基于PLC的長沖程液壓平衡抽油機(jī)變頻控制系統(tǒng)

趙現(xiàn)暉

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得十分成熟完善，包括標(biāo)量控制的變頻變壓系統(tǒng)(VVVF)和矢量控制的單閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制、雙閉環(huán)矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)4種基本控制方法[1～3]。利用變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級變速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的沖次和沖程可調(diào)[4]。

為了更好地開采低產(chǎn)深井和稠油熱采井，適應(yīng)工況條件，設(shè)計(jì)一種新型無游梁長沖程液壓平衡抽油機(jī)，并基于PLC設(shè)計(jì)其變頻控制系統(tǒng)。

無游梁長沖程液壓平衡抽油機(jī)利用PLC和變頻器由柔性抽油桿帶動井下泵體的往復(fù)運(yùn)動，上沖程時(shí)電機(jī)的動力經(jīng)減速器傳給卷筒，同時(shí)與卷筒同軸的液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，液壓缸內(nèi)配重塊和活塞下行釋放重力勢能，液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)協(xié)同電機(jī)驅(qū)動卷筒提升懸點(diǎn)載荷；下沖程時(shí)電機(jī)換向反轉(zhuǎn)，馬達(dá)也反轉(zhuǎn)，電機(jī)將其大部分能量通過液壓馬達(dá)傳遞給液壓缸內(nèi)的活塞和配重塊，活塞和配重塊上行儲存能量。利用液壓馬達(dá)可換向?qū)崿F(xiàn)能量的儲存與釋放，達(dá)到平衡懸點(diǎn)載荷的目的，簡化了抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了系統(tǒng)總能耗(節(jié)約能耗20%～30%)，其機(jī)械性能良好，具有良好的適應(yīng)性。

長沖程液壓抽油機(jī)的機(jī)械部分(圖1)主要包括井上部分(卷筒、井口支架、液壓缸、液壓馬達(dá)、減速器、繩索居中器及電控柜等)和井下部分(柔性抽油桿及抽油泵等)。

圖1 長沖程液壓抽油機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)控制方案

長沖程液壓平衡抽油機(jī)通過變頻器控制電動機(jī)的加減速和正反轉(zhuǎn)，動力傳給柔性抽油桿柱做上下抽汲運(yùn)動。

控制系統(tǒng)由四大模塊組成：PLC控制模塊、變頻器與能耗制動模塊、人機(jī)接口模塊和溫度控制模塊[5]。PLC控制模塊按照設(shè)定的參數(shù)，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻相應(yīng)的加速度、速度和位置，并控制變頻器的頻率變化和運(yùn)轉(zhuǎn)方向，使電動機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速曲線運(yùn)轉(zhuǎn)(圖2)。

圖2 電動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

由圖2可以看出，在泵體上下運(yùn)動周期T內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動是按相同運(yùn)動的模式運(yùn)轉(zhuǎn)，即一個(gè)加速運(yùn)動→勻速運(yùn)動→減速運(yùn)動→停止→反向重復(fù)的過程。抽油機(jī)上沖程運(yùn)動時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)其直線加速時(shí)間為t1；隨后進(jìn)入勻速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t2，懸點(diǎn)載荷上升且不斷減少；當(dāng)運(yùn)行到最高點(diǎn)時(shí)開始制動減速，電機(jī)直線減速時(shí)間t1。抽油機(jī)下沖程運(yùn)動時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)其直線加速時(shí)間設(shè)定為t3；而后進(jìn)入勻速運(yùn)動狀態(tài)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為t4，t3是電機(jī)制動時(shí)間，當(dāng)抽油泵浸沒在動液面以下一定深度時(shí)開始制動減速。

2.1 電機(jī)控制原理

利用傳感器采集抽油機(jī)的上下沖程中的工作參數(shù)，通過通信模塊傳輸?shù)絇LC并由PLC發(fā)送指令改變變頻器輸出頻率、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)和加減速。PLC控制程序中設(shè)有行程開關(guān)，安裝在換向點(diǎn)處，當(dāng)抽油機(jī)上沖程運(yùn)行中，提升裝置碰撞到行程開關(guān)SQ2，SQ2接通后接觸器KM2線圈通電，常開觸點(diǎn)馬上閉合，KM2主觸頭吸合，電機(jī)轉(zhuǎn)動方向改變，由原來的正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，電機(jī)開始反向加速，抽油機(jī)下行程運(yùn)行，抽油桿速度越來越快，當(dāng)?shù)竭_(dá)接近開關(guān)A(勻速點(diǎn))時(shí)，PLC的開關(guān)量輸出控制變頻器恒速運(yùn)行，抽油桿勻速下行一段時(shí)間，到達(dá)接近開關(guān)B(減速點(diǎn))時(shí)，變頻器的輸入DI1=0、DI2=0，處于無恒速模式；電機(jī)的加速時(shí)間在變頻器內(nèi)設(shè)定2202參數(shù)為10s，抽油桿減速下行，繼續(xù)下行過程中提升裝置碰撞到行程開關(guān)SQ1，SQ1接通后線圈KM1通電，閉合常開觸點(diǎn)KM1，斷開常閉觸點(diǎn)KM1，并斷開反轉(zhuǎn)控制電路，吸合接觸器KM1主觸頭，正轉(zhuǎn)控制電路接通電機(jī)開始正向加速，加速上行到接近開關(guān)B點(diǎn)時(shí)，PLC的開關(guān)量輸出控制變頻器的DI1=0、DI2=1以恒速1運(yùn)行，恒速1可以通過變頻器的1202參數(shù)修改。從接近開關(guān)B點(diǎn)，抽油桿繼續(xù)向上勻速提升，當(dāng)提升到接近開關(guān)A時(shí)，PLC控制輸出使變頻器的DI1=0、DI2=0，釋放恒速模式；電機(jī)開始減速，減速運(yùn)行到SQ2，重復(fù)上述過程。抽油機(jī)電機(jī)的工作原理如圖3所示。

