潛油電泵專用變頻器功能模塊的開發(fā)研究

饒攀攀，孫 志，傅 鵬

（1.中國石油物資滄州有限公司，河北滄州 061000；2.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

變頻器在國內(nèi)潛油電泵市場已經(jīng)有10 多年的應(yīng)用歷史，但大多數(shù)變頻器僅局限于控制改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率、變頻調(diào)速來實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，使電泵機(jī)組在最佳工作點工作等基本功能。最近幾年客戶對潛油電泵井能夠更加智能管理監(jiān)控的要求呼聲越來越高，變頻器僅實現(xiàn)變頻調(diào)速基本功能已經(jīng)不能滿足客戶的要求。集合軟件開發(fā)、電泵現(xiàn)場應(yīng)用等工程師共同研發(fā)出潛油電泵井專用變頻器，其具有參數(shù)控制模塊、保護(hù)預(yù)警模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等五大功能模塊，并配置一套高級LCD 觸摸屏防護(hù)等級達(dá)到IP65，用戶通過HM（IHuman Machine Interface，人機(jī)接口或人機(jī)界面）面板上操作就能夠更加智能化、數(shù)字化管理潛油電泵井，下面將逐一對各個模塊進(jìn)行功能介紹。

1 參數(shù)控制模塊功能設(shè)計

本變頻器具有多達(dá)18 項參數(shù)設(shè)計功能，包含多項新開發(fā)的針對潛油電泵井井況的功能。電機(jī)頻率有兩種控制模式，分別為頻率點設(shè)定（FR SET）和模擬量跟隨模式（AN FOL）。

1.1 頻率點設(shè)定（FR SET）

頻率點設(shè)定（FR SET）即Frequency Setpoint，頻率控制模式見圖1，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 頻率點相關(guān)參數(shù)及釋義

此功能設(shè)計主要應(yīng)用于潛油電泵初開機(jī)運行時或需要小幅度調(diào)頻時。

例如：某電機(jī)初開機(jī)頻率為40 Hz，現(xiàn)要經(jīng)過2 h 頻率改為穩(wěn)定值45 Hz 運行，此操作僅使用一次。具體操作如下（圖1）。

圖1 頻率控制模式HMI

第一步：把Frequency Set 40 Hz 更改為目標(biāo)頻率45 Hz；

第二步：Running Mode 選擇 Frequency Setpoint；

第三步：Slow Acceleration change Mode 在下拉菜單中選擇Once；

第四步：Slow Acceleration Rate Frequency中寫入2.5 Hz；

第五步：Slow Accel Time 中寫入1 h，及達(dá)到目標(biāo)。

這種頻率控制模式使電機(jī)控制頻率平穩(wěn)的斜率是增長，有利于電機(jī)的穩(wěn)定，較與之前的變頻器要操作人員2 h 后通過操作更改頻率相比，有明顯優(yōu)勢。

1.2 模擬量跟隨模式（AN FOL）

模擬量跟隨模式（AN FOL）功能即當(dāng)前電機(jī)的運行頻率完全由變頻柜接入的模擬量信號的大小決定，電機(jī)輸出的頻率在最高運行頻率和最低運行頻率之間，以電流信號模擬信號，量程4～20 mA，按照0～100%的比例進(jìn)行輸出。

此功能使用戶在測試新井中能更好地通過數(shù)據(jù)的輸入采集全面的數(shù)據(jù)資料。

2 保護(hù)預(yù)警模塊功能設(shè)計

變頻器設(shè)有18 項保護(hù)功能，能夠全方位地對潛油電泵井進(jìn)行運行保護(hù)。用戶可定義全局通用和獨立設(shè)定自動重啟功能設(shè)置兩種模式。保護(hù)參數(shù)包括三大部分：①傳感器參數(shù)，包括吸入口壓力、電機(jī)溫度、排出口壓力和吸入口溫度，這些參數(shù)需要設(shè)定上限、下限值并根據(jù)上限、下限值啟動保護(hù)功能（8 個保護(hù)）；②24 V 高電位保護(hù)功能，如PSH（常閉井口高壓）/PSL（常閉井口低壓）/SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）常開（3 個保護(hù)）；③變頻器運行參數(shù)保護(hù)，如過載、欠載、過壓、欠壓、電壓不平衡度、環(huán)境溫度過高、電抗器溫度過高（7 個保護(hù)）等（其與吸入口壓力下限報警類似，在此不做介紹）。

傳感器參數(shù)的這4 個參數(shù)需要設(shè)定上限、下限值等。以吸入口壓力值（Low Intake Press）為例，保護(hù)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 吸入口壓力下限相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

3 數(shù)據(jù)存儲模塊功能設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲模塊能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)閉歷史記錄存儲、事件歷史記錄存儲和實時運行數(shù)據(jù)記錄3 種形式的數(shù)據(jù)記錄，為潛油電泵的運行分析提供第一手的數(shù)據(jù)資料。

3.1 實現(xiàn)關(guān)閉歷史記錄

HMI 至少可以顯示最近99 項關(guān)閉記錄，通過點擊一項關(guān)閉記錄還能查詢詳細(xì)的關(guān)機(jī)信息，如關(guān)機(jī)原因、關(guān)機(jī)時間、觸發(fā)此次關(guān)機(jī)的相關(guān)參數(shù)（電流、電壓值）等。

