塔架式抽油機PLC控制系統設計

郭慶榮，李 全，曹 佳，胡 勇，劉建鵬，趙春喜

（1.渤海裝備新世紀機械制造公司，天津300280；2.國家油氣田井口設備質量監督檢驗中心，湖北 荊州434000；3.中國石油管道工程有限公司 天津濱海分公司 ，天津300457）①

針對油田井深的增加及高黏度稠油的開采現狀，研制了一種新型塔架式抽油機。該機型具有懸點載荷大、長沖程、低沖次及節能的特點。目前，立式抽油機大多采用電氣系統控制電機正反轉完成其換向。電氣換向方式主要有2類：①采用傳感器（接近開關）作為換向位置信號，其缺點是當改變抽油機沖程時需要停機，重新安裝傳感器的位置；②采用PLC編程對電機脈沖編碼器進行高速計數，到達計數值后進行換向，因此可以在不停機狀態下，通過更改設置而更改換向位置。通過對比分析，采用PLC編程的方式進行塔式抽油機換向，具有更加智能、方便、控制靈活等優點［1］。筆者根據塔架式抽油機的運行特點設計控制系統，采用PLC進行控制，并利用PLC高速計數器對電機轉速脈沖進行計數，實時定位抽油機的運行位置，從而實現了抽油機的自動控制，并且可以在不停機的情況下實現沖程及沖次的無極調節。該PLC定位控制系統達到了良好的使用效果。

1 塔架式抽油機基本結構及運行模式

設計的塔架式抽油機主要由內置減速器卷筒、前后傳動皮帶、前后傳動輪、開關磁阻調速電機、配重箱、位置傳感器等組成，結構如圖1所示。

圖1 塔架式抽油機結構

系統應用了開關磁阻電機，具有轉速無極可調、適用于頻繁啟停及正反轉運行和系統效率高的特點［2］。通過電控系統控制開關磁阻電機實現正反轉動，經減速器、彈性柱銷聯軸器驅動卷筒正反轉動，經卷筒纏繞或釋放傳動皮帶帶動抽油桿上下往復運動，實現抽汲原油。當電動機逆時針方向轉動時（由電動機輸出軸端看），卷筒纏繞前傳動皮帶，提升抽油桿上行，同時釋放后傳動皮帶，使配重箱下行；當電動機順時針方向轉動時，卷筒釋放前傳動皮帶，使抽油桿下行，同時纏繞后傳動皮帶，提升配重箱上行。

采用PLC編程自動控制電機換向。設計控制系統的關鍵在于實時確定抽油機懸點的位置，從而按照設計的運行模式，由所設計的PLC程序給定電機的轉速和運行方向。本控制系統采用接近開關，設定1個原點（起始點），抽油機運行到此點時，其光桿運行到最底部，即抽油機處于下沖程最低點。這樣，不論如何更改沖程值，都能保證光桿運行到底部，從而保證抽油泵柱塞始終在下死點以上往復運動。設置上、下運行極限點，用于超行程保護。

2 控制系統設計方案

2.1 控制系統結構

將配重端設計為抽油機運行行程計數端，在配重端位置上方設置接近開關作為原點，再設置上下極限位置接近開關作為超行程保護。選用SIMATIC S7－200型PLC，將接近開關信號、開關磁阻電機控制器的轉速、轉向信號接入PLC，設置PLC高速計數模式。通過SIMATIC TD200人機界面輸入沖程、沖次、電機轉速參數及報警信息顯示，通過RS485接口將人機界面與PLC、PLC與開關磁阻電機控制器連接，實現控制及運行參數（上、下沖程電機轉速，沖程，故障信息等）通訊和設置。

具體控制方式是：由原點接近開關給PLC原點位置信號，開關磁阻電機的編碼器及其控制器負責檢測電機的旋轉位移和方向，將轉速脈沖信號和轉向信號傳給PLC高速計數器進行計數，由計數值確定懸點位置，繼而控制電機的運行狀態，由電機帶動卷筒運行。控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

2.2 控制運行模式設計

控制模式由PLC程序進行設計。設置PLC高速計數器為帶外部方向控制和啟動及復位的單向增／減計數器模式，原點信號作為PLC高速計數器的復位信號，自動啟動信號作為PLC高速計數器的啟動信號。PLC程序根據設定的沖程，計算出電機減速、停止及換向時所對應的電機轉速脈沖計數值，從而控制電機的轉速及方向。抽油機啟動開始自動運行時，在原點位置由0速啟動至高速（面板設定上沖程運行速度），開始上沖程運行，離開原點的瞬間啟動PLC高速計數器，進行增計數；當計數器計數到達減速位置對應的電機轉速脈沖值時進行減速并低速運行；在低速運行時，到達停止位置時停止，并換向；再由0速啟動至高速（面板設定下沖程運行速度），同時由控制器轉向信號切換PLC高速計數器計數方向，進行減計數；計數器計數到達減速位置對應的電機轉速脈沖值時進行減速并低速運行；在低速運行時，到達原點位置時停止，并換向，PLC高速計數器復位，重新計數；系統如此往復運行。控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程

將抽油機上下往復運行過程分為8段，每段運行的行程分別記為 L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8。其中：L1為上沖程啟動加速運行階段；L2為上沖程勻速運行階段；L3為上沖程減速運行階段；L4為上沖程低速運行階段；L5為下沖程啟動加速運行階段；L6為下沖程勻速運行階段；L7為下沖程減速運行階段；L8為下沖程低速運行階段。電機轉速n與時間t的理論關系如圖4所示。

