西门子6ES7222-1BF22-0XA8量大从优

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1 引言
 石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户，其主要生产工艺都是通过各种泵、空气压缩机来完成。目前，这些油泵、水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，如将占**多数的非调速型电机改成调速运行,使其耗电量实现随负荷大小而变化,则可节约大量能源，将产生显著的节能效果。现代电力电子技术、交流调速技术的发展使得交流电动机变频调速在频率范围、动态响应、精度要求和使用效果等方面发生了巨大的飞跃。据不完全统计,各大中型石化企业中,鼠笼式异步电动机占整个电动机总容量的80％，因此,它为交流调速技术在石化行业中的应用提供了广阔的发展空间。
2 变频器在石油行业中的应用
 2.1 在游梁式抽油机上的应用
 游梁式抽油机使用方便、可靠、经济,是目前采油生产中的主要设备。为了减小抽油机上下冲程负荷的波动,一般都配有平衡块。抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷,并迭加有瞬间的冲击。抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值,分别为抽油机上下冲程的“死点”。抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动,因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保足够大的启动转矩,抽油机电机正常运行时负荷率很低,一般在20%左右,负荷的也不过30%。低负荷率运行造成功率因数低,效率低,电能浪费大。
 因此，在设计选配抽油机电机时，普遍的做法是令其抽取量大于实际负荷。它所带来的新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机成本高，噪音大，运行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的课题。抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田总用电量的40％，其总体效率很低，据调查一般在30％左右，过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。因此，抽油机的节能潜力非常可观。
 近年来，市场上直接针对抽油机的节电技术主要有两大类:一是开发不同类型的抽油机节能电机，如**高转差率电动机、三相永磁同步电机、高启动转矩双定子结构电机和电磁调速电机等。但由于资金投入太大，在许多油田用节能电机取代普通异步电机尚无法全面推广。二是使用节能配电箱，其中包括定子绕组Y-Δ转换调压和电容器动态无功补偿及静态无功补偿等。采用改变定子绕组的接法可以改变电机电压，但电机只能得到固定电压，节电效果并不理想。虽然有些装置采用双向晶闸管实现定子电压随负载变化连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重，不宜大面积长期使用。而采用变频调速控制，则可以改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油井实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高运行效率。
 胜利油田孤东采油厂采用了抽油机变频调速技术对稠油井实施改造，油井泵效显著提高，日均增油2.1t，节电率达30%以上，且上、下冲程速度可任意调整，减轻了工人的劳动强度。其经济效益通过对15口井的跟踪，用加权平均法计算出单井年效益如下:
（1） 增产及减少电耗费用　增产,50.4万元，节电0.61万元，合计,51.01万元。
（2） 投资　设备及土建安装费等共计9.43万元。
（3） 设备维护及折旧费1.36万元/年。
（4） 税金8.56万元/年。
（5） 利润41.08万元/年。
（6） 投资回收时间＝投资/（利润+税金）＝70天
 2.2 在潜油电泵上的应用
