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PLC在智能塔架式抽油机上的应用研究
来源:互联网 qikanw | 李成群1 孙超1 张习加1 白仲颖2
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 塔架式抽油机,PLC,调速电机,人机界面
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘 要:本文介绍了智能塔架式抽油机的组成及工作原理,详细阐述了PLC控制塔架式抽油机的原理和以PLC为核心控制系统的硬件配置和软件设计。

  关键字:塔架式抽油机,PLC,调速电机,人机界面

  Abstract: This article describes the composition and working principle of the intelligent tower oil pumping unit, elaborates the principle how PLC controls the tower oil pumping unit, and the hardware configuration and the software with PLC as the core.

  Key words: oil pumping unit; PLC; speed regulating motor;Human-computer interface 引言 抽油机是油田开采石油的主要设备之一,已经有近百年的历史,开发类型比较多。国内传统的游梁式抽油机运行效率低,电量消耗严重,所消耗的电费占采油成本费用很大的比重,我国每年机械采油耗电量达42亿kW·h,约占油田总用电量的40%[1,2]。随着油田井下油液深度的加深和油液粘稠度的增加,油田对抽油机提出更高的要求,提出抽油机具有长冲程、低冲次、智能、节能等功能。因此,研制运行效率高、节能并能降低采油成本的新型抽油机势在必行[3]。智能塔架式抽油机改变了常规游梁式抽油机用四连杆机构的原理,采用智能控制调速电机正反转来实现抽油杆的直线往复运动。由于该机应用了调速电机[4]和数控技术,可根据油井工况,随时对冲程、冲次等参数进行自动无级调整,保证低渗透油田对长冲程、低冲次的要求。

  本智能塔架式抽油机控制系统的主控单元采用西门子小型整体式S7-200系列的可编程控制器[5],用它来实现完成智能塔架式抽油机控制系统中的检测、监测、及控制等。使用西门子的TD400C作为人机交互界面(HMI),为操作人员与智能塔架式抽油机提供便利的交互平台,进行实时共享、更改PLC的数据单元。

  图1 智能塔架式抽油机

  1.采油器 2.光杆 3.井口胶带 4.减速机

  5.电机 6.配重胶带 7.机架 8.配重箱

  图2 智能塔架式抽油机结构原理图 智能塔架式抽油机组成原理 智能塔架式抽油机的实际结构,如图1所示;其结构原理图,如图2所示。

  智能塔架式抽油机的结构主要由基础部分、桁架部分、传动部分和电控部分四部分组成。

  传动部分:由调速电机、减速机构、轮组和平衡机构等组成。为了使井口胶带正对井口,所以在井口上方的平台上,设置导向轮机构,用来调整井口胶带的位置。减速机构采用四轴三级标准减速器。

  电控部分:主要由操作面板、S7-200PLC、调速电机控制器、调速电机、制动器、温控系统和报警系统等部分组成。

  抽油机控制系统通过PLC用户程序来控制调速电机的启停、点动、速度调节和自动换向等。调速电机经过减速机构和传动机构带动抽油杆上下往复运动完成液油的抽汲。主动轮上的配重胶带与抽油杆胶带形成了一个对称平衡式结构[6]。 智能塔架式抽油机的功能 智能塔架式抽油机能够实现的功能:点动运行功能;自动运行功能;抽油机运行参数调整功能;手动设置冲次功能;自动调整冲次功能;失载保护功能。

  抽油机点动运行:点动运行操作主要用于抽油机冲程冲次的确定以及手动调整。智能塔架式抽油机系统安装后,第一次运行前需要进行冲程调整,PLC模块记录上下冲程,在以后的运行中抽油机以此为依据运行。

  抽油机自动运行:系统运行后,电机动力经过减速机构、卷筒机构将电机的旋转运动转换成抽油杆胶带的上下运动,抽油杆胶带带动采油器来完成油液的抽汲。这样,抽油机就在PLC的自动运行控制状态下连续地运行。

  抽油机运行参数调整:抽油机系统运行时的调整是通过PLC用户程序自动完成的。系统调整的影响因素主要包括运行惯性、悬点载荷、位置感知、人机界面参数输入等。PLC系统接收到调整指令后即刻进行程序内部运算,然后对系统运行做出调整。

  手动设置冲次: 操作人员能够通过人机界面对抽油机系统进行程序的修改与参数设定。抽油机运行速度可由控制面板直接调节,通过调节调速电机控制电路来间接无级调整电机转速,从而实现抽油机冲次的无级调整。

  自动调整冲次:抽油机开始运行后,PLC能够根据监测每次冲程的抽油量,自动调整冲次时间,以保证每次冲程为满负荷冲程,提高抽油机的抽油效率。

  抽油机失载保护:在智能塔架式抽油机的自动运行状态下,井口胶带或者配重胶带由于某种原因突然断裂时,要能够使PLC监测到,并能够立即采取有效措施来控制系统,避免因胶带断裂而造成的危害。为了准确获得抽油杆载荷的动态变化,可以采用电流传感器、载荷传感器等。本装置采用电流传感器,电机电流的检测是最方便、最可靠、成本最低的方法[7]。工作原理为:采用电流传感器来监测电动机的三相电流,将采集到的电流信号转换成电压信号后利用运算放大器将三相信号量相加,再通过西门子模拟量输入模块EM231将信号传送给PLC,通过PLC模块中的程序来判断抽油机的载荷状况,如果监测电流小于设定值,系统立即停机刹车,保护系统。 智能塔架式抽油机控制系统原理 智能塔架式抽油机控制系统原理,如图3所示。本抽油机控制系统是以PLC为核心的控制单元,通过调速电机控制器控制调速电机,经过机械传动系统完成抽油机的抽油运动。PLC控制模块能够通过设置在抽油机塔架上的传感器等元件,根据设备工作状态自动进行参数设置。操作人员可以通过操作面板对系统进行完全控制,同时还可以通过HMI来对PLC模块程序进行参数设置与修改。智能塔架式抽油机的智能温控及故障报警系统使系统具有良好的自我保护功能。当调速电机控制器的功率器件和电机的温度超过设定温度后,系统会采取措施来控制系统温度;当系统由于某种原因出现故障时,系统自动停机刹车或失电刹车来保护系统。

  图3 智能塔架式抽油机控制系统方框图 智能塔架式抽油机控制系统的硬件配置及程序设计 (1)PLC的硬件配置

  S7-200PLC是一种属于西门子小型整体式PLC系列的可编程控制器,它适用于各领域中的检测、监测、及控制的自动化应用。它的硬件系统包括中央处理器(CPU)、存储器、输入单元和输出单元(I/O)等部件,它们都被封装在同一个机壳内,成为一个功能强大的微型控制器。本系统采用S7-200系列PLC的主控模块CPU224。CPU224有14个输入点,10个输出点。

  (2)PLC软件设计

  PLC软件主程序结构流程图,如图4所示。程序采用梯形图编制,编程软件利用西门子公司开发的专用编程和配置软件STEP7-Micro/WIN[8],它是基于Windows操作系统的编程和配置软件,支持梯形图、指令表、功能图编程方式,用户编写的程序和程序运行所需的数据以文件块的形式存储在PLC的存储器中。该软件使用梯形图或语句表达形式进行离线编程,并且在运行程序时,还可以通过在线监测功能来监视各个变量,给调试带来了极大的方便。

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