便携式多功能变频系统检修仪在油田中的应用

2017-01-04付丽大庆油田有限责任公司第四采油厂

石油石化节能 2016年4期

付丽（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

付丽（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

针对变频器在油田应用过程中存在的维修技术不足和缺乏检测设备的问题，通过便携式多功能变频系统检修仪的研制，实现在有无数据通讯的2种情况下对变频器故障点的准确定位，并提供可行的解决故障方法。通过使用该仪器，有效缩短了变频器维修时间，提高了变频器的修复率，总结了检修变频器常见故障的方法和流程，使之长久有效地发挥节能作用。

变频器；故障分析；维护；节能

随着变频器在油田应用规模不断扩大，变频器在应用过程中发生故障的概率不断增加，维修工作量越来越大，而目前维护主要依靠厂家及设计研究所仪表室，经常发生维修不及时，造成设备待修时间长，而且造成成本的增加。经统计，某矿共有各类变频器432台。2014年以来，因大部分螺杆泵变频器过保修期，故障变频器年累计达到125台，且存在34台老式螺杆泵变频器无工频启动系统，如发生故障只能关井，影响了原油产量。变频器型号以英威腾、ABB、西门子为主，兼有不常见或者已经不生产的变频器，共有12种品牌15个系列，种类较杂。从使用情况来看，一方面由于井上的自然环境恶劣，加之螺杆泵井负荷变化大，导致单井用变频器故障率较高；另一方面大部分变频器已经使用3年以上，从排风，散热，元器件的老化角度来说增加了故障的风险。

针对以上问题，2015年通过自主研制便携式多功能变频系统检修仪，在变频器检修上取得了一定的效果，实现对变频器的故障判断和自主维修，使节能设备物尽其用，长久发挥节能效果。

1 技术原理及工艺设计

便携式多功能变频系统检修仪以专用电流、电压检测组件、通用模拟量输出模块、通讯电缆及数据转换组件等集成检测主机。可以通过2种不同的方式对变频器系统进行故障分析：方式一是应用数据通讯方式对故障变频器进行分析，依据专家诊断数据库，提供可行的解决故障方法；方式二是当变频器通讯不能正常进行的情况下可以利用外接模块对线路和变频器的输入和输出进行实时显示，相关数据（电流、电压）以曲线形式显示，并实时保存。方式一用于一般故障查看检修，方式二用于按照方式一无法解决故障情况下的系统长期监测诊断。便携式多功能变频系统检修仪通过精确输出工业标准的模拟量控制信号，现场直接调试修复后的故障变频器。以电脑通讯诊断系统为核心，通过变频器的通讯接口进行人机对话，利用专业的软件进行测试、调试，可以完成对系统的在线实时操作，参数的分析与录入。实现对变频器外部（系统）的故障分析，对故障变频器进行实时、在线的检测，进行快速故障定位。通过配备大容量电池，提高设备野外长时间工作的能力，工作时间不低于8 h，具备通用性，目前油田公司在用的螺杆泵变频器、输油泵变频器、注入泵变频器等均可进行检测。

1.1建立变频器诊断数据库

统计在用变频器产品型号情况，以英威腾、ABB、西门子为主，兼有威能、星辰电子、普传等不常见或者已经不生产的变频器，共有12种品牌15个系列，共有275台，占变频器总数的65.2%。建立专家数据诊断系统，使得系统能够诊断的变频器覆盖现有变频器的95%以上。表1为变频器英威腾常用故障及代码。

1.2 研究变频器系列的通讯协议，建立完善的通讯接口

为实现良好的变频器与电脑之间的数据通讯，进行了系统通讯接口的硬件开发。变频器与电脑之间通讯接口的主要功能是在变频器和上位机电脑之间建立1条安全稳定的数据通路。采用了专门的信号隔离和内部滤波技术。这部分的通讯线路功能分为2部分，按照变频器通讯信号要求设计相应的工业标准的485数据信号采集模块；按照计算机通讯的要求设计了485转常用USB的通讯模块。对2部分功能模块组合测试近2个月的时间，信号转换硬件电路工作稳定，抗干扰能力较强，达到了预计技术指标的要求。

表1 常见故障及代码

1.3研制变频器故障代码综合分析软件系统及设备开发

综合分析软件系统由软件接口编制和系统组态及诊断专家数据库3部分组成。

1.3.1 系统软件数据接口编制

由于研发上位机和变频器系统数据通讯检测方式系统软件工作量较大，主要是不同型号变频器数据通讯协议的研究和编制不同型号变频器的数据通讯接口软件。本文主要阐述针对几种常见系列的变频器进行的开发研究，包括西门子430系列、440系列、ACS510系列、ACS550系列和英威腾CHF100A系列、英威腾200系列。