 潜油电泵采油作为一种大排量、率、管理方便的机械采油方式,在油田得到了广泛的应用。然而,对于复杂断块油田来说,油水井的对应连通性差,部分潜油电泵井出现供液不足,影响到潜油电泵的正常生产及井下机组运转寿命。以某油田采油厂为例,1997年以来,约有30%的电泵井由于供液不足而经常出现欠载停机现象,由于供液不足造成的躺井占总躺井数的45%,平均检泵周期只有66d,平均单井年维护费用增加了13.86万元。为了延长电泵井的检泵周期,保证电泵井的正常生产,引进了潜油电泵变频控制技术,通过改变供电电源的频率,控制潜油电机的转速,对泵的排量进行调节,使潜油泵的工作特性和油井的产能相匹配、电泵机组在较佳工作区内工作,达到减少机械及电气故障、延长电泵井寿命、增产及节能的效果。
 在推广应用潜油电泵变频器以后,使用效果十分显著，具体如下:
（1） 现场投产一次成功率为**,措施有效率为**,
（2） 电泵井平均功率因数由0.83上升至0.94;
（3） 平均检泵周期由66d提高到了273d,延长了207d
（4） 共减少电泵井欠载停井185井次,减少停井占产235t,电泵井平均生产时率由67.8%提高到98.1%,共减少作业躺井42井次,减少作业占产336t,
（5） 投入产出比达1:4.38
 2.3 在石油钻机上的应用
 钻井过程分为起落井架,钻进,泥浆循环,钻具更换,下套管,测井等几大工序。主要分为绞车,转盘和泥浆泵等。绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成,用来起落井架,提升和下放钻杆、套管。随着井深的增加,钻具越来越长,重量迅速加大,绞车的负载也越来越大。我国目前已有7000m深的油井,其钻具近600t重。由于每钻进约9m就要提升下放钻杆1次,因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降,希望在野外或海上的作业时间越短越好,这不仅要求绞车能高速运行,平稳起停,以保证不损坏钻井设备并提高井的质量,还要求驱动设备具有良好的动态特性。如果在内线井区作业,电源可与井区电网相连,下放钻杆时电机工作在发电状态,能量可回馈电网,节能效果显著。
 新疆钻井公司为可打3200m深度的一套钻井设备配置了变频器，所用产品为Siemens　SIMOVERT　MASTER-DRIVES　6SE71电压源型变频器柜，并且取得了较好的效益。在钻机技术更新、改造过程中,采用先进的变频器应是**考虑,颇具推广价值的方案，它将大大推动我国石油机械的技术进步。
 另外，在油气集输、油气加工、含油污水处理、供水、排水、油田注水等系统中变频器也有广泛的应用，限于篇幅在此不一一举例。
3 变频器在炼油行业中的应用
 机泵是炼油厂的心脏，在炼油过程中机泵输送的物流总量约为加工量的40多倍，如加工量2.5Mt/a的炼油厂，每年物流的输送量高达近亿吨，所以耗电量之大是可想而知的。在炼油装置中,电动机是应用面较广、数量较多的电气设备之一,其大部分负载为机泵,而定速泵在所耗功率中,被工艺物流吸收作有用功率的仅占30%-40%,其60%-70%的电能消耗于调节阀节流控制压降和因为处理量、收率变化及设计裕量大所造成的“大马拉小车”而导致的泵出口阀压降上。机泵节能的根本问题在于如何使控制方案与实际负荷相匹配,使之在控制过程中降低阻力,提高系统效率。这就为变频调速技术提供了广阔的应用空间。实践明,变频调速装置是企业技术改造、节能降耗的理想设备。毫无疑问,这种调速方式将成为石化企业中驱动系统的**。
 3.1 在泵类负载中的应用
 变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速,相应地改变机泵的转速和工况,使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。
 如图1所示,ｎ为泵特性曲线,A为管路特性曲线,H0为管网未端的服务压力,H为泵出口压力。当用水量达到较大（Qmax）时,水泵全速运转,出口阀门全开,达到了满负荷运行,泵的特性曲线n0和管网特性曲线A0汇交于ｂ点,则其工况点为ｂ,此时,泵的出口压力为H,未端服务压力刚好为H0。当流量从Qmax减少到Q1的过程中,泵全速运转,靠泵出口阀门关小控制:此时,管网阻力特性曲线变陡（A2）,泵的工况点由ｂ上滑到ｃ点,而管网所需的扬程将由ｂ点下滑到ｄ点,这样,ｃ点和ｄ点扬程的差值即为全速泵的能量浪费。泵变速运转,靠管网取不利点压力恒定来控制:此时,当流量为Qmax下降到Q1时,泵降低转数,泵特性曲线变为n1,其工况点为ｄ,正好落在管路特性曲线A0上,这样可使泵工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变,其扬程与系统阻力相适应,没有能量的浪费,从而达到了调速节能的目的。
