無游梁長沖程抽機(jī)控制系統(tǒng)

1、無游梁長沖程抽油機(jī)控制系統(tǒng)世界石油資源開發(fā)至今，機(jī)械采油方式仍占有主導(dǎo)地位，而有桿抽油機(jī)井又占機(jī)械采油 井的 90 %以上。就目前國內(nèi)油田而言 , 在機(jī)械采油井中 , 游梁抽油機(jī)仍為主要機(jī)型。它以結(jié) 構(gòu)簡單、使用維護(hù)簡便、宜于在全天候狀態(tài)下工作等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，常規(guī)游梁式 抽油機(jī)沖程短，沖次快，而且沖程不可調(diào)，載荷小，能耗大, 不能適應(yīng)油井深抽工藝的需要 , 已 成為困擾油田生產(chǎn)及增效節(jié)支的一大問題 。長沖程抽油機(jī)具有較好的抽油性能， 能提高產(chǎn)量、 降低采油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，是抽油機(jī)發(fā)展的主流和方向。無游梁長沖程抽油機(jī)介紹無游梁長沖程抽油機(jī)是一種無游梁式塔架結(jié)構(gòu)長沖程抽油機(jī)，沒

2、有游梁、不采用曲柄連 桿機(jī)構(gòu)換向 , 不采用增大沖程機(jī)構(gòu) , 利用抽油機(jī)本身的機(jī)構(gòu)特性 , 實(shí)現(xiàn)長沖程抽油和超長沖程 抽油。除了保持游梁抽油機(jī)原有的諸多優(yōu)點(diǎn)外，還具有長沖程、低沖次、節(jié)能、大載荷、適 應(yīng)性強(qiáng)、抽油桿磨損小、排量穩(wěn)定、動載荷小等特點(diǎn)。采用電動機(jī)直接驅(qū)動滾筒纏繞或放開 皮帶實(shí)現(xiàn)抽油桿的上下抽油運(yùn)動，克服了鏈條式抽油機(jī)鏈條易磨損需潤滑密封等問題，也解 決了機(jī)械換向和液壓換向抽油機(jī)換向機(jī)構(gòu)易損壞的問題，具有傳動結(jié)構(gòu)簡單，效率高，系統(tǒng) 可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。無游梁長沖程抽油機(jī)控制系統(tǒng)采用可編程控制器（ PLC）為控制核心，通過控制變頻器 實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的直接驅(qū)動方案，有效簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大

3、提高了總體效率。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)長沖程、低沖次，沖程、沖次、上下行速比可調(diào)、節(jié)能、大載荷和適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高 等特點(diǎn)。圖1 現(xiàn)場圖片 圖2 系統(tǒng)框圖1抽油桿； 2懸繩器； 3換向輪； 4傳感器； 5配重； 6電控系統(tǒng)； 7基礎(chǔ)； 8電纜；9電動機(jī)及減速機(jī)構(gòu)；模型及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)( CompactLogix )無游梁長沖程抽油機(jī)模型采用了與實(shí)際系統(tǒng)相同機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括電動機(jī)、電控剎車、滾 筒、皮帶、換向輪、零位開關(guān)、軟件及硬件行程開關(guān)，并設(shè)計(jì)了獨(dú)特的負(fù)載，利用汽缸和活 塞真實(shí)地模擬了井下的負(fù)載?？刂粕峡刹捎酶鞣N不同類型控制器，通過順序邏輯控制、計(jì)時(shí) 器、變頻器控制、模擬量輸入、輸出完成對抽油機(jī)模型

4、往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)抽油的功能。一、模型基于 CompactLogix 的抽油機(jī)模型通過如圖所示。汽缸活塞負(fù)載負(fù)載側(cè)上硬件行程開關(guān)負(fù)載側(cè)上軟 行程開關(guān) 零位開關(guān)配重導(dǎo)向鋼絲繩負(fù)載側(cè)下軟 行程開關(guān)負(fù)載側(cè)下硬 件行程開關(guān)圖 3 基于 CompactLogix 的抽油機(jī)模型實(shí)物圖片 (用新模型圖片代替 )二、抽油機(jī)電氣控制系統(tǒng)抽油機(jī)電氣控制系統(tǒng)通過變頻器控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)抽油泵的往復(fù)運(yùn)動，將液體 泵出來?？刂葡到y(tǒng)分為： CompactLogix 控制器、 PowerFlex 40 驅(qū)動器、操作按鈕 /指示燈、保護(hù)電 路、電動機(jī)、電磁剎車、編碼器（用于反饋位置和速度，可通過 1769-HSC 模塊將編碼

