无游梁长冲程抽油机控制标准系统.docx

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无游梁长冲程抽油机控制标准系统

无游梁长冲程抽油机控制系统

世界石油资源开发至今，机械采油方式仍占有主导地位，而有杆抽油机井又占机械采油井的90%以上。

就目前国内油田而言,在机械采油井中,游梁抽油机仍为主要机型。

它以结构简单、使用维护简便、宜于在全天候状态下工作等优点而被广泛应用。

然而，常规游梁式抽油机冲程短，冲次快，而且冲程不可调，载荷小，能耗大,不能适应油井深抽工艺的需要,已成为困扰油田生产及增效节支的一大问题。

长冲程抽油机具有较好的抽油性能，能提高产量、降低采油成本、提高经济效益等优点，是抽油机发展的主流和方向。

无游梁长冲程抽油机介绍

无游梁长冲程抽油机是一种无游梁式塔架结构长冲程抽油机，没有游梁、不采用曲柄连杆机构换向,不采用增大冲程机构,利用抽油机本身的机构特性,实现长冲程抽油和超长冲程抽油。

除了保持游梁抽油机原有的诸多优点外，还具有长冲程、低冲次、节能、大载荷、适应性强、抽油杆磨损小、排量稳定、动载荷小等特点。

采用电动机直接驱动滚筒缠绕或放开皮带实现抽油杆的上下抽油运动，克服了链条式抽油机链条易磨损需润滑密封等问题，也解决了机械换向和液压换向抽油机换向机构易损坏的问题，具有传动结构简单，效率高，系统可靠性高的优点。

无游梁长冲程抽油机控制系统采用可编程控制器（PLC）为控制核心，通过控制变频器实现电动机正反转的直接驱动方案，有效简化了机械结构，大大提高了总体效率。

利用PLC实现长冲程、低冲次，冲程、冲次、上下行速比可调、节能、大载荷和适应性强、可靠性高等特点。

图1现场图片图2系统框图

1—抽油杆；2—悬绳器；3—换向轮；4—传感器；5—配重；6—电控系统；7—基础；8—电缆；

9—电动机及减速机构；

模型及控制系统结构（CompactLogix）

无游梁长冲程抽油机模型采用了与实际系统相同机械结构，包括电动机、电控刹车、滚筒、皮带、换向轮、零位开关、软件及硬件行程开关，并设计了独特的负载，利用汽缸和活塞真实地模拟了井下的负载。

控制上可采用各种不同类型控制器，通过顺序逻辑控制、计时器、变频器控制、模拟量输入、输出完成对抽油机模型往复运动实现抽油的功能。

一、模型

基于CompactLogix的抽油机模型通过如图所示。

图3基于CompactLogix的抽油机模型实物图片（用新模型图片代替）

二、抽油机电气控制系统

抽油机电气控制系统通过变频器控制电动机正转、反转实现抽油泵的往复运动，将液体泵出来。

控制系统分为：

CompactLogix控制器、PowerFlex40驱动器、操作按钮/指示灯、保护电路、电动机、电磁刹车、编码器（用于反馈位置和速度，可通过1769-HSC模块将编码器连接到系统上）。

CompactLogix控制系统由1769-L32E控制器、1769-IQ16开关量输入模块、1769-OW8继电器输出模块、1769-IF4模拟量输入模块、1769-OF2模拟量输出模块组成。

按钮包括停止按钮、启动按钮、自检按钮、点动上（负载侧）、点动下（负载侧）按钮。

指示灯包括故障指示灯、运行指示灯、自检指示灯。

硬件保护电路（上下硬件行程开关）通过在配重侧安装行程开关，如果配重超过行程范围则系统断电，以保护机械机构安全。

2.1控制器

PLC选用罗克韦尔自动化公司的CompactLogix可编程控制器，该系列控制器采用Logix多功能控制引擎，带浮点协处理器的32位多任务（事件任务、连续任务和周期任务）实时控制内核，在高速逻辑运算以及复杂回路控制（0.08ms/K典型混合程序）等方面表现同样出色。

