PLC在智能塔架式抽油机上的应用.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 石 油机械 CHI NA P ETROL EUM MACHI NERY 应用技术 P L C在 智能塔架式抽油机上 的应 用 李 成群 孙 超 张 习加 白仲 颖 1 ．河北理 工大学机械 工程学 院2 ．唐 山宏冶集 团 摘要 智能塔架式抽油机 改变了常规游梁式抽油机 四连杆机构 的原理 ，采用智能控制调速 电 动机正反转来实现抽油杆 的直线往复运 动。 由于采用 了调速 电动机和数控技术 ，可根据油井工况， 随时对冲程和冲次等参数进行 自动无级调整，保证低渗透 油田对长冲程和低冲次 的要求。现场应 用表 明，在相同井况和产液量下 ，该抽油机平均每天耗 电6 0 k W h ，与常规游梁 式抽油机相比， 节能 5 0 ％以上，机械效率可达 8 0 ％ 以上，系统效率达到 5 2 ． 9 ％。 关键词 智能塔架式抽油机P L C调速 电动机数控技术 0 引 言 国内传统的游梁式抽油机运行效率低 ，电量消 耗大 ，我国每年机 械采油耗 电量 达 4 2亿 k W h ， 约 占油 田总用 电量 的 4 0 ％l 】 - 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 提出了更高的要求 ，要求抽油机具有长冲程 、低冲 次 、智能和节能等功能 。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 。 智能塔架式抽油机改变了常规游梁式抽油机四连杆 机构的原理 ，采用智能控制调速电动机正反转来实 现抽油杆的直线往复运动。由于该抽油机采用了调 速电动机 和数 控技 术 ，可 根据油 井工况 ，随 时 对冲程和冲次等参数进行 自动无级调整 ，保证低渗 透油 田对长冲程和低冲次的要求。塔架式抽油机是 无游梁式抽油机的一种 ，因其具有结构简单 、控制 方便 、耗能少和 占用空问少等优点 ，在油 田生产中 应用越来越多。 1 结构及 工作原理 1 ． 1 结 构 智能塔架式抽油机的结构原理如 图 1所示 。智 能塔架式抽油机主要 由基础部分 、桁架部分 、传动 部分和电控部分组成 。 图 1 智 能 塔 架 式 抽 油机 结 构 原理 图 1 一光杆 ；2 一井 口胶带 ；3 一导 向轮 ；4 一卷 筒 ； 5 一 减 速 器 ； 6 一 电动 机 ； 7一 机 架 ； 8 一 配重胶带 ； 9 一配重箱 ； 1 O 一 电控柜 ； 1 1 --基础 。 1 ． 1 ． 1 传动 部 分 传动部分由调速 电动机 、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，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。 1 ． 1 ． 2电控部 分 电控部 分 主要 由操作 面板 、s 72 0 0 P L C _ 5 J 、 调速电动机控制器 、调速电动机 、制动器 、温控系 基金项 目唐山市科学研究与发展计划项 目 “ 长冲程智能抽油机研究开发 ” 0 8 1 1 0 2 0 2 A一5 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 统和报警系统等部分组成。 1 ． 2 工作原 理 电动机是抽油机系统的动力源 ，它首先将电能 转换成旋转机械能 ，通过减速机构的调速 ，将低速 旋转机械能传递给卷筒 ，经卷筒转换成竖直运动方 向的机械能。竖直运动的井 口胶带带动光杆来实现 油液的抽汲 。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 。 抽油机控制系统通过 P L C用户程序来控制调 速电动机的启停 、点动 、速度调节和 自动换向等。 调速电动机经过减速机构和传动机构带动抽油杆上 下往复运动完成油液的抽汲。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 J 。 2 功能 2 ． 1 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 1 次运行前需 要进行冲程调 整 ，P L C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。 2 ． 2 抽油机 自动运行 系统运行后 ，电动机动力经过减速机构 、卷筒 机构将电动机的旋转运动转换成抽油杆胶带的上下 往复运动 ，抽油杆胶带带动抽油泵来完成油液的抽 汲 。这样 ，抽油机就在 P L C的 自动运行控制状态 下连续地运行。 2 ． 3 抽油机运行参数调整 抽油机 系统运行时 的调整是 通过 P L C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 、位置感知和人机界 面参数输入 等。P L C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 。 2 ． 4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 程序修改与参数设定。抽油机运行速度可由控制面 板调节 ，通过调节调速 电动机控制电路来 间接无级 调整电动机转速，从而实现抽油机冲次的无级调整 。 2 ． 5 自动调整冲次 抽油机开始运行后 ，P L C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 为满载荷冲程 ，提高抽油机 的抽油效率。 2 ． 6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 P L C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 电流传感器和载 荷传感器等。失载保护装置采用电流传感器 ，电动 机电流的检测是最 方便 、最可靠 和成本最低 的方 法 。