PLC在智能塔架式抽油机上的应用.pdf
2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 石 油机械 CHI NA P ETROL EUM MACHI NERY 应用技术 P L C在 智能塔架式抽油机上 的应 用 李 成群 孙 超 张 习加 白仲 颖 1 .河北理 工大学机械 工程学 院2 .唐 山宏冶集 团 摘要 智能塔架式抽油机 改变了常规游梁式抽油机 四连杆机构 的原理 ,采用智能控制调速 电 动机正反转来实现抽油杆 的直线往复运 动。 由于采用 了调速 电动机和数控技术 ,可根据油井工况, 随时对冲程和冲次等参数进行 自动无级调整,保证低渗透 油田对长冲程和低冲次 的要求。现场应 用表 明,在相同井况和产液量下 ,该抽油机平均每天耗 电6 0 k W h ,与常规游梁 式抽油机相比, 节能 5 0 %以上,机械效率可达 8 0 % 以上,系统效率达到 5 2 . 9 %。 关键词 智能塔架式抽油机P L C调速 电动机数控技术 0 引 言 国内传统的游梁式抽油机运行效率低 ,电量消 耗大 ,我国每年机 械采油耗 电量 达 4 2亿 k W h , 约 占油 田总用 电量 的 4 0 %l 】 - 2 ] 。随着 油 田井下 油 液深度的加深和油液粘稠度的增加 ,油田对抽油机 提出了更高的要求 ,要求抽油机具有长冲程 、低冲 次 、智能和节能等功能 。因此 ,研制运行效率高 、 节能并能降低采油成本 的新 型抽油机势在必行 。 智能塔架式抽油机改变了常规游梁式抽油机四连杆 机构的原理 ,采用智能控制调速电动机正反转来实 现抽油杆的直线往复运动。由于该抽油机采用了调 速电动机 和数 控技 术 ,可 根据油 井工况 ,随 时 对冲程和冲次等参数进行 自动无级调整 ,保证低渗 透油 田对长冲程和低冲次的要求。塔架式抽油机是 无游梁式抽油机的一种 ,因其具有结构简单 、控制 方便 、耗能少和 占用空问少等优点 ,在油 田生产中 应用越来越多。 1 结构及 工作原理 1 . 1 结 构 智能塔架式抽油机的结构原理如 图 1所示 。智 能塔架式抽油机主要 由基础部分 、桁架部分 、传动 部分和电控部分组成 。 图 1 智 能 塔 架 式 抽 油机 结 构 原理 图 1 一光杆 ;2 一井 口胶带 ;3 一导 向轮 ;4 一卷 筒 ; 5 一 减 速 器 ; 6 一 电动 机 ; 7一 机 架 ; 8 一 配重胶带 ; 9 一配重箱 ; 1 O 一 电控柜 ; 1 1 --基础 。 1 . 1 . 1 传动 部 分 传动部分由调速 电动机 、减速机构 、轮组和平 衡机构等组成。为了使井 口胶带正对井 口,在井 口 上方 的平 台上设置导 向轮机构 ,用来调整井 口胶带 的位置。减速机构采用 四轴三级标准减速器。 1 . 1 . 2电控部 分 电控部 分 主要 由操作 面板 、s 72 0 0 P L C _ 5 J 、 调速电动机控制器 、调速电动机 、制动器 、温控系 基金项 目唐山市科学研究与发展计划项 目 “ 长冲程智能抽油机研究开发 ” 0 8 1 1 0 2 0 2 A一5 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 统和报警系统等部分组成。 1 . 2 工作原 理 电动机是抽油机系统的动力源 ,它首先将电能 转换成旋转机械能 ,通过减速机构的调速 ,将低速 旋转机械能传递给卷筒 ,经卷筒转换成竖直运动方 向的机械能。竖直运动的井 口胶带带动光杆来实现 油液的抽汲 。主动轮上 的配重胶带与抽油杆胶带形 成了一个对称平衡式结构 。 抽油机控制系统通过 P L C用户程序来控制调 速电动机的启停 、点动 、速度调节和 自动换向等。 调速电动机经过减速机构和传动机构带动抽油杆上 下往复运动完成油液的抽汲。主动轮上的配重胶带 与抽油杆胶带形成 了一个对称平衡式结构 J 。 2 功能 2 . 1 抽油机点动运行 点动运行操作主要用于抽油机冲程冲次的确定 以及手动调整。智能塔架式抽油机系统安装后 ,第 1 次运行前需 要进行冲程调 整 ,P L C模块记录上 、 下冲程 ,在以后的运行中抽油机以此为依据运行。 2 . 2 抽油机 自动运行 系统运行后 ,电动机动力经过减速机构 、卷筒 机构将电动机的旋转运动转换成抽油杆胶带的上下 往复运动 ,抽油杆胶带带动抽油泵来完成油液的抽 汲 。