5、器連 接到系統(tǒng)上）。CompactLogix 控制系統(tǒng)由 1769-L32E 控制器、 1769-IQ16 開關(guān)量輸入模塊、 1769-OW8 繼電器輸出模塊、 1769-IF4 模擬量輸入模塊、 1769-OF2 模擬量輸出模塊組成。按鈕包括停止按鈕、啟動按鈕、自檢按鈕、點(diǎn)動上 （負(fù)載側(cè)）、點(diǎn)動下 （負(fù)載側(cè)）按鈕。 指示燈包括故障指示燈、運(yùn)行指示燈、自檢指示燈。硬件保護(hù)電路（上下硬件行程開關(guān)）通過在配重側(cè)安裝行程開關(guān)，如果配重超過行程范 圍則系統(tǒng)斷電，以保護(hù)機(jī)械機(jī)構(gòu)安全。2.1 控制器PLC 選用羅克韋爾自動化公司的 CompactLogix 可編程控制器，該系列控制器采用 Logix 多功

6、能控制引擎，帶浮點(diǎn)協(xié)處理器的 32 位多任務(wù)（事件任務(wù)、連續(xù)任務(wù)和周期任務(wù)）實(shí)時(shí)控 制內(nèi)核，在高速邏輯運(yùn)算以及復(fù)雜回路控制 （0.08ms/K 典型混合程序） 等方面表現(xiàn)同樣出色。IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)、符合不同應(yīng)用要求、不同用戶習(xí)慣的多種編程方式可選：梯形圖LD、功能塊圖 FBD、順控表 SFC 以及語句表 ST。（軟件開發(fā)包的價(jià)格對您也是一個(gè)另外的驚喜） 更方便地開發(fā)、閱讀和修改程序：無需分配 /記憶內(nèi)存地址（常規(guī) PLC 必須的步驟），用戶可 直接使用或自定義反映控制對象 /元件屬性的 “標(biāo)簽（ Tag）”（支持?jǐn)?shù)組和結(jié)構(gòu)體方式）進(jìn)行 編程。1769-L32E 處理器支持最大 30

7、個(gè)本地 I/O ，并且內(nèi)置支持實(shí)時(shí)控制的 100MbpsEtherNet/IP 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多處理器 /上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)以及分布式 I/O 控制。當(dāng)然，還可通過多 個(gè) DeviceNet 工業(yè)現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場設(shè)備和分布式 I/O 。NetLinx 網(wǎng)絡(luò)透明集成： 無需任何編程，用戶即可從任意一點(diǎn)接入系統(tǒng)，遠(yuǎn)程訪問、組態(tài)、診斷或維護(hù)以下任意 多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的任意設(shè)備 -國標(biāo) GB/T1858.3DeviceNet、 IEC61158ControlNet 工業(yè)現(xiàn)場總線 或者 EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)。無需任何編程，用戶即可實(shí)現(xiàn)同一工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（ ControlNet 或者 Eth

8、erNet/IP）上的處 理器“標(biāo)簽（ Tag）”被其他多個(gè) Logix 系列處理器同時(shí)共享。這一功能還可實(shí)現(xiàn)：該網(wǎng)絡(luò)上的 某一 DI/AI 站數(shù)據(jù)同時(shí)送達(dá)多個(gè) Logix 系列處理器；或者某一處理器輸出指令同步送達(dá)該網(wǎng) 絡(luò)上的多個(gè)變頻器等現(xiàn)場設(shè)備。控制器 “標(biāo)簽（ Tag）”無需重新定義（基于專利的 Factorytalk 數(shù)據(jù)集成技術(shù)），即可被 A-BPanelViewPlus 或 VersaView 現(xiàn)場操作員面板或者 RSViewSE 上位機(jī)監(jiān)控畫面直接使用， 也可被通過 RSSql 連接的工廠數(shù)據(jù)庫（如 SQLSever或者 Oracle）直接使用。1769CompactI/O ：