IEC61131-3标准、符合不同应用要求、不同用户习惯的多种编程方式可选：

梯形图LD、功能块图FBD、顺控表SFC以及语句表ST。

（软件开发包的价格对您也是一个另外的惊喜）更方便地开发、阅读和修改程序：

无需分配/记忆内存地址（常规PLC必须的步骤），用户可直接使用或自定义反映控制对象/元件属性的“标签（Tag）”（支持数组和结构体方式）进行编程。

1769-L32E处理器支持最大30个本地I/O，并且内置支持实时控制的100MbpsEtherNet/IP工业控制网络接口，同时实现多处理器/上位机联网以及分布式I/O控制。

当然，还可通过多个DeviceNet工业现场总线连接现场设备和分布式I/O。

NetLinx网络透明集成：

　　无需任何编程，用户即可从任意一点接入系统，远程访问、组态、诊断或维护以下任意多种工业网络中的任意设备--国标GB/T1858.3DeviceNet、IEC61158ControlNet工业现场总线或者EtherNet/IP工业以太网。

无需任何编程，用户即可实现同一工业控制网络（ControlNet或者EtherNet/IP）上的处理器“标签（Tag）”被其他多个Logix系列处理器同时共享。

这一功能还可实现：

该网络上的某一DI/AI站数据同时送达多个Logix系列处理器；或者某一处理器输出指令同步送达该网络上的多个变频器等现场设备。

控制器“标签（Tag）”无需重新定义（基于专利的Factorytalk数据集成技术），即可被A-BPanelViewPlus或VersaView现场操作员面板或者RSViewSE上位机监控画面直接使用，也可被通过RSSql连接的工厂数据库（如SQLSever或者Oracle）直接使用。

1769CompactI/O：

外观小巧、高标准工业等级1769CompactI/O可直接在面板上或者在DIN导轨上并列安装（比传统PLC节省20%~30%的安装空间）。

可拆卸前接线端子器随1769CompactI/O模块配供，用户无须另外付费。

严格的工业化设计保证在使用32点DI/DO模块时，用户也能有足够的接线/操作空间。

1769CompactI/O可用作本地I/O站或者分布式I/O站（通过1769-ADN适配器模块）：

每个I/O站最多可达30个模块（最多可分为3组，组间通过扩展电缆直接相连；每组需单独配置电源）。

2.2变频器

变频器采用罗克韦尔自动化PowerFlex40驱动器，选用功率范围从0.37KW到2.2KW240V单相，0.37到7.5KW240V和0.37到11KW400V三相。