圖3 長沖程液壓抽油機(jī)電機(jī)工作原理

2.2 懸點(diǎn)運(yùn)動的控制

抽油機(jī)的運(yùn)行可靠性、電機(jī)換向平穩(wěn)性和PLC系統(tǒng)的控制精度直接影響其使用壽命。為達(dá)到技術(shù)要求，控制系統(tǒng)采用特定的參數(shù)化速度曲線來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速，并且采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，反饋給PLC系統(tǒng)，構(gòu)成與設(shè)定的速度曲線比對的閉環(huán)控制系統(tǒng)。開關(guān)安裝和換向動作如圖4所示，考慮到液壓抽油機(jī)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，另外安裝了兩個(gè)行程開關(guān)用于保護(hù)停車，上下行程開關(guān)在檢測到碰撞時(shí)，變頻器立即停車，液壓抽油機(jī)系統(tǒng)停止提升作業(yè)。

圖4 開關(guān)安裝與換向動作示意圖

3 PLC程序

PLC系統(tǒng)采用模塊化編寫系統(tǒng)程序，主要由主程序和5個(gè)子程序組成，主程序流程如圖5所示。

圖5 PLC主程序流程

主程序的功能有檢測、預(yù)警、報(bào)警和應(yīng)急時(shí)調(diào)用子程序。主程序中設(shè)有按鍵保護(hù)和延時(shí)解抱閘功能，在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)兩次按鍵，則第二次視為無效,而延時(shí)解抱功能在負(fù)載較大且頻率較小時(shí)保護(hù)懸點(diǎn)正常運(yùn)行。

子程序包括初始化、自檢、正常運(yùn)行、延時(shí)停車和故障診斷子程序[6]。故障診斷子程序中設(shè)有通信模塊，借助云端大數(shù)據(jù)，分析一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的狀況診斷、故障預(yù)警和參數(shù)監(jiān)測的智能化管理。

模塊化編寫程序，利于工況發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行修改與擴(kuò)展。當(dāng)油層地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)就要改變抽油機(jī)的沖程沖次；或者滾筒直徑變化時(shí)，只需修改相應(yīng)的參數(shù)即可。

該系統(tǒng)在采出液為水的標(biāo)準(zhǔn)井測試結(jié)果達(dá)到了技術(shù)要求，整機(jī)效率提高20%～30%。目前，該系統(tǒng)已在吉林油田投入使用，應(yīng)用情況表明：沖程誤差被控制在2%以內(nèi)，上下沖程運(yùn)行平穩(wěn)，換向無沖擊，技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。

4 結(jié)束語

長沖程液壓平衡抽油機(jī)的變頻控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，由變頻器控制電動機(jī)按設(shè)定速度模式運(yùn)轉(zhuǎn)，通過減速器、滾筒和柔性抽油桿傳動，使井下泵體做上下往復(fù)運(yùn)動。整機(jī)的沖程和沖次可根據(jù)實(shí)際采出液的物性特點(diǎn)通過人機(jī)接口調(diào)整；也可通過云端數(shù)據(jù)分析自動規(guī)劃調(diào)整運(yùn)行模式，適用于稠油或聚驅(qū)油井。

[1] 劉新.抽油機(jī)自動控制技術(shù)研究(沖次自動控制)[D].西安:西安石油大學(xué),2013.

[2] 蔡斌軍.基于模糊空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].微特電機(jī),2010,(10):48～50.

[3] Bounekhla M,Zaim M E,Rezzoug A.Comparative Study of Three Minimization Methods Applied to the Induction Machine Parameters Identification Using Transient Stator Current[J].Electric Power Components and Systems,2005,33(8):913～930.

[4] 魏興旺.基于PLC控制技術(shù)的抽油機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技信息,2010,(18):159～160.

[5] 林景波,葉雪榮,梁慧敏,等.基于PLC的無游梁長沖程抽油機(jī)變頻控制系統(tǒng)[J].石油機(jī)械,2007,35(7):25～28.

[6] 丁斗章.變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.