机应用的高压变频器设备在设计、安装、运行、维护过程中具有一定的特殊性，比较突出的问题如下：
（1）高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题
国家水泥节能设计规范标准要求“窑尾高温风机应采用变频调速装置”，而窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，即使在在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机，也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。
高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。
目前国内高压变调速技术已经解决了该问题，作为水泥行业高压变频器的专业生产制造商，智光电气研制的ZINVERT系列高压变频调速系统特别针对高温风机的运行工艺情况进行了大量的研究分析并针对性地研制出针对性的专业技术。该产品从2005年投入水泥生产线的变频改造，技术研发人员经过深入应用现场，了解掌握现场工艺情况，总结现场应用经验，推出了针对水泥生产线窑尾高温风机的专用变频器技术，采用自主研发的“瞬态尖峰负荷差分控制技术”，从设备的硬件设计、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期的尖峰负荷运行进行全方位针对性的设计改进。具有这种技术的高压变频器有效地避免了其他厂家的通用高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，与工频液耦运行相比也降低了跳机的可能性，从而使安装了广州智光高温风机专用变频器的水泥生产线达到节能又增效，降低电机、风机设备故障率，为水泥企业保证生产安全性、经济性作出技术与设备保证。根据目前在多条5000t/d旋窑生产线的高温风机实际应用效果证明高压变频器基本解决了高温风机变频器由于“塌料” 导致的跳闸停运、生产中断的问题，大大由于高温风机停运对生产造成的影响，降低电机设备故障率，取得节能、增效的巨大效益，得到用户普遍认可。
（2）风机高压变频改造对原配液耦、水阻的处理
目前国内高压变频技术已经成熟，选用运行可靠的成熟品牌的高压变频器进行风机变频改造后，原来采用绕线式电机转子串水阻调速的，可将转子短接，使滑环不再通过电流，从而降低烧损；原来采用液力耦合器的，可以取消原液力耦合器，可按照液力耦合器的联接尺寸设计制作一套连轴器代替液耦，连接轴的基座安装尺寸、轴连接中心尺寸、轴径尺寸、轴与电机及风机侧的连接靠背轮均与原液耦一致，安装时仅需将原液耦拆除，将连接轴代替液力耦合器，现场仅作少量调整即可达到安装要求。因此高压变频器的改造对于风机及电机不作任何改变，安装方便快捷，运行工艺调节更加方便。
（3）新设计水泥生产线的风机采用高压变频器后的电机及其配套选型
对于新设计的生产线，设计选用单元级联式的高压变频器后，高压电机可选用一般普通的异步电动机，而不必采用专用变频调速的“变频电机”。“变频电机”是指对于输出谐波含量较大、电压变化率dv/dt较大的低压变频器和前些年的其他电路结构的进口品牌高压变频器为避免发热绝缘损坏特别设计的加强绝缘、增加散热措施的电动机，变频电机的价格较普通电机要高得多。由于国内市场的主流电路拓扑结构的高压变频器采用的单元级联多电平的输出技术，输出电压的变化率满足一般电机绝缘要求、电流谐波失真小，额外发热很小，鉴于风机的二次方转矩负载特性，一般运行转速在50％以上时风机不必施加特别散热措施。大量的实际改造运行可以证明，出于降低设备投资考虑，选择合适的高压变频器，不必专用“变频电机”，不必增加额外的散热措施。
另外在如果为避免高压变频器故障后导致的产线停产，不建议再设计液力耦合器，为提高的运行利用率，特别对于窑尾高温风机，为进一步提高生产设备的可靠性，在设计上可依旧选择采用绕线电机转子串水阻调速的设计，作为工频旁路后的工频启动与调速的备用手段。
（4）电网电压波动等电源质量对高压变频器运行可靠性影响问题
水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。水泥厂一般地处偏远，供电质量相对不高，对设备的电网适应性问题突出。相对适应欧美电网供电质量的进口品牌高压变频器，目前国内高压变频器主流拓扑结构采用功率单元串联技术方案，而不是功率器件直接串联，避免了器件直接串联带来的均压问题，并在系统适应性上做了较多应用性研究工作，提高了高压变频器对国内电源电压工作的鲁棒性。产品具有对电网电压的适应范围宽（－65％～115％Un）、单元故障自动旁路、工频旁路、瞬时停电再启动功能、包括相间短路保护功能的完善的保护功能等技术，在提高起动力矩和转速精度的同时，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高应用的可靠性。智光电气的高压变频器在几十条生产线的成功运行经验证明，国产高压变频调速技术成熟，适应水泥生产企业的供电水平，满足水泥生产线对设备的可靠性要求。
（5）高压变频器应用的谐波与干扰影响的问题