支持V/Hz控制方式和矢量控制方式。

能承受150%的过载能力1分钟，200%的过载能力3秒。

变频器内置7个数字量输入，1个数字量（继电器）输出/2个数字量（光电耦合）输出，2路模拟量输入，1路模拟量输出。

内置RS485通讯接口，支持一带多的网络解决方案，支持DeviceNet、ControlNet、Profibus和EtherNet/IP网络通讯。

支持DriveExplorerorDriveExecutive编程软件（需要适配器22-SCM-232）。

内置PID控制环。

集成可编程操作面板和LED指示灯。

支持标准DIN导轨安装和零间隙安装特性。

三、控制系统接线

1、开关量输入信号连接

各种按钮和传感器连接到1769-IQ16模块上。

停止按钮常闭触点连接到In0通道上；

启动按钮常开触点连接到In1通道上；

自检按钮常开触点连接到In2通道上；

点动上按钮常开触点连接到In3通道上；

点动下按钮常开触点连接到In4通道上；

负载上行程开关常闭触点连接到In5通道上；

负载下行程开关常闭触点连接到In6通道上；

零位开关常闭触点连接到In7通道上。

2、开关量输出信号连接

指示灯、电磁刹车及变频器通过1769-OW8模块进行控制。

电磁刹车由1769-OW8的Out0控制；

故障指示灯连接到Out1通道上；

运行指示灯连接到Out2通道上；

自检指示灯连接到Out3通道上；

变频器正转运行（引脚2）由Out4通道控制；

变频器反转运行（引脚3）由Out5通道控制；

变频器点动正转（引脚5）由Out6通道控制；

变频器点动反转（引脚6）由Out7通道控制。

3、模拟量输入连接

变频器电流反馈连接到1769-IF4的电压输入0通道上。

4、模拟量输出连接

变频器频率控制连接到1769-OF2的电压输出通道0。

电气接线图如下图所示。

图4电气接线图

四、变频器设置

按下ESC键，进入变频器参数设置模式，对变频器参数进行设置。

图5变频器设置菜单

基本参数组

P031[MotorNPVolts]电动机额定电压，设置为380V；

P032[MotorNPHertz]电动机额定频率，设置为50Hz；

P033[MotorOLCurrent]电动机过载电流，设置0.8A；

P034[[MinimumFreq]最小频率，设置为0.0Hz；

P035[MaximumFreq]最大频率，设置为50.0Hz；

P036[StartSource]启动源，设置为2-“2线”；

P037[StopMode]停止模式，设置为4-“Ramp”；

P038[SpeedReference]速度参考，设置为2-“0-10VInput”；

P039[AccelTime1]加速时间1，设置为0.5S；

P040[DecelTime1]减速时间1，设置为0.5S；

P041[ResetToDefalts]恢复默认设置，设置为0-不操作；

P042[VoltageClass]电压等级，设置为2-低压；

P043[MotorOLRet]电动机过载累积，设置为0-禁止；

高级参数组

A051[DigitalIn1Sel]，数字量输入1，端子5，设置为11-“点动正转”；

A052[DigitalIn2Sel]，数字量输入2，端子6，设置为12-“点动反转”；

A065[AnalogOutSel]模拟量输出选择，设置为1-“输出电流0-10V”表示0-200%额定电流；

A078[JogFrequency]点动频率，设置为8.0Hz；

其他关于变频器的详细设置，请参照出版物22b-qs001_-en-p和22b-um001_-en-e。

五、控制系统编程调试

5.1建立通信连接

将CompactLogix控制器通过以太网接口连接到局域网交换机上。

在RSLinx中添加Ethernet驱动程序，建立与CompactLogix控制器的通信。

图6添加Ethernetdevices驱动程序

在HostName栏中输入控制器的IP地址。

对于未进行IP地址设置的控制器，可以通过BOOTP-DHCPServer软件对控制器IP地址进行设置，连接后在控制器中的1769-L32EEthernetPortLocalENB对IP地址进行重新设置。

当前控制器IP地址设置为10.1.2.31/10.1.2.32。

5.2新建CompactLogix控制器项目

从“开始”菜单点击“RockwellSoftware”，选择“RSLogix5000EnterpriseSeries”文件夹中的“RSLogix5000”，打开RSLogix5000编程软件。

从“File”文件菜单中选择“New”新建控制器项目。

控制器类型选择1769-L32E——CompactLogix5332EController，选择Revision（版本）13，在Name栏中输入控制器名称“Pump”。

