海上智能電潛泵專用變頻控制系統研究

李占彪 李志鵬 苗杰

摘 要：針對現有的潛油電泵變頻控制系統進行技術升級，實現變頻控制系統的電潛泵專用化、智能化。根據油層壓力、井況參數的改變，油井工作狀態會發生相應的改變，這就要求采用潛油電泵的機采井的運行參數作相應的調整，以適應油井的變化，使油井生產處于最佳的工作狀態。主要升級技術為：井下壓力反饋智能控制技術。

關鍵詞：變頻系統;潛油電泵;智能控制;壓力反饋

1 概述

海上平臺控制潛油電泵所采用的工頻控制柜，近年來的發展趨勢為單一功能拓展為多功能。潛油電泵采油的生產形式在變頻控制系統的控制下，具有以下幾條明顯的優點：（1）可以節省整個平臺上與潛油電泵驅動控制相關的能耗;（2）可以最大限度的保證油井的出油率及產量;（3）提高電潛泵機組的可監控性及其平均使用壽命。變頻器除了在海上平臺使用外，在其余的工業生產、變頻調速控制方面也有相關的應用，故海上平臺變頻器對于海上平臺的采油工況并沒有相關的定制化程序及功能，專用性專業性較差。而目前我們通過對油井壓力計反饋技術的研究，通過對變頻器技術升級，使其功能專業化、智能化，提高潛油電泵的生產效率，從而提高整個平臺的產量。

2 智能控制系統簡介

把一個系統的正向通路及反饋通路進行串聯，使其一向的輸入成為另一向的輸出，則可以實現系統的智能控制，我們也稱具有該特征的系統為反饋控制系統。

以反饋原理為理論依據的系統，我們稱之為智能控制系統，即實時或定時根據系統輸出端得到的變化數據作為信息，來實現對整個系統的控制，通過比對整個系統的輸出與我們對系統輸出期望值之間的偏差，并且通過一系列的措施消除該偏差，以期獲得預期的系統性能。在智能控制系統中，信號通路一般有兩條，即：（1）前向信號通路為輸入端至輸出端;（2）信號反饋通路為輸出端至輸入端，其兩者相輔相成，組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統也叫做閉環控制系統，而我們在工業中經常使用的自動控制系統，其系統結構及數據處理方式也為該模式。

能使輸出值與期望值保持一致的反饋控制系統，我們稱為自動調節系統，能精確跟隨指定過程或復現指定過程的反饋控制系統，我們稱之為伺服控制系統。

左側圖標表示將輸入值與輸出值的差值，通過偏差信號表現出來，該圖標表示比較環節，在工程應用中，我們經常把比較環節同控制器一起作為系統內的調節器。海上平臺的采油作業中，現場的井下壓力由井下壓力計或泵工況設備測量，井下壓力與給定壓力相比較，兩者的差值電經過功率放大后用來驅動變頻器進行頻率調節控制，最終達到穩定的運行頻率。

閉環控制系統同常規系統（指開環系統）比，存在一系列的優點。由于整個系統收到外部因素影響時，或系統內部出現不穩定因素時，導致輸出量偏移設定的期望值，整個系統的相關組成部分會相互作用，采取措施，消去偏差量。所以，同開環控制系統比，閉環控制系統可以降低外部干擾的影響，部分元件發生變化，對整個系統的影響不大，改善整個系統的響應特性。

3 壓力反饋智能控制系統設計舉例

3.1 設計目的

利用油井布置壓力計，來采集潛油電泵工作時的相關數據，控制變頻器的運行頻率;通過改變變頻器的運行頻率，使得油井內的壓力按照甲方的要求在規定范圍內波動，實現井上井下一體化的閉環智能控制。

3.2 硬件及軟件組成

變頻器（ATV柜式裝置，帶有CI編程卡）、井下測試數據采集模塊、數據轉換模塊、CoDeSys編程軟件。

3.3 詳細設計方案

給定變頻器一個壓力值，通過把接收的實際測量的壓力值與變頻器給定壓力值進行比對，接收的實際測量的壓力值高于該給定值時，變頻器會根據比對的結果自動提升頻率，并且差值越大，變頻器頻率上升越快，反之亦然，當實際測量的壓力值與變頻器給定壓力值一致時，變頻器頻率停止變化，并穩定在該頻率運行。

設計方案：利用變頻器編程卡的程序設計實現閉環控制。ATV變頻器模塊上的編程卡又被稱為“Controller Inside”（CI）卡，是一個將可編程控制器嵌入變頻器的選件。通過利用CoDeSys編程軟件進行程序設計并下裝到CI卡中，實現對變頻器的功能控制。

CoDeSys 支持完整版本的IEC61131標準的編程環境和六種編程語言可編程超過150家OEM生產的自動裝置。CoDeSys提供了許多組合產品的擴充，諸如各種不同領域的總線配置程序、完全的目測化和運動控制系統。除了支持PLC編程，還支持總線接口、驅動設備（特別是伺服，數控）、顯示設備、IO設備等的編程。在實際設計中，壓力測試模塊通過Modbus協議與變頻器進行數據通訊，變頻器將所收到的數據寫入CI卡，通過已下裝的CoDeSys控制程序實現閉環控制功能，此種方案可以接收和顯示更多的測試數據并可利用觸摸屏進

行數據顯示和參數設置。而且頻率控制曲線可以通過程序設計任意設置。如圖3壓力與頻率變化曲線。

4 結論

經過對現有變頻控制系統的技術升級，實現變頻控制系統的電潛泵專用化、智能化。壓力反饋閉環控制技術實現了油井生產可根據井下情況的自動調產，使油井生產（地層供液和電泵排液）處于合理的平衡狀態的油井生產智能控制系統，從而可實現提高生產效率和采收率，延長電機使用壽命，減輕平臺操作人員的勞動強度，滿足油井高效生產要求。通過專業化設計升級，使整個系統成為海上機械采油設備的智能專用變頻控制系統。

參考文獻：

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作者簡介：李占彪（1983-），男，河北滄州人，本科，工程師，從事電氣自動化及通信技術。