变频器应用的谐波与干扰问题一方面是变频器输入谐波对电网的影响，如果变频器输入电流谐波较大(比如传统的电流源型变频器)，会产生如下危害：供电系统的继电保护装置误动作，可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大，影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置，电子计算机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机，变压器和电容器等用电设备损耗增大，严重时会过热或烧损。目前国内市场的主流电路拓扑结构的高压变频器采用的输入多重化移相整流技术、单元级联多电平的输出技术，输入、输出电流谐波失真极小，满足IEEE满足IEEE519-1992和GB/T14549-93标准的要求，不会对电网、电机产生超标的谐波污染。大、中型水泥厂自动化水平高，大多数采用自动化仪表和计算机控制系统，对用电系统的谐波要求很高，单元级联式高压变频器在这方面具有很大的优势。
变频器应用的谐波与干扰问题的另一方面是外部谐波对高压变频器的影响，由于旋窑的主窑直流传动系统采用直流电机，主电路必然产生较大的谐波，必须采取相应的治理措施，以保证高压变频器的输入电压稳态总谐波含量THD不超过10%，其中任何奇次谐波均不超过5%,任何偶次谐波均不超过2%,短时(持续时间小于30s)出现的任意一次谐波含量不超过10%。否则对母线其他设备、高压变频器等均可能造成运行中的影响与损害。
还有，为避免控制干扰，高压变频器的控制线须采用屏蔽电缆，单端接地，并且在布线时注意与动力线的距离，避免控制线与动力线并行敷设在同一电缆托架(或线框)内；变频器负载输出线需采取屏蔽铠装电缆，单端接地，以避免变频器对附近仪表产生干扰。
（6）高压变频器应用的散热问题与环境条件
由于水泥现场粉尘较大，环境相对恶劣，作为电子与电力电子设备，而且由于产生约3～4％的损耗发热需要散热，而一般高压变频器中低容量高压变频器均采用风冷散热，因此在水泥生产线应用的高压变频器必须注意系统的器件选型设计裕度大、器件布局结构合理、散热器与风道设计等散热结构合理、提高单元散热效率以保证系统设计温升低、环境适应能力强，需要能够经受夏季炎热、春季潮湿、冬季的寒冷等气候的影响，经受水泥厂粉尘的污染等恶劣环境的考验。
一般地，水泥生产线风机的高压变频器安装位置根据现场情况选择高压配电室内，或专门建造变频器室，可采用因地制宜的空调散热、空气水冷散热、大气循环散热等，做好制冷或循环通风的设计，避免系统发热无制冷的内部循环、自然循环进风量不足室内负压，并需加强防尘设计和日常维护，定期进行滤网清洁，从而保证设备的安全稳定运行。
4、结语
鉴于目前变频调速技术的发展，结合国产高压变频器在国内上百条5000t/d、4000t/d、2500t/d、1500t/d、1000t/d等新型干法水泥生产线的生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机的广泛应用和大量改造实践证明：高压变频调速技术已经成熟，国产高压变频器的设备运行性能稳定、节能显著，是在水泥行业节能减排工作中应该大力推广的技术与产品。
PLC在浇道去除机中的应用详解
浇道去除机主要是用在手机壳注塑成型时所留下浇注道的切除的专用设备，是我公司的专利产品之一，控制核心是PLC，属于非标设备。所谓非标设备是指国家定型标准以外的不定型、不成系列的需先进行单体设计再进行单台或小批量加工制造的设备。目前，随着现代化工业的快速发展，非标设备越来越多的被人们应用，其自动化程度也越来越高。这就迫使其配套设施自动化程度的提高，于是PLC也就越来越多的用在其中。
众所周知，在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。它能完成逻辑条件的顺序动作，并按逻辑关系实现连锁保护，即大量离散数据的采集等等。传统上，这些是通过气动和电气控制系统来实现的，但是现在这些早已满足不了生产的需要，于是PLC应运而生，并依靠其自身体积小、性能强、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、可扩展等优点，在自动控制领域取得越来越重要的地位，在非标设备的生产中应用更是越来越广，浇道去除机中更是必不可少的。
浇道去除机按切除方式分切除型、铣除型和冲切型三种机型，其中铣除型中包括：纯铣除型、冲铣结合型和切銑结合型。按操作方式分半自动型和全自动型。按模具穴数可分为：1模1穴和1模2穴。在无此设备之前，浇道道都是人工切除的，质量不高，既浪费了人力有没有高的效率，此设备大大提高了其生产效率和质量，平均2.5-3.5秒每个。
不管是哪类型的浇道去除机的电气控制原理和方法基本相似，都采用PLC、继电器、电机（铣除型的用电机）等其他电器。下面我们以铣除型去除机为例进行一下说明，控制结构原理见下图。
根据设备需要，客户功能需要，同时又考虑到一定性价比，我们采用的是台湾丰炜PLC，其编程采用梯形图方式，简单易懂，调试方便。输入、输出点数从十几个点到几十个点不等，PLC型号根据具体要求和输入、输出点数多少而定，要留出20%余量。启动方式采用双手启动，双手钦键时间差不得超过0.2秒，这个时间可以在程序中设置（这个时间差多少都可以设，但为了安全起见，越短越安全）。我们很多铣除型去除机PLC大都采用28点，接线图和部分程序如下。
