抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)的研制

劉凱輝，張少雷，胡子斌，劉奇峰

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

隨著中國油田生產自動化程度的不斷提高，越來越多的采油設備采用了自動化控制手段，以提高生產的安全性和經濟性[1]。傳送皮帶是抽油機的一個重要組成部分，在日常生產中，抽油機因載荷大而使皮帶磨損較快，據不完全統(tǒng)計，其平均使用壽命大約只有2個月。當遇到下雨天氣時，皮帶容易打滑，使電動機產生空轉或丟轉現象，直接影響油井的采油能力，特別是深井以及石油黏度高、含蠟量高的油井尤為嚴重[2-3]。同時，由于抽油機皮帶的老化、高溫等多方面的原因，長時間運行后，皮帶會變松馳，如果不及時調節(jié)皮帶的松緊度，皮帶將加快磨損，同時也大幅地降低了抽油機的效率，對油田生產十分不利[4]。皮帶的損壞不僅影響到油井的正常生產，而且增加了操作人員的勞動強度，造成采油成本的增加，降低了油田開發(fā)的整體效益[5]。因此，抽油機皮帶張緊裝置的性能直接關系到抽油機的使用效果及皮帶的使用壽命，研發(fā)出具有優(yōu)越的控制性能、合理的技術要求的抽油機皮帶PLC張緊自動控制系統(tǒng)能夠滿足抽油機的工況需求，保證抽油機的安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)性能要求及組成

1.1 系統(tǒng)性能要求

抽油機是目前油田使用最廣泛的采油設備之一，其驅動部分多采用7.5～55 kW的三相異步電動機。抽油機的工作環(huán)境和條件十分惡劣： 要求在野外露天、嚴寒酷暑、風霜雨雪等自然環(huán)境下，除了維護、修井時間以外，全天候且無人值守工作；隨著每天數千萬次的換向，抽油機載荷不斷地大幅度正負變化，要求皮帶具有高度的可靠性等[6]。皮帶張緊裝置主要作用是為抽油機的正常運行提供必要的張力，屬于抽油機的關鍵部件之一。抽油機皮帶常因負荷或自然條件的變化，經常出現過緊或過松的現象，從而增大了皮帶的磨損率，影響了抽油機的生產能力。根據抽油機的運行特點和油井生產工藝要求，本文采用PLC開發(fā)了抽油機皮帶張緊自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能自動控制，也能手動控制。

1.2 系統(tǒng)組成

PLC可實現邏輯運算、順序運算、算術運算、計時及計數等功能，并利用信號的輸入和輸出實現對設備的控制，具有可靠性高、編程簡單、功能完善、操作簡單及價格低廉的特點[7-9]。

該系統(tǒng)包括： 觸摸屏，PLC，變頻器，底座電機，抽油機電機底座，轉矩和功率的反饋信號。由PLC控制變頻器，變頻器驅動底座電機，由底座電機帶動抽油機電機底座前進或后退，從而拉緊或放松抽油機皮帶，變頻器的轉矩和功率的反饋信號輸入PLC，觸摸屏對PLC在線監(jiān)控和設置參數，實現抽油機皮帶張緊度的自動調整。抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)組成示意

2 工作原理及控制方式

2.1 工作原理

變頻器采用無反饋編碼器的矢量控制，通過觸摸屏預先設定轉矩值、正負范圍、定時時間等[10]。在系統(tǒng)啟動后，先處于手動狀態(tài)，按下手動拉緊按鈕，PLC輸出拉緊信號，通過變頻器帶動底座電機正向旋轉，逐漸將抽油機皮帶拉緊。當抽油機皮帶張緊度達到預先設定的轉矩值時，底座電機停止拉緊，然后使系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，此后系統(tǒng)始終處于自動控制狀態(tài)，周期性檢測變頻器反饋的輸出轉矩值，并隨檢測值的變化自動調節(jié)底座的前后運動，控制抽油機皮帶張緊度，保證抽油機的安全穩(wěn)定運行。抽油機皮帶張緊PLC控制流程如圖2所示。

圖2 抽油機皮帶張緊PLC自動控制流程示意

2.2 控制方式

在自動控制方式下，根據皮帶的張緊度設定一個變頻器轉矩輸出值，并分別在設定轉矩值的基礎上確定正負范圍，即上限值和下限值。PLC直接接收變頻器轉矩輸出信號，當轉矩輸出信號小于下限值時，系統(tǒng)發(fā)出正轉信號來拉緊皮帶，直到轉矩輸出信號等于設定值，定時等待下一次的運轉檢測；當轉矩輸出信號大于上限值時，系統(tǒng)應發(fā)出反轉信號來放松皮帶，直到當轉矩輸出信號達到設定值時，變頻器停止運行；當轉矩輸出信號在設定轉矩值的正負范圍內時，變頻器停止運行定時等待下一次的運轉，使得皮帶的張力始終保持一個合適的范圍。當現場需要微調或更換皮帶時，可以通過手動方式來控制底座電機來拉緊或放松皮帶，控制方式及信號流程如圖3所示。

圖3 控制方式及信號流程示意

觸摸屏能夠顯示系統(tǒng)狀態(tài)、變頻器輸出狀態(tài)、實時轉矩曲線、轉矩設定、報警故障輸出和屏幕手動自動轉換及高級參數設置，通過RS-485與PLC進行通信。

3 應用狀況

該系統(tǒng)在某采油一廠5號井12型游梁式抽油機上試用后效果良好，大幅降低了抽油機運行過程中對皮帶的沖擊，未出現過因張緊力過大或者過小引起的設備故障和損壞，不僅節(jié)約了成本，提高了運行效率，還確保了設備安全生產。變頻器轉矩和系統(tǒng)實驗數據見表1所列。

表1 變頻器轉矩和系統(tǒng)試驗數據

4 結 論

抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)性能特點如下：

1)實現抽油機皮帶自動張緊。周期性監(jiān)控抽油機皮帶的張緊度，周期時間可以根據實際需要進行設定，并使抽油機皮帶張緊度維持在設定值合理范圍內。當抽油機在運行時可進行手動或自動調整，皮帶自動張緊裝置在不停車的情況下手動或自動張緊，保證生產的連續(xù)性，提高生產效率。

2)分階段控制。將抽油機啟動和運行對張緊度的要求分開控制，當抽油機啟動時，將皮帶張緊度預先增加到設定值的1.2～1.5倍，增加皮帶與減速機皮帶輪之間的靜摩擦力，避免抽油機在重載啟動時打滑磨損皮帶，皮帶在抽油機正常運行后，將張緊度再降為原來的設定值。

3)皮帶張力調節(jié)反應快速。該系統(tǒng)采用PLC、變頻器做為關鍵調節(jié)設備，當皮帶延伸或收縮時，PLC根據作用在底座電機上轉矩值變化值的大小，在一個掃描周期內控制變頻器拉緊或放松皮帶，從而快速調節(jié)底座電機轉矩，使其維持在設定轉矩范圍內。

5 結束語

通過對抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)研究和試驗，在抽油機上應用PLC自動拉緊裝置，可實現皮帶張緊度的自動調節(jié)，降低了對皮帶的沖擊力，延長了皮帶和抽油機的使用壽命，在很大程度上為抽油機的安全運行提供了保障，滿足抽油機的工況要求，保證抽油機的安全穩(wěn)定運行。