9、外觀小巧、高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)等級 1769CompactI/O 可直接在面板上或者在 DIN 導(dǎo)軌上并列安 裝（比傳統(tǒng) PLC 節(jié)省 20%30%的安裝空間）?？刹鹦肚敖泳€端子器隨 1769CompactI/O 模塊 配供，用戶無須另外付費(fèi)。嚴(yán)格的工業(yè)化設(shè)計(jì)保證在使用 32 點(diǎn) DI/DO 模塊時(shí)，用戶也能有 足夠的接線 / 操作空間。1769CompactI/O 可用作本地 I/O 站或者分布式 I/O 站（通過 1769-ADN 適配器模塊）： 每個(gè) I/O 站最多可達(dá) 30個(gè)模塊（最多可分為 3 組，組間通過擴(kuò)展電纜直接相連；每組需單獨(dú)配置電源）。2.2 變頻器變頻器采用羅克韋爾自動化 Powe

10、rFlex 40 驅(qū)動器，選用功率范圍從 0.37KW 到 2.2KW 240V 單相， 0.37到7.5KW 240V 和 0.37 到 11KW 400V三相。支持 V/Hz控制方式和矢量 控制方式。能承受 150%的過載能力 1分鐘， 200%的過載能力 3 秒。變頻器內(nèi)置 7個(gè)數(shù)字量輸入， 1 個(gè)數(shù)字量（繼電器）輸出 /2個(gè)數(shù)字量（光電耦合）輸出， 2 路模擬量輸入， 1 路模擬量輸出。內(nèi)置 RS 485 通訊接口，支持一帶多的網(wǎng)絡(luò)解決方案， 支持 DeviceNet、ControlNet、Profibus 和 EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)通訊。支持 Drive Explorer or

11、 Drive Executive 編程軟件（需要適配器 22-SCM-232）。內(nèi)置 PID 控制環(huán)。集成可編程操作面板和 LED 指示燈。支持標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌安裝和零間隙安裝特性。三、控制系統(tǒng)接線1769-IQ16 模塊上In0 通道上；In1 通道上；In2 通道上；1、開關(guān)量輸入信號連接各種按鈕和傳感器連接到停止按鈕常閉觸點(diǎn)連接到啟動按鈕常開觸點(diǎn)連接到自檢按鈕常開觸點(diǎn)連接到點(diǎn)動上按鈕常開觸點(diǎn)連接到 In3 通道上； 點(diǎn)動下按鈕常開觸點(diǎn)連接到 In4 通道上； 負(fù)載上行程開關(guān)常閉觸點(diǎn)連接到 In5 通道上； 負(fù)載下行程開關(guān)常閉觸點(diǎn)連接到 In6 通道上； 零位開關(guān)常閉觸點(diǎn)連接到 In7

12、通道上。2、開關(guān)量輸出信號連接指示燈、電磁剎車及變頻器通過 1769-OW8 模塊進(jìn)行控制 電磁剎車由 1769-OW8 的 Out0 控制； 故障指示燈連接到 Out1 通道上；運(yùn)行指示燈連接到 Out2 通道上；自檢指示燈連接到 Out3 通道上；變頻器正轉(zhuǎn)運(yùn)行（引腳變頻器反轉(zhuǎn)運(yùn)行（引腳變頻器點(diǎn)動正轉(zhuǎn)（引腳變頻器點(diǎn)動反轉(zhuǎn)（引腳3、模擬量輸入連接變頻器電流反饋連接到4、模擬量輸出連接變頻器頻率控制連接到 電氣接線圖如下圖所示。2）由 Out4 通道控制；3）由 Out5 通道控制；5）由 Out6 通道控制；6）由 Out7 通道控制。1769-IF4的電壓輸入 0 通道上1769-OF2

13、的電壓輸出通道 0。COMSB0 KM1URVSWTSB1S PLC-LKM2W BRKW SB2 BRKUT4UT5OMU T 6U T 7VO0O C O MI C O MVI 0PowerFlex 401 2 3 4 5 6 13 14 14 16VVUUP-Limit-SW11769-L32EV131769-PA21769-IQ161769-OW8EtherNetP P P P1/2WWWWRRRR22L-4 4 1 N +In0 In1 In2 In3 In4 In5 In6 In7 DC-COMAC/DC Out0 Out1Out2 Out3 AC/DC Out4O

