塔架式抽油機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭慶榮，李 全，曹 佳，胡 勇，劉建鵬，趙春喜

（1.渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造公司，天津300280；2.國(guó)家油氣田井口設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖北 荊州434000；3.中國(guó)石油管道工程有限公司 天津?yàn)I海分公司 ，天津300457）①

針對(duì)油田井深的增加及高黏度稠油的開采現(xiàn)狀，研制了一種新型塔架式抽油機(jī)。該機(jī)型具有懸點(diǎn)載荷大、長(zhǎng)沖程、低沖次及節(jié)能的特點(diǎn)。目前，立式抽油機(jī)大多采用電氣系統(tǒng)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)完成其換向。電氣換向方式主要有2類：①采用傳感器（接近開關(guān)）作為換向位置信號(hào)，其缺點(diǎn)是當(dāng)改變抽油機(jī)沖程時(shí)需要停機(jī)，重新安裝傳感器的位置；②采用PLC編程對(duì)電機(jī)脈沖編碼器進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，到達(dá)計(jì)數(shù)值后進(jìn)行換向，因此可以在不停機(jī)狀態(tài)下，通過更改設(shè)置而更改換向位置。通過對(duì)比分析，采用PLC編程的方式進(jìn)行塔式抽油機(jī)換向，具有更加智能、方便、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)［1］。筆者根據(jù)塔架式抽油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，采用PLC進(jìn)行控制，并利用PLC高速計(jì)數(shù)器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)定位抽油機(jī)的運(yùn)行位置，從而實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)的自動(dòng)控制，并且可以在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)沖程及沖次的無極調(diào)節(jié)。該P(yáng)LC定位控制系統(tǒng)達(dá)到了良好的使用效果。

1 塔架式抽油機(jī)基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式

設(shè)計(jì)的塔架式抽油機(jī)主要由內(nèi)置減速器卷筒、前后傳動(dòng)皮帶、前后傳動(dòng)輪、開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)、配重箱、位置傳感器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔架式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用了開關(guān)磁阻電機(jī)，具有轉(zhuǎn)速無極可調(diào)、適用于頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和系統(tǒng)效率高的特點(diǎn)［2］。通過電控系統(tǒng)控制開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器、彈性柱銷聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)卷筒正反轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)卷筒纏繞或釋放傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽汲原油。當(dāng)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（由電動(dòng)機(jī)輸出軸端看），卷筒纏繞前傳動(dòng)皮帶，提升抽油桿上行，同時(shí)釋放后傳動(dòng)皮帶，使配重箱下行；當(dāng)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，卷筒釋放前傳動(dòng)皮帶，使抽油桿下行，同時(shí)纏繞后傳動(dòng)皮帶，提升配重箱上行。

采用PLC編程自動(dòng)控制電機(jī)換向。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)確定抽油機(jī)懸點(diǎn)的位置，從而按照設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式，由所設(shè)計(jì)的PLC程序給定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行方向。本控制系統(tǒng)采用接近開關(guān)，設(shè)定1個(gè)原點(diǎn)（起始點(diǎn)），抽油機(jī)運(yùn)行到此點(diǎn)時(shí)，其光桿運(yùn)行到最底部，即抽油機(jī)處于下沖程最低點(diǎn)。這樣，不論如何更改沖程值，都能保證光桿運(yùn)行到底部，從而保證抽油泵柱塞始終在下死點(diǎn)以上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)置上、下運(yùn)行極限點(diǎn)，用于超行程保護(hù)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將配重端設(shè)計(jì)為抽油機(jī)運(yùn)行行程計(jì)數(shù)端，在配重端位置上方設(shè)置接近開關(guān)作為原點(diǎn)，再設(shè)置上下極限位置接近開關(guān)作為超行程保護(hù)。選用SIMATIC S7－200型PLC，將接近開關(guān)信號(hào)、開關(guān)磁阻電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向信號(hào)接入PLC，設(shè)置PLC高速計(jì)數(shù)模式。通過SIMATIC TD200人機(jī)界面輸入沖程、沖次、電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)及報(bào)警信息顯示，通過RS485接口將人機(jī)界面與PLC、PLC與開關(guān)磁阻電機(jī)控制器連接，實(shí)現(xiàn)控制及運(yùn)行參數(shù)（上、下沖程電機(jī)轉(zhuǎn)速，沖程，故障信息等）通訊和設(shè)置。

具體控制方式是：由原點(diǎn)接近開關(guān)給PLC原點(diǎn)位置信號(hào)，開關(guān)磁阻電機(jī)的編碼器及其控制器負(fù)責(zé)檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移和方向，將轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)傳給PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，由計(jì)數(shù)值確定懸點(diǎn)位置，繼而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，由電機(jī)帶動(dòng)卷筒運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.2 控制運(yùn)行模式設(shè)計(jì)