 大庆石化总厂已对装置内负载波动大,调节阀节流严重的机泵安装了65台变频器,总容量为3600kw,其中大部分是闭环控制系统,即现场一次表经变送器将信号通过屏蔽电缆送到PID调节器,调节后通地屏蔽电缆将4-20ｍA直流信号送到变频器的设定口,控制变频器的输出;余下部分是开环控制系统,即根据控制目标通过电位器给定来控制变频器输出,以使电动机工作在符合工艺要求的转速上,完全靠变频器输出控制电动机转速来控制流量,使机泵的出口阀达到全开状态,扬程与管网阻力特性曲线相吻合,泵出口扬程大幅度下降,电动机输出有功功率也明显降低,获得较佳的节能效果。变频器的使用,使节电率达到50～70%,年节电810万kwh;另外,变频器的使用,不但实现了生产过程自动化,而且延长了设备了使用寿命,保证了装置安稳长满优运行,取得了较好的经济效益和社会效益。
 3.2 在石油气压缩机上的应用
 某炼油企业有2台石油气压缩机,单机额定功率75kW，一开一备运行方式，而在实际生产中，只需大约45kW的输出功率。压缩机在低于额定工况下运转，负载率较低，而且其风压与流量大小要靠手动阀来调节，操作困难，也浪费大量电能。为此，采用变频调速技术进行改造，用PLC实现自动调节和各种控制功能。系统结构图如图2所示。
 设定压缩机管网正常出口压力为P1,而现场实际测定压力为P2,根据ΔP（=P2-P1）值的大小,由PLC内的PID功能模块进行PID运算,控制变频器来改变电机转速,达到所要求的压力。当ΔP>0时,即现场压力偏高,则提高变频器的输出频率,使电机转速加快,提高实际风压;当ΔP<0时,即现场压力偏低,则使转速降低,ΔP减小。这样不断调整,使ΔP趋于0,现场实际压力在设定的压力附近波动,保证压力稳定。系统结构如图2所示。
运行实践证明,该方案稳定可靠,经济效果明显。
 3.3 变频器在石化企业中的应用效果
 长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵使用变频器后，输出功率由18.6kw降至7.2kw，节电61.3％，更为主要的是减少了因经常换电刷而带来的维修上和停产;九江炼油厂生活水泵供水系统中，水泵电机110kw，不同时间负载变化较大，在负载较低时管网压差较大，选用变频器组成恒压供水系统，平均节电36％;茂名炼油厂将变频器大量的应用到生产过程中，减少因开启阀门而带来的麻烦，流量准确，减轻了工人的劳动强度，节约了大量电能。如糖醛生产线原有12台泵，每天耗电8000kwh,把其中9台采用变频调速后，耗电只有4000kwh。
 3.4 炼油装置应用变频装置应该注意的问题
 变频技术在炼油装置中得到了越来越广泛的应用。目前,全国各炼油厂或多或少都在应用,并取得了良好的节能效果及经济效益。但是,因原设计的炼油装置在设计上未考虑过变频器的使用。因此,并非所有部位都适合使用变频器。首先要考虑的是经济效益。因此,对应用变频技术的部位,各工艺条件的改变经充分论证是可行的,即变频后各工艺参数能满足工艺需要，尤其要重视经济分析。
 就一般而言，原装置设计的机泵选型都留有较大的裕量,一般都大于10%,电机功率选用过于保守。此外,实际生产中随着加工量、物料性质的变化,也存在实际功率的变化,造成电机能量白白浪费;管路阀门及控制阀组调节阀的节流、冷却器的冷后温度过低等都会浪费能量。经可行性分析,若条件成熟都可考虑应用变频技术。
 但是,目前国内的变频器技术相对而言还不很成熟,而国外的变频器价格较高,并且随着功率增大价格也越高。几个较好的品牌有:富士、、三垦、西门子等。此外,加上相应的配套工程费用,并非在所有部位采用变频器技术都能取得好的效益。如果在短期内不能回收投资,那么应用变频器技术就不合算。炼油厂是以三年回收期来确定是否应用,已经应用的回收期基本在1～2年。正因为如此,选用大功率机泵、过剩功率大的机泵,回收期就短,而小功率机泵、过剩功率小的机泵就没有意义，对具体情况要具体分析。
 变频器的功率选择问题，变频器的价格随着功率增大而增高,价差较大,并且变频器的功率分规格档次。为了节约资金,应考虑按估算的功率进行选择变频器,这就要求估算与实际使用变频器要非常吻合,也就是对变频后各工艺参数的估计要准确。
 4 结束语