圖4 系統理想運行轉速與時間的關系

2.3 理想定位控制行程計算

設抽油機最大設計沖程S1對應的計數電機脈沖個數為M1，設最小設計沖程S2對應的計數電機脈沖個數為M2（M1和M2可通過實際測量得到），則在此范圍內任意沖程S所對應的全程計數電機脈沖個數值為

記人機界面設定的上沖程電機轉速為na（r／min），設定的下沖程電機轉速為nb（r／min），此時對應的沖次為N，卷筒內置減速器的減速比為K。考慮到因皮帶纏繞在卷筒上，當皮帶纏繞層數不同時，皮帶的線速度也有所不同。當纏繞層數為i時，記最外層皮帶與卷筒中心的距離為Ri（m），此時卷筒的線速度（單位：m／s）為

上沖程時：

下沖程時：

將抽油機上下往復運行每段運行的行程L1、L2、…、L8對應的每段運行時間記為t1、t2、…、t8；其中t1、t3、t5、t7為抽油機上、下沖程時加、減速時間，可通過PLC程序和開關磁阻電機控制器設置；L4、L8為低速緩沖運行距離，可按抽油機設計型號要求設定對應值。由抽油機運行工況可知，當抽油機運行到下沖程死點附近時，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最多（此時最外層皮帶與卷筒中心的距離記為Rmax）而最快，記為vmax；當抽油機運行到上沖程死點附近時，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最少（此時最外層皮帶與卷筒中心的距離記為Rmin）而最慢，記為vmin；記電機低速運行轉速為n0，當電機低速運行時，與配重端連接的皮帶其線速度記為v0。則有

L4為程序設計固定值。

L8為程序設計固定值。

則在抽油機運行控制過程中，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算程序，得出每段的運行距離，即可按照所設計的控制運行模式設計程序，分段控制抽油機的運行。

2.4 實際定位控制設計需注意的問題

在實際運行中，需要考慮4個問題，不斷地測試和完善硬件和程序。

1） 因皮帶纏繞層數的不確定性和纏繞有一定的橢圓度、PLC高速計數的誤差、現場負載對系統實際運行曲線的影響、系統運行時的慣性及其他誤差等，還需在實際測試中對啟動、減速、停止脈沖計數值進行修正，使系統在誤差允許范圍內運行。

2） 由于系統誤差，在運行一段時間后，系統在下沖程過程中在還沒回到原點時高速計數器就已經減計數到0，因此在PLC編程中需要加入檢測系統回到原點時的高速計數器值的對比校正功能。

3） 在程序中設置好互鎖及保護功能，防止系統因指令而錯誤動作。

4） 還需考慮到現場電磁的干擾，采取屏蔽和隔離等措施，避免造成PLC信號的誤動作。

3 控制系統特點

設計的定位控制系統僅需使用1個原點位置傳感器，利用PLC高速計數器對開關磁阻電機控制器發出的電機轉速脈沖信號進行高速計數，并由開關磁阻電機控制器發出的電機轉向信號進行增／減計數切換，降低了控制系統的成本。通過讀取PLC內高速計數器值，能夠實時讀取系統的運行狀態，從而可以很方便地通過程序設計，定位更改電機的運行狀態，滿足塔架式抽油機的運行設計要求。該控制系統無需對抽油機結構進行調整，可在不停機的情況下直接從TD200面板輸入修改的沖程、沖次（通過設定上、下沖程電機轉速修改），即可改變抽油機的運行狀態，因此極大地降低了工人的勞動強度和生產成本。經過后期控制系統開發引進載荷傳感器對抽油機懸點載荷進行間歇監測，控制程序可根據載荷情況自動調節抽油機的沖程及沖次，實現抽油機的智能化控制。

4 系統調試與運行

將編制好的程序下載到控制柜內PLC中，進行廠內調試。由開關磁阻電機、控制器、系統控制柜、接近開關、模擬塔架及負載等組成試驗平臺，在檢查硬件電路接線正確后，設置好控制器參數，在TD200人機界面輸入沖程和上、下沖程電機運行轉速，啟動自動運行開關，電機按照程序開始啟動—勻速—減速—停止—反向啟動—勻速—減速—停止，如此往復運行。廠內調試完成后，即可進行現場組裝及調試。現場調試過程中，需考慮各種可能發生的情況，對控制系統的各項功能進行測試，發現問題及時修正控制程序，最終實現所設計的各項控制和保護功能。

5 結論

1） 該控制系統結合了開關磁阻電機具有四象限運行的特點，可頻繁啟停及正反轉，沖次可無極調節，換向方便且具有節能效果。

2） 基于PLC編程，應用PLC高速計數器進行轉速脈沖計數的定位控制系統能滿足塔架式抽油機的運行控制要求，可實時給定沖程、沖次（由設定的電機轉速給定），自動更改系統的運行狀態。

3） 現場試驗表明，其控制方式簡便靈活，可靠性高，受機械條件約束少，并且可根據用戶要求進行系統擴展，較好地適應了深井、稠油井的開采。

［1］張學魯，于勝存.立式抽油機運行機理及典型結構［M］.東營：中國石油大學出版社，2011：57－63.

［2］魯曉軍，李佃貞，王學峰，等.開關磁阻調速電機在抽油機上的應用［J］.石油礦場機械，2006，35（4）：103－106

［3］SIMATIC S7－200可編程序控制器系統手冊［K］.2000.