根据系统软件数据接口软件需求，首先，进行通讯接口标准分析，现行的工业标注变频器主要标配的标注串行通讯接口，文中针对3类变频器使用标准的485通讯接口；其次，进行接口协议标准分析。ABB系列采用MODBUS协议标准，但内部有部分ABB自己定义的协议内容，此部分是接口编制中的难点和重点部分，通过使用VC编程和长时间的调试，解决了这一问题，系统接口程序稳定，数据传输准确。

西门子400系列采用西门子USS协议标准，没有专用的接口程序，不同系列之间还有区别，因此需要进行长时间的实验和开发。西门子串行接口协议（USS）按照串行总线的主-从通讯原理来确定访问方法。总线上可以连接1个主站和最多31个从站。主站根据通讯报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。在主站未要求它进行通讯时，从站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。数据和指令的每条报文都是以字符STX（=02hex）开始，接着是长度的说明（LGE）和地址字节（ADR），然后是采用的数据字符，报文以数据块的检验符（BCC）结束。报文有效的数据块分成2个区域，即PKW区（参数识别ID-数值区）和PZD区（过程数据）。PKW区说明参数识别ID-数值（PKW）接口的处理方式。PKW区前2个字（PKE和IND）的信息是关于主站请求的任务（任务识别标记ID）或应答报文的类型（应答识别标记ID）。PKW区的第3、第4个字规定报文中要访问的变频器的参数号（PNU）。依据对系统通讯数据格式的研究，使用VC进行接口程序编制，经过近1个月的系统调试，接口调试成功，数据传输稳定，数据准确。

英威腾CHF100A系列采用标准的MODBUS协议，数据传输较稳定；但由于英威腾不同型号之间上下兼容性较差，数据资料不完善，系统调试较困难。

1.3.2 系统软件组态

通过对系统进行需求分析，最终系统软件分为4个部分：ABB故障诊断(方式一)、西门子故障诊断(方式一)、英威腾故障诊断(方式一)、通用故障诊断(方式二)，分别进行组态。

第1部分，数据库组态。利用实时数据库技术将采集的通讯数据关联到上位机实时数据库，并在实时数据库中建立相应的数据点，方便系统调用。

第2部分，界面组态。利用绘图控件建立相应的操作和显示界面。通过研究分析系统需求，对于方式一分别组态了系统主界面、故障诊断界面、报警分析界面、输出实时分析界面、退出界面。对于方式二分别组态了三相电压电流界面、电压界面、电流界面、历史数据界面、输出调试界面、退出界面等。

第3部分，利用编程语言。在组态软件的基础上书写脚本运行部分特殊功能。对于历史数据的处理，本系统采用2种方式：一种是以曲线图的形式显示历史数据，此种方式较为直观；另一种方式对数据进行编辑，采用报表的形式呈现，此种方式比较具体，数据保存较为方便。第1种方式为系统自带，第2种方式需要编制程序，通过内部脚本实现。

1.3.3 专家故障诊断数据库

本数据库采用动态链接技术和紫金桥关系数据库连接。专家数据库是在相关专业技术人员的多年变频器应用和维修经历的基础上，结合相关厂家的故障和报警诊断技术支持文档而建立的专家故障诊断数据库。该数据库主要包括相应的故障描述和可能导致故障的原因以及可行的解决方案。在通讯成功的情况下，该数据库提供的解决方案能解决常见的所有故障。该数据库采用较为通用的数据存储格式，可以较方便地依据实际情况及时修正相关内容，为进一步优化诊断方案提供了方便。

1.4装置组成

该装置以专用电流、电压检测组件、通用模拟量输出模块、通讯电缆及数据转换组件集成检测主机（图1）。携带方便，所有功能和配件均可装在1个铝合金箱中。便携式箱体采用直角铝合金骨架、钻石纹铝合金表面、多层板结构，确保箱子结实美观、经久耐用。检测仪信号输入上设有多重保护，分别在电源输入、电压检测输入、电流检测输入处设有保护熔断器（FU）。三相电压检测输入接线使用高质量的硅胶线和绝缘鳄鱼夹，确保带电检测操作的安全。电流检测环节采用40∶1变比的钳形交流电流互感器，确保电流检测的方便和诊断仪接入信号控制较为安全的范围。