这样 ,抽油机就在 P L C的 自动运行控制状态 下连续地运行。 2 . 3 抽油机运行参数调整 抽油机 系统运行时 的调整是 通过 P L C用户程 序 自动完成的。系统调整 的影响因素主要包括运行 惯性 、悬点 载荷 、位置感知和人机界 面参数输入 等。P L C系统接收到调整指令后即刻进行程序内部 运算 ,然后对系统运行做出调整 。 2 . 4手动设置冲次 操作人员能够通过人机界面对抽油机系统进行 程序修改与参数设定。抽油机运行速度可由控制面 板调节 ,通过调节调速 电动机控制电路来 间接无级 调整电动机转速,从而实现抽油机冲次的无级调整 。 2 . 5 自动调整冲次 抽油机开始运行后 ,P L C能够根据监测每次冲 程的抽油量 ,自动调整冲次时间,以保证每次冲程 为满载荷冲程 ,提高抽油机 的抽油效率。 2 . 6抽油机失载保护 在智能塔架式抽油机的 自动运行状态下,井 口 胶带或者配重胶带由于某种原因突然断裂时,要能 够使 P L C监测到并能够立 即采取有效措施来控制 系统 ,避免因胶带断裂而造成危害。为了准确获得 抽油杆载荷的动态变化 ,可以采用 电流传感器和载 荷传感器等。失载保护装置采用电流传感器 ,电动 机电流的检测是最 方便 、最可靠 和成本最低 的方 法 。工作原理 为 采用 电流传感器来监 测 电动 机的三相电流 ,将采集到的电流信号转换成电压信 号后利用运算放大器将三相信号量相加 ,再通过模 拟量输 入模 块 E M2 3 1将 信 号传 送 给 P L C,通 过 P L C来判断抽油机的载荷状况 ,如果监测电流小于 设定值 ,系统立 即停机刹车 ,保护系统。 3 控制 系统及 原理 智能塔架式抽油机控制系统原理如图 2所示 。 该抽油机控 制系统是 以 P L C为核心 的控制单元 , 通过调速电动机控制器控制调速 电动机 ,经过机械 传动系统完成抽油机的抽油运动 。P L C控制模块能 够通过设置在抽油机塔架上 的传感器等元件 ,根据 设备工作状态 自动进行参数设置 。操作人员可以通 过操作面板对系统进行完全控制 ,同时还可以通过 H MI 来对 P L C模块程序进行参数设 置与修改 。智 能塔架式抽油机的智能温控及故障报警系统使系统 具有 良好的自我保护功能。当调速电动机控制器的 功率器件和电动机的温度超过设定温度后 ,系统会 采取措施来控制系统温度 ;当系统因某种原 因出现 故障时,系统会 自动停机刹车或失电刹车。 S7 2 00 PLC 控制器 及扩 展 模块 调 速 电动 调 速 电动 机驱 动 机控制器 l’ l 器及调速 电动机 制 动器 及失 电制动 器 上 止点 、中点 、 下 止点行 程开 关 报警 系统 图 2 智能塔 架式抽油机控制 系统原理 图 3 . 1 控制系统 P L C的硬件配置 s 72 0 0 P L C是 一种 属于 西 门子 小 型整 体式 P L C系列的可编程控制器 ,它适用于各领域中的检 测 、监测及控制的自动化应用 。它 的硬件系统包括 中央处理器 C P U 、存储器 、输入单元和输出单 元 I / O等部件 ,它们 都被 封装在 同一个 机壳 内,成为一个功能强大的微型控制器。本系统采用 s 72 0 0系列 P L C的主控模块 C P U 2 2 4 。C P U 2 2 4有 1 4个输人点 ,1 0个输 出点 。 3 . 2 P L C软件设计 P L C软件主程序结构流程 ,如图 3所示。程序 采用梯形 图编制 ,编程软件利用西门子公司开发的 统一 一 板一一 面 系 一 一面 一 一界 Ⅲ 竺 2 0 1 0年 第 3 8卷第6期 李成群等P L C在智能塔架式抽油机上的应用 一 6 5一 专用编程和配置软件 S T E P 7一Mi c r o / WI N ,它是 基于 Wi n d o w s 操作系统的编程和配置软件 ,支持梯 形图、指令表和功能图编程方式 ,用户编写的程序 和程序运行所需 的数据 以文件块的形式存储在 P L C 的存储器中。该软件使用梯形图或语句表达形式进 行离线编程 ,并且在运行程序时 ,还可以通过在线 监测功能来监视各个变量 ,调试方便。 图 3 P L C软件主程序 结构流程 图 3 . 