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 ，再通过模 拟量输 入模 块 E M2 3 1将 信 号传 送 给 P L C，通 过 P L C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。 3 控制 系统及 原理 智能塔架式抽油机控制系统原理如图 2所示 。 该抽油机控 制系统是 以 P L C为核心 的控制单元 ， 通过调速电动机控制器控制调速 电动机 ，经过机械 传动系统完成抽油机的抽油运动 。P L C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 H MI 来对 P L C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。当调速电动机控制器的 功率器件和电动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 ；当系统因某种原 因出现 故障时，系统会 自动停机刹车或失电刹车。 S7 2 00 PLC 控制器 及扩 展 模块 调 速 电动 调 速 电动 机驱 动 机控制器 l’ l 器及调速 电动机 制 动器 及失 电制动 器 上 止点 、中点 、 下 止点行 程开 关 报警 系统 图 2 智能塔 架式抽油机控制 系统原理 图 3 ． 1 控制系统 P L C的硬件配置 s 72 0 0 P L C是 一种 属于 西 门子 小 型整 体式 P L C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 C P U 、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 s 72 0 0系列 P L C的主控模块 C P U 2 2 4 。C P U 2 2 4有 1 4个输人点 ，1 0个输 出点 。 3 ． 2 P L C软件设计 P L C软件主程序结构流程 ，如图 3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 统一 一 板一一 面 系 一 一面 一 一界 Ⅲ 竺 2 0 1 0年 第 3 8卷第6期 李成群等P L C在智能塔架式抽油机上的应用 一 6 5一 专用编程和配置软件 S T E P 7一Mi c r o ／ WI N ，它是 基于 Wi n d o w s 操作系统的编程和配置软件 ，支持梯 形图、指令表和功能图编程方式 ，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 P L C 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 ，调试方便。 图 3 P L C软件主程序 结构流程 图 3 ． 3 文本显示器、键盘和界面的设计 为了满足智能塔架式抽油机控制系统 的人机交 互要求 ，设计 了 P L C人 机界面 ，以便操作人员 对 设备进行在线调试或参数设置 。 西 门子 T D 4 0 0 C是一 种人 机 界面 ，使用 组 态 T D 4 0 0 C一组 层级 式用 户菜 单 ，使 其显 示 由 S 7 2 0 0 C P U中的特殊位功能的报警或信息 ，使操作员 或用户能够与应用程序进行交互 。使用 S T E P 7一 M i c r o ／ WI N的文本显示 向导来组态 T D 4 0 0 C，为其 创建画面和报警 。可以使用 T D 4 0 0 C键盘上的按 钮 来浏览这些画面和菜单 。文本显示 向导会创建参数 块 ，在其中存储 T D 4 0 0 C的组态 、画面和报警。s 7 2 0 0 C P U将该参数块存储在 V存储区中。在接通 电源 时 ，T D 4 0 0 C会从 S 72 0 0 C P U 中读 取 参 数 块。“ 文本显示向导 ”还可以为组态 T D 4 0 0 C设 置 密码 ，以确保未经授权的用户在 自动超时间隔内不 能访问 T D 4 0 0 C。文本显示器 的设计包括创建 面板 和组态 T D 4 0 0 C。根据系统功能 的要求 ，设计 了状 态显示 、参数设定和报警等界面。通过显示器的按 键可 以对系统的某些参数进行设定。 4 现场应用 情况 2 0 0 9年 5月 2 7 日，新疆 塔河 油 田采 油二 厂 T K 8 3 9井安装使 用 了智 能塔架式 抽油机 ，使用 至 今 ，设备运行情况 良好。经 中石油节能检测 中心 以 及使用单位的测试得到 1组数据 ，其 中主要的性能 参数为 悬点最大载荷 2 4 0 k N，冲程 1～ 7 m，最 大许可符合差 1 6 0 k N，电动机 功率 7 5 ／ 9 0 k W，功 率 因数 1 ，每 吨液 体 提 升 百米 有 功 耗 电量 0 ． 4 5 k W h ，在相同井况和产液量下 ，该抽油机平均每 天耗 电 6 0 k W h左右 ，而常规游梁式抽油机耗电 1 6 0～2 0 0 k W h ，相 比节能 5 0 ％ 以上 ；机械效率 可达 8 0 ％ 以上 ，系统效率达到 5 2 ． 9 ％ 。 智能塔 架式抽 油机在新 疆塔河 油 田、辽河油 田、冀东油 田和中石化西北油 田等装机并运行 。现 场应用情况表明 ，该智能塔架式抽油机具有原理先 进 、智能化程度高 结构简单 、操作方便 、运行稳 定可靠 、节能效果 明显 以及抗干扰能力强等特点。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 母丹 ，张奕黄 ．开关磁 阻 电动机在 抽油 机节能 改 造项 目中的应用 [ J ]．电机电器，2 0 0 8 ，2 7 1 0 3 4 3 7． 尚志会 ．塔架式数控抽油机的应用价值 [ J ]．中国 石 油企 业 ，2 0 0 9 6 1 0 81 0 9 ． 程 璐 ，冯 林 ．抽 油 机 节 能 原 理 与 系 统 设 计 [ J ]． 大电动机技术 ，2 0 0 4 2 2 9 3 1 ． 高丙坤 ，梁志武 ．油 田用 电终端 应用 开关磁 阻电动 机的研究 [ J 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