PLC 和变频器在新型煤层气排采系统中的应用

徐 浩，于红业，杜 业

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

煤层气是地下煤层伴生天然状态的气体，主要以吸附状态储集于煤层中，主要成分为甲烷，地面开采煤层气中甲烷体积含量一般占95%左右。煤层气是近20 年来崛起的优质洁净新能源，开发利用程度日益加深。在煤层气井排采阶段,通常采用控液排气法，用三抽设备或用螺杆泵（或其他泵）抽水控液，所用设备存在以下不足：存在设备不配套、抽空、检泵周期短等问题；井下产出煤粉颗粒及压裂支撑剂石英砂,容易产生煤卡、阀堵塞等现象；有杆泵举升工艺，存在着不平衡、杆偏磨等现象，尤其是对斜井、丛式井等适应性比较差。为解决上述问题，提出一种新型煤层气排采系统，不用三抽设备或用螺杆泵（或其他泵）抽水控液，采用PLC 加变频器控制电机驱动地面泵方式，通过井下特制采集器采气，地面水气分离器分离排水，实现对煤层气的排采。

1 系统原理

系统由传感器、PLC、液晶控制屏、变频器、电机、地面泵、水气分离器等组成，如图1 所示。通过压力传感器采集信号，PLC加变频器控制电机转速，实现对泵的排量控制，具有手动、自动两种控制方式。可实现自动检测压力升降速，自动排水，保护、报警等功能。

2 控制系统组成

2.1 PLC 选型与编程

PLC 使用西门子SIMATIC 控制器系列的最新产品SIMAT原IC S7-1200。SIMATIC S7-1200 紧凑型控制器是一款节省空间的模块化控制器，适合要求简单或高级逻辑、HMI 和网络功能的小型自动化系统。SIMATIC S7-1200 控制器和 SIMATIC HMI 基本型面板二者均可使用SIMATIC STEP 7 Basic 工程软件进行编程。由于实现了使用同一个工程软件对两种设备进行编程，开发成本得以显著降低。

PLC 接收来自压力传感器的信号，经过程序判断与运算实现对变频器的控制。PLC 在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出、启动、加速、减速和制动等信号。由变频器根据一定的控制规律和算法来控制电机。

程序流程说明：

图1 煤层气排采系统组成

（1）自动控制。液晶屏输入所有参数后按下启动按钮压力传感器信号通过程序计算控制转速，压力高则转速升高，压力低则降低转速，速度控制在设定压力附近。压力达到报警值后报警，停机。延时一段时间后，重新检测压力及各种保护条件，如保护清除自动重新启动。

（2）手动控制。手动输入所需转速，按下按钮，电机启动，达到所需转速。检测压力达到报警值，停机，人工复位。

（3）液位控制。自动打开：传感器检测到高液位后，排水打开一定时间（可设定），如果在高液位持续则停机，不能自动复位。手动打开：按下屏幕排水按钮，手动打开排水。

（4）温度控制。温度传感器检测管路温度是否过高，如超过报警值，系统停机。

（5）保护功能。系统具有地面泵保护，电机保护，变频器保护等保护功能。

使用STEP7 编程软件编程，将程序分为5 个子程序：自动控制FC1、手动控制FC2、液位排水FC3、温度控制FC4、保护功能FC5。在主程序OB1 中调用5 个子程序实现控制功能。

2.2 变频器

选用西门子MICROMASTER 440 变频器，功率范围从120 W 到200 kW。变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT 作为功率输出器件。因此他们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低电机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电机提供良好的保护。

满足系统运行，需要设定的变频器参数见表1。为使气体排采过程平稳，不出现回环效应，加减速时间应进行合适的设定。电机参数按照铭牌设定正确。考虑的到共振效应还应设定跳跃频率，保证设备不受损害。

表1 变频器参数设定

2.3 液晶屏

由于可视化已成为大多数机器设计的标准组件，故选用西门子KTP 400 Basic 液晶屏。共分6 个画面：欢迎画面、参数设定显示画面、自动控制画面、手动控制画面、液位控制画面、报警画面。基于以上画面即可完成所有对于系统的控制及监视功能。

2.4 通信组态

MM440 变频器本身具备RS485 通信端口，根据USS 协议通过西门子S7-1200 PLC 控制变频器。借助PROFINET 网络，S7-1200 PLC 可以与HMI 面板通信。

仅以USS 通信接口参数功能块编程示例，如图2 所示。

图2 USS 通信接口参数功能块编程示例

3 结束语

新型煤层气排采系统，不用三抽设备或用螺杆泵（或其他井下泵）抽水控液，采用地面泵方式，控制系统采用PLC 加变频器控制，提高系统运行的平稳性、工作的可靠性，操作与维护方便，同时实现转速实时调节，节约电能。经过实验证明设计方案可行性高，程序合理，运行稳定，很好的满足生产需求。