3 文本显示器、键盘和界面的设计 为了满足智能塔架式抽油机控制系统 的人机交 互要求 ,设计 了 P L C人 机界面 ,以便操作人员 对 设备进行在线调试或参数设置 。 西 门子 T D 4 0 0 C是一 种人 机 界面 ,使用 组 态 T D 4 0 0 C一组 层级 式用 户菜 单 ,使 其显 示 由 S 7 2 0 0 C P U中的特殊位功能的报警或信息 ,使操作员 或用户能够与应用程序进行交互 。使用 S T E P 7一 M i c r o / WI N的文本显示 向导来组态 T D 4 0 0 C,为其 创建画面和报警 。可以使用 T D 4 0 0 C键盘上的按 钮 来浏览这些画面和菜单 。文本显示 向导会创建参数 块 ,在其中存储 T D 4 0 0 C的组态 、画面和报警。s 7 2 0 0 C P U将该参数块存储在 V存储区中。在接通 电源 时 ,T D 4 0 0 C会从 S 72 0 0 C P U 中读 取 参 数 块。“ 文本显示向导 ”还可以为组态 T D 4 0 0 C设 置 密码 ,以确保未经授权的用户在 自动超时间隔内不 能访问 T D 4 0 0 C。文本显示器 的设计包括创建 面板 和组态 T D 4 0 0 C。根据系统功能 的要求 ,设计 了状 态显示 、参数设定和报警等界面。通过显示器的按 键可 以对系统的某些参数进行设定。 4 现场应用 情况 2 0 0 9年 5月 2 7 日,新疆 塔河 油 田采 油二 厂 T K 8 3 9井安装使 用 了智 能塔架式 抽油机 ,使用 至 今 ,设备运行情况 良好。经 中石油节能检测 中心 以 及使用单位的测试得到 1组数据 ,其 中主要的性能 参数为 悬点最大载荷 2 4 0 k N,冲程 1~ 7 m,最 大许可符合差 1 6 0 k N,电动机 功率 7 5 / 9 0 k W,功 率 因数 1 ,每 吨液 体 提 升 百米 有 功 耗 电量 0 . 4 5 k W h ,在相同井况和产液量下 ,该抽油机平均每 天耗 电 6 0 k W h左右 ,而常规游梁式抽油机耗电 1 6 0~2 0 0 k W h ,相 比节能 5 0 % 以上 ;机械效率 可达 8 0 % 以上 ,系统效率达到 5 2 . 9 % 。 智能塔 架式抽 油机在新 疆塔河 油 田、辽河油 田、冀东油 田和中石化西北油 田等装机并运行 。现 场应用情况表明 ,该智能塔架式抽油机具有原理先 进 、智能化程度高 结构简单 、操作方便 、运行稳 定可靠 、节能效果 明显 以及抗干扰能力强等特点。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 母丹 ,张奕黄 .开关磁 阻 电动机在 抽油 机节能 改 造项 目中的应用 [ J ].电机电器,2 0 0 8 ,2 7 1 0 3 4 3 7. 尚志会 .塔架式数控抽油机的应用价值 [ J ].中国 石 油企 业 ,2 0 0 9 6 1 0 81 0 9 . 程 璐 ,冯 林 .抽 油 机 节 能 原 理 与 系 统 设 计 [ J ]. 大电动机技术 ,2 0 0 4 2 2 9 3 1 . 高丙坤 ,梁志武 .油 田用 电终端 应用 开关磁 阻电动 机的研究 [ J ].油气田地面工程,2 0 0 2 3 6 9 7 0. 孙承志,徐智 .西门子 s 72 0 0 / 3 0 0 / 4 0 0 P L C基础 与应用技术 [ M]. 北京机械工业出版社,2 0 0 9 . 孙庆红 ,温泽民,王善政,等 .电动机换 向智能抽 油机应用与分析 [ J ].石油机械 ,2 0 0 2 ,3 0 5 313 3. 徐光 ,凌云峰,曹宝良,等 .基于 P L C的抽油机 间抽控制系统 [ J ].机电设备 ,2 0 0 6 3 2 5 2 8. 廖常初 . P L C编程及应用 [ M].北京 机械工业出 版社 ,2 0 0 5 . 第一作者简介李成群 ,副教授,博士,生于 1 9 6 3 年,1 9 8 5年毕业于沈阳工业大学流体传动及控制专业,现 从事机电一体化研究及教学工作。地址 0 6 3 0 0 9 河北省唐 山市 。电话 0 3 1 5 2 6 2 8 0 3 1 。Ema i l l c q t s v i p . s i n a . c o n。 收稿 日期 2 0 1 0一O 1 1 0 本文编辑赵连禄