3.2 實現(xiàn)事件歷史記錄

在HMI 上顯示開機(jī)以來的最少254 項參數(shù)調(diào)整事件，點擊進(jìn)入任一項事件能夠顯示詳細(xì)信息，如更改頻率時間、需要顯示更改頻率時間、頻率更改前值、頻率更改后值等。

3.3 實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)記錄

運行記錄數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行設(shè)置，從PLC 中各項參數(shù)中能夠選取所記錄的參數(shù)。進(jìn)行變頻器設(shè)置時默認(rèn)必有的記錄參數(shù)有：吸入口壓力，吸入口溫度，電機(jī)溫度，排出口壓力，變頻器A 相輸出電流，變頻器B 相輸出電流，變頻器C 相輸出電流，變頻器三相平均輸出電流，電機(jī)側(cè)電流，變頻器A 相輸入電壓，變頻器B相輸入電壓，變頻器C 相輸入電壓，變頻器運行頻率，傳感器X/Y軸振動，傳感器泄漏電流等。

需要注意的是：①每個需記錄參數(shù)均能夠設(shè)置多長時間記錄（讀?。┮淮?，最短時間設(shè)置為0.01 s；②讀取參數(shù)自動分析運算，在存儲設(shè)定時間內(nèi)其數(shù)值變化在±5%范圍之內(nèi)，不做單獨存儲，只記錄最后一次數(shù)據(jù)，超過±5%范圍的自動記錄變化值（實現(xiàn)記錄突發(fā)時間信息）；③記錄時顯示記錄各項參數(shù)的時間；④能夠在HMI 面板上顯示高壓側(cè)電機(jī)電流的曲線，并能夠設(shè)置時間為1 d 或7 d。

在變頻器存儲參數(shù)方面：①存儲參數(shù)可保存至U 盤或SD卡中，并能存于一個文件中，能夠用Execel 軟件或其他通用軟件打開；②變頻器運行歷史參數(shù)斷電后，自行進(jìn)入保護(hù)數(shù)據(jù)到U盤或SD 卡中，避免數(shù)據(jù)丟失；③變頻器設(shè)置強行保存功能，單需拷貝數(shù)據(jù)后直接按強行保存按鈕，實現(xiàn)以上4 種記錄數(shù)據(jù)均保存到U 盤或SD 卡中，并有提示顯示保存完成。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的功能設(shè)計

用HMI 通過Modbus 通信與PLC 相連，作為人機(jī)接口進(jìn)行交互，支持?jǐn)?shù)據(jù)保存及導(dǎo)出。PLC 通過另外一個端口變頻器和電量采集模塊通信，采集變頻器和電量采集模塊運行數(shù)據(jù)，并通過通信對變頻器進(jìn)行控制操作。變頻器通過RS-485 通信滿足兩套上位機(jī)同時遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制，通過HMI 可設(shè)置變頻柜內(nèi)的PLC 不同通信端口與SCADA 和RTU（Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端單元）系統(tǒng)的通信協(xié)議，包括通信地址、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位、波特率等，用戶通過遠(yuǎn)傳SCADA 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

數(shù)據(jù)顯示模塊可以實現(xiàn)以下三大功能：

（1）顯示變頻器的運行電流、運行電壓、輸出頻率、傳感器的吸入口壓力、排出口壓力、電機(jī)溫度等運行趨勢圖，并可以選擇顯示的參數(shù)項目。

（2）在HMI 中可以調(diào)整橫坐標(biāo)（時間）、縱坐標(biāo)（量程）的范圍。

（3）使現(xiàn)場工程師直觀地了解某一時段電泵主要運行參數(shù)的變化情況，從而能對電泵運行狀態(tài)進(jìn)行更好的分析（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)顯示界面

5 推廣應(yīng)用前景

為潛油電泵量身定做的變頻器，具有根據(jù)井況特點研發(fā)設(shè)計的五大新增功能模塊，不僅使?jié)撚碗姳玫墓芾聿饺霐?shù)字化、智能化，更能為電泵管理人員分析新井井況特點、維護(hù)電泵井穩(wěn)定運行狀態(tài)、分析故障井躺井原因、存檔每口井歷史運行數(shù)據(jù)等提供更多的信息，使他們在中控室遠(yuǎn)傳監(jiān)控電泵井運行狀況，真正實現(xiàn)遠(yuǎn)程異地辦公。

目前國內(nèi)市場如此多功能的專為潛油電泵設(shè)計的變頻器技術(shù)尚處于空白狀態(tài)，中海油海上油田大多數(shù)采用潛油電泵井開采，新疆西北局采油二廠、塔里木油田、大港油田等地區(qū)潛油電泵均可以推廣應(yīng)用此種變頻器。而在國外的尼日爾石油市場、厄瓜多爾Andes 石油市場等，該變頻器的功能已經(jīng)能同國際石油服務(wù)大鱷斯倫貝謝、貝克休斯等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品相媲美并得到用戶的肯定，這不僅提高了我國潛油電泵專用變頻器的國際化步伐，也為企業(yè)擴(kuò)寬了國際市場。