基于PLC與HM I的水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用*

呂俊燕，朱春梅

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

有桿抽油是我國(guó)主要的采油方式。但是也存在以下問題:一是效率低，稀油井大約有30%，而稠油井只有10%;二是能耗較大，導(dǎo)致油田供電緊張。所以抽油裝置的節(jié)能問題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)作為近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，以水為動(dòng)力節(jié)省了能源，并且效率高、電氣控制系統(tǒng)智能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式上實(shí)現(xiàn)了橇裝化的結(jié)構(gòu)模式，安裝、運(yùn)輸方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間體積小，外形美觀，樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)成功已經(jīng)引起了石油界的廣泛關(guān)。但由于還未大規(guī)模的使用，所以積累的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)很少，尤其是典型故障下的數(shù)據(jù)更為缺乏，因此構(gòu)建針對(duì)水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)的故障模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尤為重要。

PLC在我國(guó)應(yīng)用比較廣泛，在冶金、化工、機(jī)械等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子S7系列的PLC速度快、體積小，而且具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。因此選擇西門子PLC作為上位機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行通信。

1 工作原理

水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)采用水作為動(dòng)力液，整體系統(tǒng)由地面動(dòng)力站、動(dòng)力傳送部分(動(dòng)力控制閥和管路)、井下液力抽油系統(tǒng)等三部分組成(見圖1)。

圖1 水基動(dòng)力無桿抽油系統(tǒng)工作原理

首先地面動(dòng)力站利用液壓泵將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，然后通過動(dòng)力傳輸部分傳至井下，并借助于井下液力抽油系統(tǒng)把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)抽油泵的運(yùn)動(dòng)。抽油泵的上行靠動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)、下行靠重力拉動(dòng)下行。地面換向技術(shù)采用的是兩位三通換向閥，它能將動(dòng)力液在密閉和開式方式之間切換，密閉狀態(tài)時(shí)傳遞壓力能至井下，開式狀態(tài)時(shí)和大氣連通，使動(dòng)力缸在下行程時(shí)動(dòng)力液能快速返回至水。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 故障分析

抽油機(jī)的井下故障主要有動(dòng)力缸故障、抽油泵故障以及配重塊故障三種。動(dòng)力缸的主要故障有:動(dòng)力液管漏失，動(dòng)力缸卡堵;抽油泵的主要故障有:油液漏失，凡爾漏失(固定凡爾和游動(dòng)凡爾)，出油口堵塞;配重塊的主要故障有:配重塊等效重量不當(dāng)或長(zhǎng)期結(jié)蠟導(dǎo)致下行程拉力不足而造成碰泵。由上所述的井下故障如圖2所示。

圖2 故障樹

2．2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)的故障類型以及工作原理，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖如圖3所示。

此液壓原理圖的工作流程如下:啟動(dòng)液壓泵，將動(dòng)力液從動(dòng)力液箱中抽出，動(dòng)力液通過單向閥進(jìn)入先導(dǎo)型溢流閥中，再經(jīng)過二位二通電磁閥的右位，流入冷卻器、壓力繼電器、過濾器，最后流回動(dòng)力液箱。將二位二通電磁閥切換到左位，動(dòng)力液被切斷，同時(shí)將三位四通電磁閥切換到左位，此時(shí)，動(dòng)力液通過雙液控單向閥、雙單向節(jié)流閥進(jìn)入動(dòng)力油缸中，推動(dòng)動(dòng)力缸的上行。油液會(huì)通過單向閥、節(jié)流閥被從油液箱吸入抽油泵中。當(dāng)動(dòng)力油缸到達(dá)上行程后，三位四通電磁閥切換到右位，動(dòng)力液通過雙液控單向閥將右邊的單向閥打開，動(dòng)力缸中的動(dòng)力液回流，經(jīng)過先導(dǎo)型溢流閥、冷卻器、壓力繼電器、過濾器后流回動(dòng)力液箱中;抽油泵中的油液通過單向閥、單向閥、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、節(jié)流閥后流回油液箱。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在具體運(yùn)行過程中，PLC在控制動(dòng)力缸上下運(yùn)行的過程中循環(huán)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令，接收各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，PLC把每個(gè)傳感器傳送的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到PLC內(nèi)部有關(guān)的存儲(chǔ)單元。HMI人機(jī)交互界面根據(jù)程序的設(shè)置，周期性的實(shí)時(shí)采集PLC內(nèi)部存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新和顯示，同時(shí)，HMI人機(jī)界面程序能夠根據(jù)傳感器信號(hào)進(jìn)行報(bào)警處理，當(dāng)傳感器信號(hào)達(dá)到預(yù)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音。而且，HMI人機(jī)界面程序還能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行保存，并且可以通過數(shù)據(jù)線將HMI中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行更深一步的故障分析。其工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程示意圖

3．1 PLC軟件設(shè)計(jì)

該抽油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)采用PLC梯形語言編程，主要是為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力缸的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)采油，并完成各種表征工作狀態(tài)的信號(hào)的采集。