电源两种型号选择：200-240AC电源和 24DC电源，输入设备如按钮、光电开关、磁性开关都是24DC电源作为信号源。这样避免了因生产环境的原因造成的一些开关的短路现象，降低了维护工作了，提高了维护安全性。输出也采用24DC信号驱动电磁阀、继电器、蜂鸣器等、继电器再驱动电机。在操作上还配有急停按钮和光电保护，安全可靠，稳定性好。
不管任何厂家的PLC都有足够中间寄存器、特殊寄存器、计算模块、PID控制模块等等够编程??设置，足够实现报警、步进动作、顺序动作等功能，、并可以和上位机（或触摸屏）等实现通讯，以便于将来设备的升级、功能的扩展。
此外，PLC还有一些自诊断功能，如CPU错误、电池错误、存储器错误等等，每一个I/O点都有一信号指示灯，能正确地指示出其ON/OFF状态，准确的判断出外围设备的故障。方便、快捷。
当然，任何事物都有两面性，浇道去除机也可能会出现一些故障，输入设备主要表现在按钮、磁性开关、选择开关等经多次动作后松动或损坏现象，输出设备发生短路、烧毁现象，由于输出设备多次短路产生高电流，冲击 PLC内部输出继电器产生继电器触点熔化粘连在一起、电机电容故障等。
所以，在工作一定周期时需要一些维护和保养及零件的更换。（如何检测故障，自诊断功能等）
怎么维护和保养呢?首先，要远离一些阳光直射、灰尘、油雾、腐蚀性气体、温度剧烈变化等环境。其次，定期的点检，注意一些易损件如保险丝的更换。再次，每组输出若电源经220AV输出，都要加以保险丝，当保险丝烧断时检查输出设备并更换保险丝。我公司给彼恩特公司最早做的一批铣除型切除机，已经每天二十四小时（倒班制）连续工作一年之多，平时注意一些维护和保养，即定期的点检，目前为止还在稳定运行
PLC自动控制系统可靠性研究
、引言
可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。
工业年月机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件记录，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。由于PLC对现场进实时监控具有很高的可靠性，且编程简单、灵活，因此越来越受到人们重视。
2、控制系统可靠性降低的主要原因
虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。
影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：
1)造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；
2)机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果；
3)现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。
影响执行机构出错的主要原因有：
1)控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；
2)控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；
3)各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。
3、设计完善的故障报警系统
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。
4、输入信号可靠性研究
要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。
在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用图2b 程序设计方法，对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。3次采样数据分别存放在数据寄存器DT10、DT11、DT12中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉最大和最小值，保留中间值作为本次采样结果存放在数据寄存器DT0中。
提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员检查该液位计。又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。
5、执行机构可靠性研究
当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。
X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。
当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如图3b 所示。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。
6、结论
我们在胜利油田胜利采油厂胜砣注聚站自动控制系统设计中采用了以上方法，经过近2年的运行证明这些方法的采用对提高系统可靠性运行是行之有效的。
购物车 Shopping Cart
-
Your shopping cart is empty.
Visit the shop
-
最新商品 Latest