图1 便携式多功能变频系统检修仪实物及应用

2 现场应用

2.1螺杆泵井变频器修复效果分析

某矿螺杆泵变频、直驱螺杆泵共计341台，占采出井总数25.5%，其中325口井安装了螺杆泵变频器。因设备老化、过保修期等原因导致故障变频器最多时累计102台。通过应用便携式多功能变频系统检修仪，已修复各型号螺杆泵变频器59台，均正常运行，且各项指标均符合使用要求（表2）。

通过统计已维修故障变频器情况，无法启动、启动后停机为主要故障现象，而造成这两种现象最主要的原因是整流模块损坏、逆变模块损坏及过流、过压、欠压等。

以井1井修复过程为例：该井变频器型号为英威腾100-37G型，2015年3月出现上电就跳闸现象，详细信息见表3。

现场检查情况：打开机盖没有发现任何烧坏迹象，在线测量IGBT（逆变模块）判断没有问题。

检修情况：为准确找出故障原因，将故障变频器接入便携式多功能变频系统检修仪进行进一步检测，上电后依然跳闸；将IGBT拆下测量各个驱动单元的大功率晶体管开通与关闭，未发现问题；测量上半桥的驱动电路时发现有一路与其他两路电阻值有明显区别，仔细检查发现1只光耦输出脚与电源负极短路，将光耦更换后再测电阻值，三路基本一样。IGBT安装后，上电运行一切良好，输入电流与输出电流波形完全对应，带载运行也正常。

表2 变频器修复统计

表3 井1基础信息

分析认为，引起这类故障的主要原因是逆变模块损坏、驱动电路损坏、电流检测电路损坏等。

2.2 聚驱注入站注入泵变频器修复效果分析

注入泵变频器经常出现的故障主要是过流保护等，通过应用检测仪，摸清了发生该故障的原因，解决了该问题。

以某站1号注入泵变频器为例：该变频器型号为西门子430，故障现象是上电显示正常，启动也正常，但是一加负载就跳闸，显示代码是过流保护。过流保护的故障有多种可能出现：变频器内部设置参数不合理；功率检测元件有故障；逆变模块性能变差；电源滤波电容容量下降；负载电动机或泵有问题。以上问题都会出现过流保护代码，所以很难判断问题所在，通过分析仪便可确定是变频器问题，还是机泵问题。

现场检查情况：首先，采用方式一进行通讯检查，检查内部参数设置未发现问题。然后，采用方式二进行检查，在变频器启动后，观察电流、电压变化情况，负载逐渐加大，发现在负载不断增加的情况下，输出电流也在不断地加大；当泵的输出压力达到4 MPa左右时，电流明显突变，已经超出了电动机工作上限电流值，变频器出现保护停机，通过检测仪可以断定是柱塞泵有问题，排除了变频器故障（图2）。

通过对柱塞泵的维修后，故障不再出现。由此可以看出，应用该仪器可以有效地判断出故障变频器系统的故障点，大幅度减少检修时间，提高变频器运行时率。

通过该仪器对某注入站9台故障变频器进行了检测，其中变频器自身故障的有5台，机泵问题的有5台。

2.3 常见故障分析

变频器在使用过程中常见的故障主要有电动机运行但不能调速，电动机不能启动，欠压保护、过压保护、过流保护，上电无显示、上电接触器不吸合等。统计66台修复的变频器故障如表4所示。

为了快速查找故障原因和缩短维修时间，通过应用自主研制变频器维护及检修平台，总结了10种常见故障分析与维修方法，并且编制了检修流程及管理方法（表5、图3）。

图2 某站46#注入泵变频器电流变化曲线

表4 常见故障修复数量统计

3 效益分析

3.1经济效益

以某油矿2015年维修变频器122台为例：1台变频器拆卸判定故障并维修，大约需要15 d，使用该便携式变频器系统综合信息分析仪，平均判定故障及维修时间为2 d，平均单台变频器维修时间减少了13 d；按每台螺杆泵变频器变频（工频可运转）运转比工频运转每小时节电3 kWh计算，约节电10.02×104kWh，以电价0.6381元/kWh计算，节约电费6.39万元；设备投入费用7.02万元；配件投入费用10万元；按每口井减少原油损失2 t/d，以原油（扣除成本）2904元/t计算，实现经济效益134.73万元。

3.2社会效益

改变了维修变频器不能自主的现象，减少了变频器维修对厂家的依赖，节约了维修成本，提高了工作效率，降低了变频器停机时间，保障了油田的稳定生产。