 变频调速这一技术正越来越广泛的深入到各行各业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势，必将成为电力拖动的**设备。应用变频调速技术也是企业改造挖潜、增加企业效益的一条有效途径。尤其是在石油及化工中高能耗、低产出的设备较多，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要

功能指令又称**指令，CPM1A系列PLC提供的功能指令主要用来实现程序控制，数据处理和算术运算等。这类指令在简易编程器上一般没有对应的指令键，只是为每个指令规定了一个功能代码，用两位数字表示。在输入这类指令时先按下“FUN”键，再按下相应的代码。下面将介绍部分常用的功能指令。
1．空操作指令NOP（0 0）
本指令不作任何的逻辑操作，故称空操作，也不使用继电器，无须操作数。该指令应用在程序中留出一个，以便调试程序时插入指令，还可用于微调扫描时间。
2．结束指令END（01）
本指令单独使用，无须操作数，是程序的最后一条指令，表示程序到此结束。PLC在执行用户程序时，当执行到END指令时就停止执行程序阶段，转入执行输出刷新阶段。如果程序中遗漏END指令，编程器执行时则会显示出错信号：“NO END INSET”：当加上END指令后，PLC才能正常运行。本指令也可用来分段调试程序。
3．互锁指令IL（02）和互锁指令ILC（0 3）
这两条指令不带操作数，IL指令为互锁条件，形成分支电路，即新母线以便与LD指令连用，表示互锁程序段的开始；ILC指令表示互锁程序段结束。
互锁指令IL和互锁指令ILC用来在梯形图的分支处形成新的母线，使某一部分梯形图受到某些条件的控制。IL和ILC指令应当成对配合使用，否则出错。IL/ILC指令的功能是：如果控制IL的条件成立（即ON），则执行互锁指令。若控制IL的条件不成立（即OFF），则IL与ILC之间的互锁程序段不执行，即位于IL/ILC之间的所有继电器均为OFF，此时所有定时器将复位，但所有的计数器，移位寄存器及保持继电器均保持当前值。
4．跳转开始指令JMP（0 4）和跳转结束指令JME（0 5）
这两条指令不带操作数，JMP指令表示程序转移的开始，JME指令表示程序转移的结束。
JMP/JME指令组用于控制程序分支。当JMP条件为OFF时，程序转去执行JME后面的**条指令；当JMP的条件为ON，则整个梯形图按顺序执行，如同JMP/JME指令不存在一样。
     在使用JMP/JME指令时要注意，若JMP的条件为OFF，则JMP/JME之间的继电器状态为：输出继电器保持目前状态；定时器/计数器及移位寄存器均保持当前值。另外JMP/JME指令应配对使用，否则PLC显示出错。
5．逐位移位指令 SFT（10）
又称移位寄存器指令，本指令带两个操作数，以通道为单位，**个操作数为首通道号D1，*二个操作数为末通道号D2。所使用的继电器有：000CH~019CH, 200CH~252CH, HR00~HR19。其功能相当于一个串行输入移位寄存器。
移位寄存器有数据输入端（IN）、移位时钟端（CP）及复位端（R），必须按照输入（IN）、时钟（CP）、复位（R）和SFT指令的顺序进行编程。当移位时钟由OFF→ON时，将（D1~D2）通道的内容，按照从低位到高位的顺序移动一位，较高位溢出丢失，较低位由输入数据填充。当复位端输入ON时，参与移位的所有通道数据均复位，即都为OFF。
如果需要多于16位的数据进行移位，可以将几个通道级连起来。
移位指令在使用时须注意：起始通道和结束通道，必须在同一种继电器中且起始通道号≤结束通道号。
6．锁存指令KEEP（11）
本指令使用的操作数有：01000~01915、20000~25515、HR0000~HR1915，其功能相当于锁存器，当置位端（S端）条件为ON时，KEEP继电器一直保持ON状态，即使S端条件变为OFF，KEEP继电器也还保持ON，，直到复位端（R端）条件为ON时，才使之变OFF ，KEEP 指令主要用于线圈的保持，即继电器的自锁电路可用KEEP指令实现。若SET端和RES端同时为ON，则KEEP继电器**变为OFF。锁存继电器指令编写必须按置位行（S端），复位行（R端）和KEEP继电器的顺序来编写。
7．*微分脉冲指令DIFU（13）和后沿微分脉冲指令DIFD（14）
本指令使用操作数有：01000~01915、20000~25515、HR0000~HR1915，DIFU的功能是在输入脉冲的前（上升）沿使*的继电器接通一个扫描周期之后释放，而DIFD的功能是在输入脉冲的后（下降）沿使*的继电器接通一个扫描周期之后释放。
8．快速定时器指令 TIMH（15）
