基于PLC的長沖程液壓平衡抽油機變頻控制系統

趙現暉

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

目前，變頻調速技術已經發展得十分成熟完善，包括標量控制的變頻變壓系統(VVVF)和矢量控制的單閉環轉差頻率控制、雙閉環矢量控制(VC)、直接轉矩控制(DTC)4種基本控制方法[1～3]。利用變頻調速技術可以實現電機的無級變速，進而實現抽油機的沖次和沖程可調[4]。

為了更好地開采低產深井和稠油熱采井，適應工況條件，設計一種新型無游梁長沖程液壓平衡抽油機，并基于PLC設計其變頻控制系統。

無游梁長沖程液壓平衡抽油機利用PLC和變頻器由柔性抽油桿帶動井下泵體的往復運動，上沖程時電機的動力經減速器傳給卷筒，同時與卷筒同軸的液壓馬達正轉，液壓缸內配重塊和活塞下行釋放重力勢能，液壓馬達的正轉協同電機驅動卷筒提升懸點載荷；下沖程時電機換向反轉，馬達也反轉，電機將其大部分能量通過液壓馬達傳遞給液壓缸內的活塞和配重塊，活塞和配重塊上行儲存能量。利用液壓馬達可換向實現能量的儲存與釋放，達到平衡懸點載荷的目的，簡化了抽油機結構，節約了系統總能耗(節約能耗20%～30%)，其機械性能良好，具有良好的適應性。

長沖程液壓抽油機的機械部分(圖1)主要包括井上部分(卷筒、井口支架、液壓缸、液壓馬達、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 長沖程液壓抽油機的整體機械結構

2 系統控制方案

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

控制系統由四大模塊組成：PLC控制模塊、變頻器與能耗制動模塊、人機接口模塊和溫度控制模塊[5]。PLC控制模塊按照設定的參數，計算每個時刻相應的加速度、速度和位置，并控制變頻器的頻率變化和運轉方向，使電動機按設定轉速曲線運轉(圖2)。

圖2 電動機轉速曲線

由圖2可以看出，在泵體上下運動周期T內，電機轉子轉動是按相同運動的模式運轉，即一個加速運動→勻速運動→減速運動→停止→反向重復的過程。抽油機上沖程運動時，電機正轉其直線加速時間為t1；隨后進入勻速運轉狀態，運轉時間t2，懸點載荷上升且不斷減少；當運行到最高點時開始制動減速，電機直線減速時間t1。抽油機下沖程運動時，電機反轉其直線加速時間設定為t3；而后進入勻速運動狀態，運轉時間為t4，t3是電機制動時間，當抽油泵浸沒在動液面以下一定深度時開始制動減速。

2.1 電機控制原理

利用傳感器采集抽油機的上下沖程中的工作參數，通過通信模塊傳輸到PLC并由PLC發送指令改變變頻器輸出頻率、控制電機的轉子正反轉和加減速。PLC控制程序中設有行程開關，安裝在換向點處，當抽油機上沖程運行中，提升裝置碰撞到行程開關SQ2，SQ2接通后接觸器KM2線圈通電，常開觸點馬上閉合，KM2主觸頭吸合，電機轉動方向改變，由原來的正轉變為反轉，電機開始反向加速，抽油機下行程運行，抽油桿速度越來越快，當到達接近開關A(勻速點)時，PLC的開關量輸出控制變頻器恒速運行，抽油桿勻速下行一段時間，到達接近開關B(減速點)時，變頻器的輸入DI1=0、DI2=0，處于無恒速模式；電機的加速時間在變頻器內設定2202參數為10s，抽油桿減速下行，繼續下行過程中提升裝置碰撞到行程開關SQ1，SQ1接通后線圈KM1通電，閉合常開觸點KM1，斷開常閉觸點KM1，并斷開反轉控制電路，吸合接觸器KM1主觸頭，正轉控制電路接通電機開始正向加速，加速上行到接近開關B點時，PLC的開關量輸出控制變頻器的DI1=0、DI2=1以恒速1運行，恒速1可以通過變頻器的1202參數修改。從接近開關B點，抽油桿繼續向上勻速提升，當提升到接近開關A時，PLC控制輸出使變頻器的DI1=0、DI2=0，釋放恒速模式；電機開始減速，減速運行到SQ2，重復上述過程。抽油機電機的工作原理如圖3所示。

圖3 長沖程液壓抽油機電機工作原理

2.2 懸點運動的控制

抽油機的運行可靠性、電機換向平穩性和PLC系統的控制精度直接影響其使用壽命。為達到技術要求，控制系統采用特定的參數化速度曲線來控制電機的正反轉和加減速，并且采集電機轉速信息，反饋給PLC系統，構成與設定的速度曲線比對的閉環控制系統。開關安裝和換向動作如圖4所示，考慮到液壓抽油機系統的安全平穩運行，另外安裝了兩個行程開關用于保護停車，上下行程開關在檢測到碰撞時，變頻器立即停車，液壓抽油機系統停止提升作業。

圖4 開關安裝與換向動作示意圖

3 PLC程序

PLC系統采用模塊化編寫系統程序，主要由主程序和5個子程序組成，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、預警、報警和應急時調用子程序。主程序中設有按鍵保護和延時解抱閘功能，在短時間內連續兩次按鍵，則第二次視為無效,而延時解抱功能在負載較大且頻率較小時保護懸點正常運行。

子程序包括初始化、自檢、正常運行、延時停車和故障診斷子程序[6]。故障診斷子程序中設有通信模塊，借助云端大數據，分析一段時間內的運行情況，實現整機的狀況診斷、故障預警和參數監測的智能化管理。

模塊化編寫程序，利于工況發生變化時進行修改與擴展。當油層地質條件發生變化時就要改變抽油機的沖程沖次；或者滾筒直徑變化時，只需修改相應的參數即可。

該系統在采出液為水的標準井測試結果達到了技術要求，整機效率提高20%～30%。目前，該系統已在吉林油田投入使用，應用情況表明：沖程誤差被控制在2%以內，上下沖程運行平穩，換向無沖擊，技術指標均達到要求。

4 結束語

長沖程液壓平衡抽油機的變頻控制系統以PLC為控制核心，由變頻器控制電動機按設定速度模式運轉，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運動。整機的沖程和沖次可根據實際采出液的物性特點通過人機接口調整；也可通過云端數據分析自動規劃調整運行模式，適用于稠油或聚驅油井。

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

[2] 蔡斌軍.基于模糊空間矢量調制的直接轉矩控制[J].微特電機,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控制技術的抽油機變頻調速系統設計[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變頻控制系統[J].石油機械,2007,35(7):25～28.

[6] 丁斗章.變頻調速技術與系統應用[M].北京:機械工業出版社,2005.