潜油电泵专用变频器功能模块的开发研究

饶攀攀，孙 志，傅 鹏

（1.中国石油物资沧州有限公司，河北沧州 061000；2.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

变频器在国内潜油电泵市场已经有10 多年的应用历史，但大多数变频器仅局限于控制改变电机转差率、变频调速来实现电机的调速，使电泵机组在最佳工作点工作等基本功能。最近几年客户对潜油电泵井能够更加智能管理监控的要求呼声越来越高，变频器仅实现变频调速基本功能已经不能满足客户的要求。集合软件开发、电泵现场应用等工程师共同研发出潜油电泵井专用变频器，其具有参数控制模块、保护预警模块、数据存储模块、远程监控模块、数据显示模块等五大功能模块，并配置一套高级LCD 触摸屏防护等级达到IP65，用户通过HM（IHuman Machine Interface，人机接口或人机界面）面板上操作就能够更加智能化、数字化管理潜油电泵井，下面将逐一对各个模块进行功能介绍。

1 参数控制模块功能设计

本变频器具有多达18 项参数设计功能，包含多项新开发的针对潜油电泵井井况的功能。电机频率有两种控制模式，分别为频率点设定（FR SET）和模拟量跟随模式（AN FOL）。

1.1 频率点设定（FR SET）

频率点设定（FR SET）即Frequency Setpoint，频率控制模式见图1，相关参数设置见表1。

表1 频率点相关参数及释义

此功能设计主要应用于潜油电泵初开机运行时或需要小幅度调频时。

例如：某电机初开机频率为40 Hz，现要经过2 h 频率改为稳定值45 Hz 运行，此操作仅使用一次。具体操作如下（图1）。

图1 频率控制模式HMI

第一步：把Frequency Set 40 Hz 更改为目标频率45 Hz；

第二步：Running Mode 选择 Frequency Setpoint；

第三步：Slow Acceleration change Mode 在下拉菜单中选择Once；

第四步：Slow Acceleration Rate Frequency中写入2.5 Hz；

第五步：Slow Accel Time 中写入1 h，及达到目标。

这种频率控制模式使电机控制频率平稳的斜率是增长，有利于电机的稳定，较与之前的变频器要操作人员2 h 后通过操作更改频率相比，有明显优势。

1.2 模拟量跟随模式（AN FOL）

模拟量跟随模式（AN FOL）功能即当前电机的运行频率完全由变频柜接入的模拟量信号的大小决定，电机输出的频率在最高运行频率和最低运行频率之间，以电流信号模拟信号，量程4～20 mA，按照0～100%的比例进行输出。

此功能使用户在测试新井中能更好地通过数据的输入采集全面的数据资料。

2 保护预警模块功能设计

变频器设有18 项保护功能，能够全方位地对潜油电泵井进行运行保护。用户可定义全局通用和独立设定自动重启功能设置两种模式。保护参数包括三大部分：①传感器参数，包括吸入口压力、电机温度、排出口压力和吸入口温度，这些参数需要设定上限、下限值并根据上限、下限值启动保护功能（8 个保护）；②24 V 高电位保护功能，如PSH（常闭井口高压）/PSL（常闭井口低压）/SCADA（数据采集与监视控制系统）常开（3 个保护）；③变频器运行参数保护，如过载、欠载、过压、欠压、电压不平衡度、环境温度过高、电抗器温度过高（7 个保护）等（其与吸入口压力下限报警类似，在此不做介绍）。

