基于PLC的长冲程液压平衡抽油机变频控制系统

赵现晖

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

目前，变频调速技术已经发展得十分成熟完善，包括标量控制的变频变压系统(VVVF)和矢量控制的单闭环转差频率控制、双闭环矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)4种基本控制方法[1～3]。利用变频调速技术可以实现电机的无级变速，进而实现抽油机的冲次和冲程可调[4]。

为了更好地开采低产深井和稠油热采井，适应工况条件，设计一种新型无游梁长冲程液压平衡抽油机，并基于PLC设计其变频控制系统。

无游梁长冲程液压平衡抽油机利用PLC和变频器由柔性抽油杆带动井下泵体的往复运动，上冲程时电机的动力经减速器传给卷筒，同时与卷筒同轴的液压马达正转，液压缸内配重块和活塞下行释放重力势能，液压马达的正转协同电机驱动卷筒提升悬点载荷；下冲程时电机换向反转，马达也反转，电机将其大部分能量通过液压马达传递给液压缸内的活塞和配重块，活塞和配重块上行储存能量。利用液压马达可换向实现能量的储存与释放，达到平衡悬点载荷的目的，简化了抽油机结构，节约了系统总能耗(节约能耗20%～30%)，其机械性能良好，具有良好的适应性。

长冲程液压抽油机的机械部分(图1)主要包括井上部分(卷筒、井口支架、液压缸、液压马达、减速器、绳索居中器及电控柜等)和井下部分(柔性抽油杆及抽油泵等)。

图1 长冲程液压抽油机的整体机械结构

2 系统控制方案

长冲程液压平衡抽油机通过变频器控制电动机的加减速和正反转，动力传给柔性抽油杆柱做上下抽汲运动。

控制系统由四大模块组成：PLC控制模块、变频器与能耗制动模块、人机接口模块和温度控制模块[5]。PLC控制模块按照设定的参数，计算每个时刻相应的加速度、速度和位置，并控制变频器的频率变化和运转方向，使电动机按设定转速曲线运转(图2)。

图2 电动机转速曲线

由图2可以看出，在泵体上下运动周期T内，电机转子转动是按相同运动的模式运转，即一个加速运动→匀速运动→减速运动→停止→反向重复的过程。抽油机上冲程运动时，电机正转其直线加速时间为t1；随后进入匀速运转状态，运转时间t2，悬点载荷上升且不断减少；当运行到最高点时开始制动减速，电机直线减速时间t1。抽油机下冲程运动时，电机反转其直线加速时间设定为t3；而后进入匀速运动状态，运转时间为t4，t3是电机制动时间，当抽油泵浸没在动液面以下一定深度时开始制动减速。

2.1 电机控制原理

利用传感器采集抽油机的上下冲程中的工作参数，通过通信模块传输到PLC并由PLC发送指令改变变频器输出频率、控制电机的转子正反转和加减速。PLC控制程序中设有行程开关，安装在换向点处，当抽油机上冲程运行中，提升装置碰撞到行程开关SQ2，SQ2接通后接触器KM2线圈通电，常开触点马上闭合，KM2主触头吸合，电机转动方向改变，由原来的正转变为反转，电机开始反向加速，抽油机下行程运行，抽油杆速度越来越快，当到达接近开关A(匀速点)时，PLC的开关量输出控制变频器恒速运行，抽油杆匀速下行一段时间，到达接近开关B(减速点)时，变频器的输入DI1=0、DI2=0，处于无恒速模式；电机的加速时间在变频器内设定2202参数为10s，抽油杆减速下行，继续下行过程中提升装置碰撞到行程开关SQ1，SQ1接通后线圈KM1通电，闭合常开触点KM1，断开常闭触点KM1，并断开反转控制电路，吸合接触器KM1主触头，正转控制电路接通电机开始正向加速，加速上行到接近开关B点时，PLC的开关量输出控制变频器的DI1=0、DI2=1以恒速1运行，恒速1可以通过变频器的1202参数修改。从接近开关B点，抽油杆继续向上匀速提升，当提升到接近开关A时，PLC控制输出使变频器的DI1=0、DI2=0，释放恒速模式；电机开始减速，减速运行到SQ2，重复上述过程。抽油机电机的工作原理如图3所示。

图3 长冲程液压抽油机电机工作原理

2.2 悬点运动的控制

抽油机的运行可靠性、电机换向平稳性和PLC系统的控制精度直接影响其使用寿命。为达到技术要求，控制系统采用特定的参数化速度曲线来控制电机的正反转和加减速，并且采集电机转速信息，反馈给PLC系统，构成与设定的速度曲线比对的闭环控制系统。开关安装和换向动作如图4所示，考虑到液压抽油机系统的安全平稳运行，另外安装了两个行程开关用于保护停车，上下行程开关在检测到碰撞时，变频器立即停车，液压抽油机系统停止提升作业。

图4 开关安装与换向动作示意图

3 PLC程序

PLC系统采用模块化编写系统程序，主要由主程序和5个子程序组成，主程序流程如图5所示。

图5 PLC主程序流程

主程序的功能有检测、预警、报警和应急时调用子程序。主程序中设有按键保护和延时解抱闸功能，在短时间内连续两次按键，则第二次视为无效,而延时解抱功能在负载较大且频率较小时保护悬点正常运行。

子程序包括初始化、自检、正常运行、延时停车和故障诊断子程序[6]。故障诊断子程序中设有通信模块，借助云端大数据，分析一段时间内的运行情况，实现整机的状况诊断、故障预警和参数监测的智能化管理。

模块化编写程序，利于工况发生变化时进行修改与扩展。当油层地质条件发生变化时就要改变抽油机的冲程冲次；或者滚筒直径变化时，只需修改相应的参数即可。

该系统在采出液为水的标准井测试结果达到了技术要求，整机效率提高20%～30%。目前，该系统已在吉林油田投入使用，应用情况表明：冲程误差被控制在2%以内，上下冲程运行平稳，换向无冲击，技术指标均达到要求。

4 结束语

长冲程液压平衡抽油机的变频控制系统以PLC为控制核心，由变频器控制电动机按设定速度模式运转，通过减速器、滚筒和柔性抽油杆传动，使井下泵体做上下往复运动。整机的冲程和冲次可根据实际采出液的物性特点通过人机接口调整；也可通过云端数据分析自动规划调整运行模式，适用于稠油或聚驱油井。

[1] 刘新.抽油机自动控制技术研究(冲次自动控制)[D].西安:西安石油大学,2013.

[2] 蔡斌军.基于模糊空间矢量调制的直接转矩控制[J].微特电机,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] 魏兴旺.基于PLC控制技术的抽油机变频调速系统设计[J].中国科技信息,2010,(18):159～160.

[5] 林景波,叶雪荣,梁慧敏,等.基于PLC的无游梁长冲程抽油机变频控制系统[J].石油机械,2007,35(7):25～28.

[6] 丁斗章.变频调速技术与系统应用[M].北京:机械工业出版社,2005.