本指令操作数占二行，一行为定时器号000~127（不得与TIM或CNT重复使用同号），另一行为设定时间。设定的定时时间，可以是常数，也可以由通道000CH~019CH，20000CH~25515CH，HR0000~HR1915中的内容决定，但必须为四位BCD码。其功能与基本指令中的普通定时器作用相似，一区别是TIMH定时精度为0. 01s，定时范围为0~99.99s。
9．通道移位指令WSFT（16）
又称字移位指令，本指令是以字（通道）为单位的串行移位。操作数为首通道号D1，末通道号D2。可取000CH~019CH, 200CH~252CH, HR00~HR19。通道移位指令执行时，当移位条件为ON，WSFT从首通道向末通道依此移动一个字，原首通道16位内容全部复位，原末通道中的16位内容全部移出丢失。
WSFT指令在使用时须注意：首通道和末通道必须是同一类型的继电器；首通道号≤末通道号。
当移位条件为ON时，CPU每扫描一次程序就执行一次WSFT指令。如只要程序执行一次，则应该用微分指令。
10．可逆计数器指令 CNTR（12）
本指令的功能是对外部信号进行加1或减1的环形计数。带两个操作数：计数器号000~127，设定值范围0000~9999，设定值可以用常数，也可以用通道号，用通道号时，设定值为通道中的内容。
11．比较指令CMP（20）
本指令的功能是将S（源通道）中的内容与D（目标通道）的内容进行比较，其比较结果送到PLC的内部**继电器25505、05506、25507中进行处理后输出，输出状态见表4-9。
表4-9  比较输出**继电器状态表
SMR
25505
25506
25507
S>D
ON
OFF
OFF
S=D
OFF
ON
OFF
S,D
OFF
OFF
ON
比较指令CMP用于将通道数据S与另一通道数据D中的十六进制数或四位常数进行比较，S和D中至少有一个是通道数据。
12．数据传送指令 MOV（21）和数据求反传送指令MOVN（22）
这两条指令都是用于数据的传送。当MOV的状态为0N时，执行MOV指令，在每个扫描周期中把S中的源数据传送到目标D所*的通道中去。当MOV的状态为0FF时，执行MOVN指令，在每个扫描周期中把S中的源数据求反后传送到目标D所*的通道中去。执行传送指令后，如果目标通道D中的内容全为零时，则标志位25506为ON。
13．进位置位指令STC（40）和进位复位位指令CLC（41）
这两条指令的功能是将进位标志继电器25504置位（即置ON）或强制将进位标志继电器25504复位（即置OFF）。当这两条指令状态为ON时，执行指令，否则不执行。通常在执行加、减运算操作之前，先执行CLC指令来清进位位，以确保运算结果的正确。
14．加法指令ADD（30） 本指令是将两个通道的内容或一个通道的内容与一个常数相加（带进位位），再把结果送至目标通道D。操作数中被加数S1、加数S2、运算结果D的内容见表4-10。
表4-10  加法指令的操作数内容
S1/S2
000~019CH
200~231CH
HR00~HR19
TIM/CNT000~127
DM0000~1023
DM6144~6655
四位
常数
D
010~019CH
200~231CH
HR00~HR19
—
DM0000~1023
—
注：DM6144~6655不能用程序写入（只能用外围设备设定）
说明：执行加法运算前必须加一条清进位标志指令CLC（41）参加运算；被加数和加数必须是BCD数，否则25503置ON，不执行ADD指令；若相加后结果有进位，则进位标志继电器25504为ON；若和为零，则**继电器25506变为ON。
15．减法指令SUB（31）
本指令与ADD指令相似，是把两个四位BCD数作带借位减法，差值送入*通道，其操作数同ADD指令。在编写SUB指令语言时，必须*被减数，减数和差值的存放通道三个数
说明：执行减法运算前必须加一条清进位位指令CLC（41）；被减数和减数必须是BCD数，否则25503置ON，不执行SUB指令；若运算有借位，则进位标志继电器25504为ON；若运算结果为零，则**继电器25506变为ON。
以上介绍是CPM1A系列PLC一些常用的**指令，还有一些未作介绍，C200H系列PLC除了基本指令和CPM1A系列PLC相同外，很多功能指令也相同，另外又增加了一些功能指令，读者可以根据不同型号的PLC按其使用功能的不同参阅使用手册加以学习和掌握。

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