传感器参数的这4 个参数需要设定上限、下限值等。以吸入口压力值（Low Intake Press）为例，保护参数设置见表2。

表2 吸入口压力下限相关参数的设置

3 数据存储模块功能设计

数据存储模块能够实现关闭历史记录存储、事件历史记录存储和实时运行数据记录3 种形式的数据记录，为潜油电泵的运行分析提供第一手的数据资料。

3.1 实现关闭历史记录

HMI 至少可以显示最近99 项关闭记录，通过点击一项关闭记录还能查询详细的关机信息，如关机原因、关机时间、触发此次关机的相关参数（电流、电压值）等。

3.2 实现事件历史记录

在HMI 上显示开机以来的最少254 项参数调整事件，点击进入任一项事件能够显示详细信息，如更改频率时间、需要显示更改频率时间、频率更改前值、频率更改后值等。

3.3 实现运行数据记录

运行记录数据能够进行设置，从PLC 中各项参数中能够选取所记录的参数。进行变频器设置时默认必有的记录参数有：吸入口压力，吸入口温度，电机温度，排出口压力，变频器A 相输出电流，变频器B 相输出电流，变频器C 相输出电流，变频器三相平均输出电流，电机侧电流，变频器A 相输入电压，变频器B相输入电压，变频器C 相输入电压，变频器运行频率，传感器X/Y轴振动，传感器泄漏电流等。

需要注意的是：①每个需记录参数均能够设置多长时间记录（读取）一次，最短时间设置为0.01 s；②读取参数自动分析运算，在存储设定时间内其数值变化在±5%范围之内，不做单独存储，只记录最后一次数据，超过±5%范围的自动记录变化值（实现记录突发时间信息）；③记录时显示记录各项参数的时间；④能够在HMI 面板上显示高压侧电机电流的曲线，并能够设置时间为1 d 或7 d。

在变频器存储参数方面：①存储参数可保存至U 盘或SD卡中，并能存于一个文件中，能够用Execel 软件或其他通用软件打开；②变频器运行历史参数断电后，自行进入保护数据到U盘或SD 卡中，避免数据丢失；③变频器设置强行保存功能，单需拷贝数据后直接按强行保存按钮，实现以上4 种记录数据均保存到U 盘或SD 卡中，并有提示显示保存完成。

4 远程监控模块的功能设计

用HMI 通过Modbus 通信与PLC 相连，作为人机接口进行交互，支持数据保存及导出。PLC 通过另外一个端口变频器和电量采集模块通信，采集变频器和电量采集模块运行数据，并通过通信对变频器进行控制操作。变频器通过RS-485 通信满足两套上位机同时远程监控及控制，通过HMI 可设置变频柜内的PLC 不同通信端口与SCADA 和RTU（Remote Terminal Unit，远程终端单元）系统的通信协议，包括通信地址、数据位、奇偶校验、停止位、波特率等，用户通过远传SCADA 系统能够实现数据的监控。

数据显示模块可以实现以下三大功能：

（1）显示变频器的运行电流、运行电压、输出频率、传感器的吸入口压力、排出口压力、电机温度等运行趋势图，并可以选择显示的参数项目。

（2）在HMI 中可以调整横坐标（时间）、纵坐标（量程）的范围。

（3）使现场工程师直观地了解某一时段电泵主要运行参数的变化情况，从而能对电泵运行状态进行更好的分析（图2）。

图2 数据显示界面

5 推广应用前景

为潜油电泵量身定做的变频器，具有根据井况特点研发设计的五大新增功能模块，不仅使潜油电泵的管理步入数字化、智能化，更能为电泵管理人员分析新井井况特点、维护电泵井稳定运行状态、分析故障井躺井原因、存档每口井历史运行数据等提供更多的信息，使他们在中控室远传监控电泵井运行状况，真正实现远程异地办公。

目前国内市场如此多功能的专为潜油电泵设计的变频器技术尚处于空白状态，中海油海上油田大多数采用潜油电泵井开采，新疆西北局采油二厂、塔里木油田、大港油田等地区潜油电泵均可以推广应用此种变频器。而在国外的尼日尔石油市场、厄瓜多尔Andes 石油市场等，该变频器的功能已经能同国际石油服务大鳄斯伦贝谢、贝克休斯等公司生产的产品相媲美并得到用户的肯定，这不仅提高了我国潜油电泵专用变频器的国际化步伐，也为企业扩宽了国际市场。