控制模式由PLC程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)置PLC高速計(jì)數(shù)器為帶外部方向控制和啟動(dòng)及復(fù)位的單向增／減計(jì)數(shù)器模式，原點(diǎn)信號(hào)作為PLC高速計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)作為PLC高速計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)信號(hào)。PLC程序根據(jù)設(shè)定的沖程，計(jì)算出電機(jī)減速、停止及換向時(shí)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)值，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及方向。抽油機(jī)啟動(dòng)開始自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，在原點(diǎn)位置由0速啟動(dòng)至高速（面板設(shè)定上沖程運(yùn)行速度），開始上沖程運(yùn)行，離開原點(diǎn)的瞬間啟動(dòng)PLC高速計(jì)數(shù)器，進(jìn)行增計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到達(dá)減速位置對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖值時(shí)進(jìn)行減速并低速運(yùn)行；在低速運(yùn)行時(shí)，到達(dá)停止位置時(shí)停止，并換向；再由0速啟動(dòng)至高速（面板設(shè)定下沖程運(yùn)行速度），同時(shí)由控制器轉(zhuǎn)向信號(hào)切換PLC高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)方向，進(jìn)行減計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到達(dá)減速位置對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖值時(shí)進(jìn)行減速并低速運(yùn)行；在低速運(yùn)行時(shí)，到達(dá)原點(diǎn)位置時(shí)停止，并換向，PLC高速計(jì)數(shù)器復(fù)位，重新計(jì)數(shù)；系統(tǒng)如此往復(fù)運(yùn)行?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 控制流程

將抽油機(jī)上下往復(fù)運(yùn)行過程分為8段，每段運(yùn)行的行程分別記為 L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8。其中：L1為上沖程啟動(dòng)加速運(yùn)行階段；L2為上沖程勻速運(yùn)行階段；L3為上沖程減速運(yùn)行階段；L4為上沖程低速運(yùn)行階段；L5為下沖程啟動(dòng)加速運(yùn)行階段；L6為下沖程勻速運(yùn)行階段；L7為下沖程減速運(yùn)行階段；L8為下沖程低速運(yùn)行階段。電機(jī)轉(zhuǎn)速n與時(shí)間t的理論關(guān)系如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)理想運(yùn)行轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系

2.3 理想定位控制行程計(jì)算

設(shè)抽油機(jī)最大設(shè)計(jì)沖程S1對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)電機(jī)脈沖個(gè)數(shù)為M1，設(shè)最小設(shè)計(jì)沖程S2對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)電機(jī)脈沖個(gè)數(shù)為M2（M1和M2可通過實(shí)際測(cè)量得到），則在此范圍內(nèi)任意沖程S所對(duì)應(yīng)的全程計(jì)數(shù)電機(jī)脈沖個(gè)數(shù)值為

記人機(jī)界面設(shè)定的上沖程電機(jī)轉(zhuǎn)速為na（r／min），設(shè)定的下沖程電機(jī)轉(zhuǎn)速為nb（r／min），此時(shí)對(duì)應(yīng)的沖次為N，卷筒內(nèi)置減速器的減速比為K?？紤]到因皮帶纏繞在卷筒上，當(dāng)皮帶纏繞層數(shù)不同時(shí)，皮帶的線速度也有所不同。當(dāng)纏繞層數(shù)為i時(shí)，記最外層皮帶與卷筒中心的距離為Ri（m），此時(shí)卷筒的線速度（單位：m／s）為

上沖程時(shí)：

下沖程時(shí)：

將抽油機(jī)上下往復(fù)運(yùn)行每段運(yùn)行的行程L1、L2、…、L8對(duì)應(yīng)的每段運(yùn)行時(shí)間記為t1、t2、…、t8；其中t1、t3、t5、t7為抽油機(jī)上、下沖程時(shí)加、減速時(shí)間，可通過PLC程序和開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)置；L4、L8為低速緩沖運(yùn)行距離，可按抽油機(jī)設(shè)計(jì)型號(hào)要求設(shè)定對(duì)應(yīng)值。由抽油機(jī)運(yùn)行工況可知，當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行到下沖程死點(diǎn)附近時(shí)，與配重端連接的皮帶其線速度因皮帶纏繞在卷筒上的層數(shù)最多（此時(shí)最外層皮帶與卷筒中心的距離記為Rmax）而最快，記為vmax；當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行到上沖程死點(diǎn)附近時(shí)，與配重端連接的皮帶其線速度因皮帶纏繞在卷筒上的層數(shù)最少（此時(shí)最外層皮帶與卷筒中心的距離記為Rmin）而最慢，記為vmin；記電機(jī)低速運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n0，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，與配重端連接的皮帶其線速度記為v0。則有