14、ut5Out6 Out7Down-Limit-SW24V+24V2PLCLN停運(yùn)止行點(diǎn)動下點(diǎn)動上自檢零 位 開 關(guān)負(fù)載下行程負(fù)載上行程KM124V+RN圖4 電氣接線圖四、變頻器設(shè)置CO自KM2剎 車UUUUT T T T4567OOOO按下 ESC 鍵，進(jìn)入變頻器參數(shù)設(shè)置模式，對變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖5 變頻器設(shè)置菜單基本參數(shù)組P031Motor NP Volts 電動機(jī)額定電壓，設(shè)置為 380V；P032Motor NP Hertz 電動機(jī)額定頻率，設(shè)置為 50Hz；P033Motor OL Current 電動機(jī)過載電流，設(shè)置 0.8A；P034Minimum Freq 最小頻率，設(shè)置為

15、 0.0Hz；P035 Maximum Freq 最大頻率，設(shè)置為 50.0Hz；P036 Start Source啟動源，設(shè)置為 2-“2 線”；P037 Stop Mode停止模式，設(shè)置為 4-“ Ramp”；P038 Speed Reference速 度參考，設(shè)置為 2-“ 0-10V Input”；P039 Accel Time 1 加速時(shí)間 1，設(shè)置為 0.5S；P040 Decel Time 1減速時(shí)間 1，設(shè)置為 0.5S；P041 Reset To Defalts恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置，設(shè)置為 0-不操作；P042 Voltage Class電壓等級，設(shè)置為 2-低壓；P043 Moto

16、r OL Ret電動機(jī)過載累積，設(shè)置為 0-禁止；高級參數(shù)組A051 Digital In1 Sel ，數(shù)字量輸入 1，端子 5，設(shè)置為 11-“點(diǎn)動正轉(zhuǎn)”；A052 Digital In2 Sel ，數(shù)字量輸入 2，端子 6，設(shè)置為 12-“點(diǎn)動反轉(zhuǎn)”；A065 Analog Out Sel 模擬量輸出選擇，設(shè)置為 1-“輸出電流 0-10V”表示 0-200%額定電流； A078Jog Frequency點(diǎn)動頻率，設(shè)置為 8.0Hz；其他關(guān)于變頻器的詳細(xì)設(shè)置，請參照出版物 22b-qs001_-en-p和 22b-um001_-en-e。五、控制系統(tǒng)編程調(diào)試建立通信連接將 CompactL

17、ogix 控制器通過以太網(wǎng)接口連接到局域網(wǎng)交換機(jī)上。在 RSLinx 中添加 Ethernet 驅(qū)動程序，建立與 CompactLogix 控制器的通信圖6 添加Ethernet devices驅(qū)動程序在 Host Name 欄中輸入控制器的 IP 地址。對于未進(jìn)行 IP 地址設(shè)置的控制器，可以通過圖 8 配置 I/O 模塊BOOTP-DHCP Server 軟件對控制器 IP 地址進(jìn)行設(shè)置，連接后在控制器中的 1769-L32E Ethernet Port LocalENB 對 IP 地址進(jìn)行重新設(shè)置。當(dāng)前控制器 IP 地址設(shè)置為 1/2。新建 Compact

18、Logix 控制器項(xiàng)目 從“開始”菜單點(diǎn)擊“ Rockwell Software”，選擇“ RSLogix 5000 Enterprise Series”文件 夾中的“ RSLogix5000”，打開 RSLogix5000 編程軟件。從“ File”文件菜單中選擇“ New”新建控制器項(xiàng)目?？刂破黝愋瓦x擇 1769-L32E CompactLogix5332E Controller，選擇 Revision（版本）13，在 Name欄中輸入控制器名稱“Pump”。圖 7 新建控制器I/O 模塊配置右擊 I/O Configuration 下的 CompactBus Local，選擇 New M

19、odule ，添加輸入輸出模塊。圖 9 新建 1769-IQ16 模塊為 1769-IQ16/A 模塊輸入唯一的模塊名稱 Button_Sensor，選擇槽號 1圖 10 設(shè)置 IQ16 模塊參數(shù)圖 11 新建 1769-OW16 模塊為 1769-OW16 模塊輸入唯一的模塊名稱 DRV_BRK_INDI ，選擇槽號 2圖 12 設(shè)置 1769-OW16 模塊參數(shù)圖 13 新建 1769-IF4 模塊為 1769-IF4 模塊輸入唯一的模塊名稱 Current_Feedback，選擇槽號 3圖 14 設(shè)置 IF4 模塊參數(shù)使能通道 0，輸入范圍 0-10V，濾波器 60Hz，數(shù)據(jù)格式為 Pe

