基于LabVIEW的油田注水泵变频远控系统

张卓

【摘 要】文章以实际工程项目为例，重点说明了LabVIEW在基于OPC的上位机与PLC通信、串口通信、数据传输及自动控制等方面的应用，并简要介绍了注水泵变频远程控制系统的网络拓扑、硬件组成和软件结构。

【关键词】LabVIEW；OPC；串口通信；自动控制；注水泵

【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）08-0038-04

0 引言

油田开发过程中地层能量不断衰减，利用油田注水泵工作时产生的超高压力通过注水井把水注入油层，以补充和保持油层压力，提高和保证出油率。目前，以手动方式控制注水压力，难以在泵的最佳工况点运行，存在水锤效应，以及管网效率低、电能损失高、泵阀门磨损严重、寿命短等问题。同时，仅由人工录取数据和定时巡查的方式对水泵工作状态进行监控。

基于以上因素，在油田注水系统中引入远程监测控制技术，利用“西门子”PLC、基于“美国NI公司”的LabVIEW开发软件及传感器改变传统模式，通过监控水泵压力、水泵流量、电机轴温、水泵温度、电机电量等数据，实现对注水泵的远程实时状态监测与控制，提高了水泵工作效率和出油效率。

本文以金马油田海一联注水3号泵为例，介绍了LabVIEW在油田注水泵变频远程控制系统中的应用。

1 注水系统结构

注水系统结构简图如图1所示。图1中，1#水泵、2#水泵、3#水泵、4#水泵分别由4台高压电机驱动。

系统中监测的主要数据如下。 ①压力：泵入口水压、泵出口水压、主干管道水压（干压）。 ②流量：水泵出口流量。③温度：电机轴温、消耗轴温、泵入口水温、泵出口水温。④电量：电机电流。

2 控制系统网络拓扑

控制系统的网络拓扑如图2所示。

本项目为变频器搭建了一个独立的局部小系统，与外部没有控制连接。其中，PLC用于将变频驱动的电机及其水泵的模拟数据转发至PC机。PC机作为这个小系统的中控设备。

3 远控软件设计

远控软件分为人机界面和控制程序两个部分。其中，人机界面包括控制界面、监视界面和报警记录界面；控制程序包括自动控制程序、PLC控制程序、变频器通信程序、上位机与PLC通信程序和报警记录程序。结构图如图3所示。

3.1 后台软件与PLC的OPC通信

后台软件与PLC采用的是OPC的通信方式，传输方式为以太网，通过OPC来读取PLC采集到的注水泵流量、温度等模拟量。首先使用LabVIEW软件中自带的OPC服务器程序建立一个与“西门子”PLC连接的OPC连接文件，然后在OPC文件中建立与“西门子”PLC中各模拟量地址位相对应的标签，最后将这些标签与LabVIEW中的控件一一对应绑定到一起，就完成了后台软件与PLC的通信（如图4所示）。

OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。OPC的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。

3.2 上位机与变频器之间的串口通信

变频器和上位机通信采用的是串口通信的方式，（如图5所示）。

LabVIEW中用来实现串口通信的是一组VISA函数，这组函数包括串口初始化函数、读串口函数、写串口函数、关闭串口函数、检测串口缓存函数和暂停串口函数等。通过利用这些LabVIEW自带函数进行不同的组合和连接，可以实现各种不同通信协议的串行口通信。利用LabVIEW开发串口通信的程序的基本步骤为：①对串口进行初始化，根据变频器的通信点表进行串口参数的设置。②对串口进行写操作，根据变频器的通信点表将需要用到的功能码写入串口。③进行延时设置。④对串口进行读操作，根据变频器通信点表将串口读到的数据进行解析。⑤关闭串口。

3.3 上位机自动调频程序

上位机自动调频功能通过检测变频器电流、水泵流量，实时对比电流及流量的上、下限值，进行逻辑判断，通过调频将超出限值的状态调回到限定范围内，其控制目标是水泵流量在限定范围内。逻辑判断的依据是变频器电流、水泵流量是否超出限定范围。调节方式是变频器频率给定的调整。上位机自动控制流程图如图6所示。

3.4 人机界面

LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现了极高的效率。LabVIEW在人机界面方面也有着相当大的优势，远控界面如图7所示，界面显示内容清晰详细、操作方便快捷，能很好地完成监视与控制方面的需求。

LabVIEW采用图形化编程方式，内置大量人机交互功能，可以方便地完成工业过程仿真及控制、数据采集分析显示、仪器控制、测量测试等操作，并具有良好的可扩展性。它的前面板包含了大量形象逼真的控件，用户可以创建自定义控件。前面板的窗口形式也可以以不同的方式显示，满足不同的需求，用户可以通过按钮、播放声音、对话框等多种方式与程序进行交互。

3.5 使用变频调速后的节能估算

按流体机械的相似定律，水泵流量Q、扬程H、轴功率P与转速n之间的比例关系如下：

■=■

■=[■]2

■=[■]3

水泵在变速调节的过程中，如果不考虑管道系统阻力R的影响，且扬程H随流量Q呈平方规律变化，则水泵的效率可在一定的范围内保持最高效率不变（只有在负荷率低于80%时才略有下降），水泵流量由100%下降到50%时，变速调节与阀门调节方式相比，水泵的效率平均高出30%以上。从节能的观点来看，变速调节方式为最佳选择。

4 结语

本文介绍的注水泵变频自动控制系统中，采用LabVIEW开发的基于OPC的PLC通信、变频器串口通信、自动控制及人机界面等所有后台软件。由于LabVIEW在通信稳定性、自动控制准确度和人机界面操作便捷等方面的优势，使注水泵变频远控系统表现出了良好的性能，很好地满足了系统要求。本系统现已交付客户使用且运行状况良好。

参 考 文 献

[1]王颖，张蔚中.基于LabVIEW的电机测控系统设计[J].微計算机信息，2008，24（10）：114-115.

[2]周锋.基于虚拟仪器的电机测试系统研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[3]马怀俭.基于网络的电机试验系统[J].哈尔滨理工大学学报，2002，7（3）：41-43.

[4]Rick B，Taqi M，Matt N.LabVIEW Adbanced Progr-amming Techniques[M].New York：CRC Press，2006.

[责任编辑：钟声贤]