油田抽油机传动系统控制原理与设计

尹振军

摘 要：针对系统控制自动化需求以及节能降耗的要求，提出一种基于DSP的智能传动控制系统。为实现对该系统的设计，首先对目前主流的抽油机类型进行了简单的介绍，然后对传动系统调速的原理进行了分析，最后结合DSP在智能控制方面的优势，利用DSP芯片作为主处理器，从硬件和软件的角度对系统进行了设计。由此通过设计，为抽油机的节能和自动化控制提供了参考。

关键词：抽油机；节能；控制原理；软件

中图分类号：TM301 文献标识码：A

随着现代智能技术的发展，电力电子控制被广泛应用，其中也包含石油领域。而抽油机作为石油开采领域中的一个重要机械设备，其成为采油中能量消耗最大的一个设备之一。同时，抽油机的动力主要依靠传动系统，通过传动系统电机的转动，以此不断地对岩层下的石油进行抽取。由此，如何对传动系统进行控制，成为保障抽油机工作的重点。

1.抽油机类型概述

目前，针对我国国内的抽油机类型中，使用比较广泛的包括有游梁式和无游梁式两类。在抽油机结构中，其传动系统主要由电机、变速箱部分组成，并且配备的电动机大部分都是Y系列为主。

对于抽油机来讲，其配备的电机大部分都处在轻载运行的状态，这样其负载率很低，并且功率的损耗非常大。对抽油机的电耗来讲，其用在生产中的用电比例会很大，并且对其进行冲程冲次调节显得十分不便。因此，提出对抽油机进行技术技能改造，使其在各种工况下都具备良好的节电效果。而在本研究中，则提出采用开关磁足电机对其转速进行优化控制，并借助DSP的智能处理，实现抽油机上冲程和下冲程的速度调节。

2.开关磁阻电动机调速的工作原理

对开关磁阻电机调速来讲，其主要包括控制器、功率变换器、开关磁阻电机、电流和位置检测装置。其中，开关磁阻电机的控制主要是通过控制器对功率进行调节，进而实现对SR电机转速的控制。同时，结合抽油机的功率和實际采油需求，可以将其运行状态分为启动运行、稳定运行和制动运行3个状态。在不同的状态下，其采取的控制策略又有所不同，但总结起来，其基本的控制策略可以分为低速运行斩波控制和高速运行角度位置控制。而在这两种控制策略中，斩波方式和角度结合的控制策略，被认为是控制效果较好的一种方式，由此被大量运用。如在启动运行的阶段，以12/8结构的三相开关磁阻电机来讲，通常采用斩波控制的方式，这样启动可以没有死区，并且可在任意的位置实现正反转动；而在稳定运行阶段，则采用APC控制控制方式，通过调节开通角，同时对导通角进行优化，最终完成对系统效率的调节；在制动运行状态下，则是采用固定开关角和电压斩波控制的方式，实现电机尽快停转。因此，实现对传送系统的运转，实现节能，最为关键的是实现对控制器的设计。

3.控制系统设计

3.1系统硬件整体架构设计

对控制器来讲，最为关键的是架构设计，这是实现控制的基础。对此，本研究中则选择TMS320LF2812芯片作为主控制器，并且配以高速的逻辑电路。以传统的四相8/6极开关磁阻电动机为对象，在控制中采用速度、电流双闭环控制结构。同时DSP在捕获光电传感器中的转子位置信号，将其变为相位信号和速度信号；通过电流传感器采集到的电流信号，在滤波后将其作为反馈信息，速度调节器的输出作为电流调节的给定。当抽油机在低速运转的时候，通过电流调节器的输出，对PWM相位进行调制，进而驱动功率器件；在高速的情况下，此时电流调节器则主要输出为导通宽度，以此使得功率开关能够在合适的时候导通开断开相绕组。

而之所以选择TMS320LF2812信号的DSP控制芯片，其关键在于与传统的240系列相比，该信号的芯片在性能方面更加优越，精度也更高。

3.2软件部分设计

3.2.1软件部分控制方案设计

给定一个速度，当在经过电位器之后，其湿度计的速度是通过电流传感器和位置传感器共同决定，并经过滤波、隔离和整形之后，通过DSP的捕获，最终作为新的速度输入单元，实现对电机转速的精确调节。而在这个过程中，是通过利用PID算法对单元和脉宽调制电路输出信号进行比较，并经过隔离放大后，由驱动模块对功率开关和相开关进行控制，实现电机转速的闭环调控。因此，根据上述的工作流程，将本文提出的控制方案设计定位通过对过程变量的实时采集，并结合制定的算法和控制方案，实现对结果的输出。其中，在DSP控制器启动的时候，计算SR电动机转子的初始位置，然后根据检测到的位置，给出相应的相绕组触发信号，此时电动机开始转动；而在其运行中，则通过电压斩波控制的方式，通过速度控制生成电流的参考值。当转速达到一定的值以后，SR电动机运行进入速度保持阶段，电流维持一恒定值不变。SR电动机减速运行时，采用斩波控制与制动运行相结合的方式，克服SR电动机的转矩脉动。

3.2.2主程序设计

对主程序来讲，其主要是完成对系统状态的初始化，并调用不同的运行程序。而在初始化中，主要对TMS320LF2812内存器中的各个参数进行初始化，以及对通信显示模块进行初始化，并关闭所有的相输出信号。而根据接收到的指令，确定电机的运行模式。

3.2.3定时器终端程序设计

该程序主要是为了实现对电压斩波、速度和PWM相位的控制。其中，PWM频率设置大小为25Hkz，PWM的初始占空比设定为100%，以此使得对通电相在通电的瞬间能够使得电流快速的上升。而对电流的检测中，每隔40us进行监测，其频率和PWM的频率相同。由此通过电流和速度的综合作用，改变寄存器中的比较直，最终改变PWM的占空比，达到调速的目的。

3.2.4通信程序设计

在本文中，通信的实现则采用RS-485总线的方式来实现。通过RS-485对数据的接收，并根据程序的相关要求，设计相应的标志位。当在发出数据接收请求后，做出相应的动作。而电动执行器需要传送的数据包括阀门参数、实际的开度等，以及报警信息。在硬件系统发出数据请求后，电动执行器则接收这些数据，并将采集到的数据打包，上传给后台的计算机。如果现场出现故障，那么电动执行器则不等上机位请求，直接将数据上传，然后再将数据上传给后台电脑。

结语

总之，通过本文的设计，在传统的控制方式上，引入了开关磁阻电动机，从而使得对其速度的控制通过PID控制算法，进而提高了该系统的智能化程度，并且更好的实现能耗的节约，为石油开采提供了实例借鉴。

参考文献

[1]彭英伟.油田节能采油机传动系统控制机理与设计[J].科技与企业，2014（4）：98-99.

[2]靳江雷.基于变频调速的抽油机智能节能控制系统研究[J].信息化建设，2015（10）：152-153.

[3]王艳春.一种基于DSP的抽油机智能变频控制系统的设计[J].化工自动化及仪表，2011（1）：89-92.

[4]苏宪龙，李山，苗亮亮，等.变频调速在油田抽油机控制系统中的应用[J].现代电子技术，2008（11）：123-126.