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求以及各方面的考慮，為了表達(dá)更直觀，用表1來表示程序中所用元件的設(shè)置，表2表示本系統(tǒng)的I/O地址的分配。

表1 元件設(shè)置

表2 地址分配

因?yàn)榇嗽囼?yàn)臺(tái)可以模擬很多故障，每種故障下動(dòng)力缸上下行程的時(shí)間都不一樣，所以每模擬一種故障都需要調(diào)整一下計(jì)時(shí)器的預(yù)設(shè)值，然后將重新修改的PLC程序下載到S7－200中，這樣比較繁瑣。本文的解決方法是結(jié)合HMI觸摸屏，將計(jì)時(shí)器的預(yù)設(shè)值存放在預(yù)先分配好的地址里，這樣每次就可以通過HMI觸摸屏調(diào)整上下行程的預(yù)設(shè)時(shí)間，通過HMI與PLC的通訊來改變動(dòng)力缸的上下行程時(shí)間。圖6為PLC程序中動(dòng)力缸上行時(shí)間的計(jì)時(shí)器，上行時(shí)間就存放在地址“VW720”中，圖7為可以隨時(shí)修改上下行程時(shí)間的HMI程序。

圖6 上行計(jì)時(shí)器

圖7 HMI程序

此PLC程序除需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力缸的上下運(yùn)行之外，還需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集功能，將各種傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成表征壓力、流量等的工程量。實(shí)現(xiàn)此功能的庫如圖8所示。

此庫主要實(shí)現(xiàn)的是模擬量和工程量之間的轉(zhuǎn)換，模擬量通常為現(xiàn)場(chǎng)儀表傳送的4～20 mA的信號(hào)。工程量為畫面要顯示的值，輸入與輸出之間的換算關(guān)系為:

Ov=［Osh－Osl)*(Iv－Isl)/(Ish－Isl)］+Osl

其中:Ov:換算結(jié)果(即 Output);Iv:換算對(duì)象(即Input);Osh:換算結(jié)果的高限;Osl:換算結(jié)果的低限;Ish:換算對(duì)象的高限;Isl:換算對(duì)象的低限。

因?yàn)?A/D(模/數(shù))、D/A(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，S7－200 CPU內(nèi)部用數(shù)值表示外部的模擬量信號(hào)，兩者之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。在S7－200 CPU中，0～20 mA對(duì)應(yīng)數(shù)值范圍0－32000;對(duì)于4～20 mA的信號(hào)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)部數(shù)值為6 400～32 000。所以上述的計(jì)算公式中，Ish為32 000，Isl為6400。

圖8 Scale_I_to_R庫

3．2 HM I軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏組態(tài)軟件，是一種人機(jī)接口軟件。HMI觸摸屏具有存儲(chǔ)記憶功能，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過漢化界面向PLC發(fā)出各種控制命令，同時(shí)將PLC的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集回來，并在用戶畫面上用趨勢(shì)圖表示出來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無桿抽油機(jī)運(yùn)行過程的監(jiān)控。本系統(tǒng)中共開發(fā)了7個(gè)漢化的界面，包括登陸界面、密碼錯(cuò)誤提示框、狀態(tài)顯示界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面、產(chǎn)液流量曲線與動(dòng)力缸位移曲線顯示界面、事件記錄界面等。它們可根據(jù)控制要求方便地切換界面、查看各按鈕的狀態(tài)、各傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與曲線界面，并對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行提示。各窗口如圖9～13所示。

圖9 登陸界面

圖10 狀態(tài)顯示界面

圖11 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面

圖12 產(chǎn)液曲線顯示界面

圖13 事件記錄界面

4 應(yīng)用情況

目前，有兩臺(tái)樣機(jī)在遼河油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明:該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可靠性、穩(wěn)定性良好。通過采用液壓原理采油，避免了電能的浪費(fèi)，解決了常規(guī)游梁式抽油機(jī)用于斜井采油存在的桿管偏磨嚴(yán)重、泵效低、能耗大、檢泵周期短等問題。同時(shí)，該系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足生產(chǎn)需要，易于為用戶接受，充分顯示出了良好的市場(chǎng)前景。

5 結(jié)論

水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)將液壓技術(shù)和采油技術(shù)結(jié)合起來，以水作為動(dòng)力源，沒有抽油桿的上下運(yùn)動(dòng)，徹底消除了桿管偏磨問題。水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的研究解決了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏的問題，而PLC與HMI人機(jī)交互界面相互結(jié)合對(duì)無桿抽油機(jī)系統(tǒng)的控制，能實(shí)時(shí)顯示抽油機(jī)的工作狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。達(dá)到了提高效率、節(jié)電的目的。

［1］ 邱金金，許寶杰，朱春梅．水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)研究［J］．新技術(shù)新工藝，2012(12):104－108．

［2］ 智玉杰．一種新型液壓動(dòng)力無桿采油系統(tǒng)［J］．石油鉆采工藝，2012，34(6):117 －118．

［3］ 陜梅辰．面向水基動(dòng)力無桿抽油機(jī)的故障診斷方法研究［D］．北京:北京信息科技大學(xué)，2013．