L4為程序設(shè)計(jì)固定值。

L8為程序設(shè)計(jì)固定值。

則在抽油機(jī)運(yùn)行控制過程中，上沖程減速位置脈沖值為

下沖程減速位置脈沖值為

在PLC中按照上述公式編寫計(jì)算程序，得出每段的運(yùn)行距離，即可按照所設(shè)計(jì)的控制運(yùn)行模式設(shè)計(jì)程序，分段控制抽油機(jī)的運(yùn)行。

2.4 實(shí)際定位控制設(shè)計(jì)需注意的問題

在實(shí)際運(yùn)行中，需要考慮4個(gè)問題，不斷地測(cè)試和完善硬件和程序。

1） 因皮帶纏繞層數(shù)的不確定性和纏繞有一定的橢圓度、PLC高速計(jì)數(shù)的誤差、現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行曲線的影響、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的慣性及其他誤差等，還需在實(shí)際測(cè)試中對(duì)啟動(dòng)、減速、停止脈沖計(jì)數(shù)值進(jìn)行修正，使系統(tǒng)在誤差允許范圍內(nèi)運(yùn)行。

2） 由于系統(tǒng)誤差，在運(yùn)行一段時(shí)間后，系統(tǒng)在下沖程過程中在還沒回到原點(diǎn)時(shí)高速計(jì)數(shù)器就已經(jīng)減計(jì)數(shù)到0，因此在PLC編程中需要加入檢測(cè)系統(tǒng)回到原點(diǎn)時(shí)的高速計(jì)數(shù)器值的對(duì)比校正功能。

3） 在程序中設(shè)置好互鎖及保護(hù)功能，防止系統(tǒng)因指令而錯(cuò)誤動(dòng)作。

4） 還需考慮到現(xiàn)場(chǎng)電磁的干擾，采取屏蔽和隔離等措施，避免造成PLC信號(hào)的誤動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)的定位控制系統(tǒng)僅需使用1個(gè)原點(diǎn)位置傳感器，利用PLC高速計(jì)數(shù)器對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)控制器發(fā)出的電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，并由開關(guān)磁阻電機(jī)控制器發(fā)出的電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)進(jìn)行增／減計(jì)數(shù)切換，降低了控制系統(tǒng)的成本。通過讀取PLC內(nèi)高速計(jì)數(shù)器值，能夠?qū)崟r(shí)讀取系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而可以很方便地通過程序設(shè)計(jì)，定位更改電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，滿足塔架式抽油機(jī)的運(yùn)行設(shè)計(jì)要求。該控制系統(tǒng)無需對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可在不停機(jī)的情況下直接從TD200面板輸入修改的沖程、沖次（通過設(shè)定上、下沖程電機(jī)轉(zhuǎn)速修改），即可改變抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，因此極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。經(jīng)過后期控制系統(tǒng)開發(fā)引進(jìn)載荷傳感器對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷進(jìn)行間歇監(jiān)測(cè)，控制程序可根據(jù)載荷情況自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程及沖次，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的智能化控制。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

將編制好的程序下載到控制柜內(nèi)PLC中，進(jìn)行廠內(nèi)調(diào)試。由開關(guān)磁阻電機(jī)、控制器、系統(tǒng)控制柜、接近開關(guān)、模擬塔架及負(fù)載等組成試驗(yàn)平臺(tái)，在檢查硬件電路接線正確后，設(shè)置好控制器參數(shù)，在TD200人機(jī)界面輸入沖程和上、下沖程電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行開關(guān)，電機(jī)按照程序開始啟動(dòng)—?jiǎng)蛩佟獪p速—停止—反向啟動(dòng)—?jiǎng)蛩佟獪p速—停止，如此往復(fù)運(yùn)行。廠內(nèi)調(diào)試完成后，即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝及調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，需考慮各種可能發(fā)生的情況，對(duì)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修正控制程序，最終實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)控制和保護(hù)功能。

5 結(jié)論

1） 該控制系統(tǒng)結(jié)合了開關(guān)磁阻電機(jī)具有四象限運(yùn)行的特點(diǎn)，可頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)，沖次可無極調(diào)節(jié)，換向方便且具有節(jié)能效果。

2） 基于PLC編程，應(yīng)用PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)的定位控制系統(tǒng)能滿足塔架式抽油機(jī)的運(yùn)行控制要求，可實(shí)時(shí)給定沖程、沖次（由設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速給定），自動(dòng)更改系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3） 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，其控制方式簡(jiǎn)便靈活，可靠性高，受機(jī)械條件約束少，并且可根據(jù)用戶要求進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，較好地適應(yīng)了深井、稠油井的開采。

［1］張學(xué)魯，于勝存.立式抽油機(jī)運(yùn)行機(jī)理及典型結(jié)構(gòu)［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2011：57－63.

［2］魯曉軍，李佃貞，王學(xué)峰，等.開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（4）：103－106

［3］SIMATIC S7－200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［K］.2000.