图7新建控制器

5.3I/O模块配置

右击I/OConfiguration下的CompactBusLocal，选择NewModule，添加输入输出模块。

图8配置I/O模块

图9新建1769-IQ16模块

为1769-IQ16/A模块输入唯一的模块名称——Button_Sensor，选择槽号1。

图10设置IQ16模块参数

图11新建1769-OW16模块

为1769-OW16模块输入唯一的模块名称——DRV_BRK_INDI，选择槽号2。

图12设置1769-OW16模块参数

图13新建1769-IF4模块

为1769-IF4模块输入唯一的模块名称——Current_Feedback，选择槽号3。

图14设置IF4模块参数

使能通道0，输入范围0-10V，滤波器60Hz，数据格式为PercentRange。

图15设置IF4模块通道参数

图16新建1769-OF2模块

为1769-OF2模块输入唯一的模块名称——Frequency_Output，选择槽号4。

图17设置1769-OF2模块参数

使能通道0，输出范围0-10V，数据格式PrecentRange。

图18设置OF2通道0参数

5.4程序设计

通过逐步实现每个简单功能，最终实现完整的抽油机控制。

抽油泵从零点位置（配重在光电开关位置）以固定频率向上运行，到达指定位置后反向运行返回至零点，往复运行实现抽油功能。

电动机运行曲线如图19所示。

图19电动机运行曲线

5.4.1点动控制

打开SB2断路器，打开电动机的电磁刹车，使电动机可以转动；

点动上按钮在配重没有到达下行程开关时直接控制变频器点动正转输出；

点动下按钮在配重没有到达下行程开关时直接控制变频器点动反转输出。

图20点动控制程序

5.4.2刹车控制

关闭SB2断路器，电磁刹车由接触器KM2控制器。

在没有故障的情况下，有点动正转或点动反转输出时，激励刹车控制接触器，松开电动机电磁刹车。

5.4.3自检

系统初次运行、经长时间停机后或出现故障时，可以通过自检程序对控制系统中的上行程开关、下行程开关、光电开关及编码器等传感器进行检测，各传感器正常则顺利完成自检，某个传感器出现故障则给出报警。

可以通过对报警指示灯的闪烁频率进行改进，实现各种不同报警的区分。

（实例程序中已对各种故障进行区分，但未在报警指示灯上体现）

如何通过最简单的程序完成传感器的检测是本系统程序设计难点和亮点之一。

其难度大于抽油机正常运行程序，可作为深入设计内容。

从众多实现方式中找出最简单的方式、最简单的指令来实现，需要对PLC逻辑控制及PLC逻辑控制指令有深刻的理解。

按下自检按钮时，首先应利用自锁保持自检信号，同时应将各传感器的有效信号清零。

利用自检保持信号进入自检子程序，输出自检指示灯。

在自检子程序中对各个传感器进行检测，首先检测下行程开关（点动正转至下行程开关）、然后检测光电开关和上行程开关（点动反转至上行程开关），并在转动过程中检测编码器。

在主程序中，自检程序中产生的正转和反转点动信号请求并联到正转和反转点动控制条件中，实现对变频器正转、反转的控制。

检测到某个传感器无效时，置位该传感器的故障位，并在主程序中由该故障位控制故障指示灯输出。

5.4.4运行

运行控制中自动回零位是比较复杂的，可以先实现手动归零，然后进入自动运行状态。

没有停止信号及故障信号时，按下启动按钮则锁存运行位；

停止按钮解锁存运行位，实现运行停止；

进入运行子程序时，先通过MOV指令为主计时器赋值，令预置值为30000（30秒，即每分钟往复运动2次）

根据电动机运行曲线计算出正向加速段完成时刻、正向匀速段完成时刻、正向减速段完成时刻、反向加速完成时刻、反向匀速完成时刻、反向减速完成时刻，确定匀速段速度，并根据匀速段速度计算出加速度，从而使电动机按照既定的曲线运行。

示例程序中设置了变频器速度因子，可以通过调节该因子直接调整匀速段的速度，从而调节冲程（梯级10）。

通过调整主计时器时间和各个完成时刻可以实现冲次的调整。

如果由于各种原因造成行程超出限定范围，则会触发上、下行程开关，造成超行程故障，需进行保护。

运行时还需要对电动机电流进行监视和保护。

示例程序如下所示。

该方式完全通过计时器控制电动机运动曲线，可能造成累计误差，即运行时如果由于各种原因造成上冲程和下冲程行程不同则会因累计误差使得悬点和配重超出上/下行程保护，产生故障。

因此需要利用光电开关对其每次行程进行校正，在触发光电开关信号时对主计时器进行复位，重新确定零点，保证每次行程的一致性。

通过光电开关复位主计时器可以防止配重返回时超过零位，到达零位时自动复位重新开始冲程动作。

如果配重由于某种原因在计时器完成时未回归到零位，自动重新开始冲程时由于未从零位置开始，将导致冲程上移，配重冲出下行程开关。

因此必须保证配重每个冲程都返回零点。

在计时时间到而配重未返回零位置，则采取措施使之返回零位置。

以上的程序的问题是在按下启动按钮时，系统会从当前位置开始运行，因此需要手动将配重归零位，否则可能导致配重超出下行程范围，需进行自动归零位操作。

自动归零是按下运行按钮第一次运行时判断配重是否处于零位置，不是时控制配重返回零位，然后进入正常运行状态。

因此需要判断是否是第一次运行，在按下按钮时可以置位第一次运行的标志位，并在配重返回零点后清除该标志位，进入运行状态。