20、rcent Range。圖 15 設(shè)置 IF4 模塊通道參數(shù)圖 16 新建 1769-OF2 模塊為 1769-OF2 模塊輸入唯一的模塊名稱Frequency_Output，選擇槽號 4。圖 17 設(shè)置 1769-OF2 模塊參數(shù) 使能通道 0，輸出范圍 0-10V，數(shù)據(jù)格式 Precent Range。圖 18 設(shè)置 OF2通道 0 參數(shù)5.4 程序設(shè)計(jì) 通過逐步實(shí)現(xiàn)每個(gè)簡單功能，最終實(shí)現(xiàn)完整的抽油機(jī)控制。抽油泵從零點(diǎn)位置（配重在 光電開關(guān)位置）以固定頻率向上運(yùn)行，到達(dá)指定位置后反向運(yùn)行返回至零點(diǎn)，往復(fù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn) 抽油功能。電動機(jī)運(yùn)行曲線如圖 19 所示。轉(zhuǎn)速 /RPMn1maxn2max圖

21、 19 電動機(jī)運(yùn)行曲線點(diǎn)動控制打開 SB2 斷路器，打開電動機(jī)的電磁剎車，使電動機(jī)可以轉(zhuǎn)動； 點(diǎn)動上按鈕在配重沒有到達(dá)下行程開關(guān)時(shí)直接控制變頻器點(diǎn)動正轉(zhuǎn)輸出； 點(diǎn)動下按鈕在配重沒有到達(dá)下行程開關(guān)時(shí)直接控制變頻器點(diǎn)動反轉(zhuǎn)輸出。剎車控制關(guān)閉 SB2 斷路器，電磁剎車由接觸器 KM2 控制器。 在沒有故障的情況下，有點(diǎn)動正轉(zhuǎn)或點(diǎn)動反轉(zhuǎn)輸出時(shí)，激勵(lì)剎車控制接觸器，松開電動機(jī)電 磁剎車。自檢 系統(tǒng)初次運(yùn)行、經(jīng)長時(shí)間停機(jī)后或出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過自檢程序?qū)刂葡到y(tǒng)中的上行程開 關(guān)、下行程開關(guān)、光電開關(guān)及編碼器等傳感器進(jìn)行檢測，各傳感器正常則順利完成自檢，某 個(gè)傳感器出現(xiàn)故障則給出報(bào)警。 可以通過對報(bào)警指示燈

22、的閃爍頻率進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)各種不同 報(bào)警的區(qū)分。 （實(shí)例程序中已對各種故障進(jìn)行區(qū)分，但未在報(bào)警指示燈上體現(xiàn)）如何通過最簡單的程序完成傳感器的檢測是本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)難點(diǎn)和亮點(diǎn)之一。其難度大 于抽油機(jī)正常運(yùn)行程序，可作為深入設(shè)計(jì)內(nèi)容。從眾多實(shí)現(xiàn)方式中找出最簡單的方式、 最簡單的指令來實(shí)現(xiàn)，需要對 PLC 邏輯控制及 PLC 邏輯控制指令有深刻的理解。按下自檢按鈕時(shí)，首先應(yīng)利用自鎖保持自檢信號，同時(shí)應(yīng)將各傳感器的有效信號清零利用自檢保持信號進(jìn)入自檢子程序，輸出自檢指示燈。在自檢子程序中對各個(gè)傳感器進(jìn)行檢測， 首先檢測下行程開關(guān) （點(diǎn)動正轉(zhuǎn)至下行程開關(guān)） 然后檢測光電開關(guān)和上行程開關(guān)（點(diǎn)動反轉(zhuǎn)至上行程開關(guān)），并在轉(zhuǎn)動過程中檢測編碼器。在主程序中，自檢程序中產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)點(diǎn)動信號請求并聯(lián)到正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)點(diǎn)動控制條 件中，實(shí)現(xiàn)對變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制。檢測到某個(gè)傳感器無效時(shí)，置位該傳感器的故障位，并在主程序中由該故障位控制故障 指示燈輸出。5.4.4 運(yùn)行 運(yùn)行控制中自動回零位是比較復(fù)雜的，可以先實(shí)現(xiàn)手動歸零，然后進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)。 沒有停止信號及故障信號時(shí)，按下啟動按鈕則鎖存運(yùn)行位； 停止按鈕解鎖存運(yùn)行位，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行停止；進(jìn)入運(yùn)行子程序時(shí)，先通過 MOV 指令為主計(jì)時(shí)器賦值，令預(yù)置值為 30000（30 秒