塔架式抽油机PLC控制系统设计.pdf

2 0 1 2年第 4 1卷 第 1 2 期 第 2 9页 石 油矿 0 l L Fl ELD 场 机械 E QUI P ME NT 2 0 1 2， 4 l 1 2 2 9 ～ 3 2 o o 文 章 编 号 l 00 1 - 3 4 8 2 2 O1 2 1 2 - 0 02 9 0 4 塔架式抽油机 P L C控 制系统 设计 郭庆荣 ， 李 全 ， 曹 佳 ， 胡 勇 ， 刘建鹏 ， 赵春喜。 1 ． 渤海装备新世纪机械制造公 司， 天津 3 0 0 2 8 0 ； 2 ． 国家油气 田井 口设备质量监督检验 中心 ， 湖北 荆州 4 3 4 0 0 0 ； 3 ． 中国石 油管 道工程有 限公 司 天津滨海分公司 ， 天 津 3 0 0 4 5 7 摘 要 为满足 大 悬点载荷 、 长冲程 、 低 冲次及 节 能的要 求 ， 研 制 了一种 新 型塔 架式抽 油机 。该抽 油机 采 用开 关磁 阻 电机 驱 动 ， 皮 带传 动 ， 配重 箱平衡 。控 制 系统 涉及 到 多点 定位 问题 ， 即要 求在 不 同 的 定位 点启 动 不 同的运行 方式 。采 用 P L C进行 定 位控 制 ， 实现抽 油机 的加 减速 、 换 向控 制 ， 及 不停 机 调 整 冲程 和 冲次 。 关 键 词 塔 架 式抽 油机 ； P L C； 控 制 系统 中图分 类号 TE 9 3 7 文献标 识 码 A De s i g n o f PLC Or i e n t a t i o n Co nt r o l S y s t e m i n Cy l i n d e r Ty pe Pu m p i n g Un i t GUO Qi n g t o n g ， LI Qu a n ， C AO J i a ， HU Yo n g ， LI U J i a n p e n g ， Z HAO Ch u n x i 。 1 ． Bo h a i Pe t r o l e u m Eq u i p me n t Ma n u f a c t u r i n g Gr o u p Ne w C e n t u r y Ma n u f a c t u r i n g Co ．， Lt d． ， Ti a n j i n 3 0 0 2 8 0， Ch i n a； 2 ． Na t i o n a l Oi l Fi e l d We l l h e a d Eq u i p me n t I n s pe c t i o n Ce n t e r， J i n g z h o u 4 3 4 0 0 0 ， C h i n a； 3 ． Ti a n j i n Bi n h a i Br a n c h， Ch i n a Pe t r o l e u m Pi p e l i n e En g i n e e r i n g C o r po r a t i o n， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 7， C h i n a Abs t r a c t To me e t t he r e qu i r e me n t s of t he bi g ho r s e he a d l o a d， l o ng s t r ok e， l o w s p e e d a nd e ne r gy s a v i n g， a ne w t y pe of d e r r i c k f r a me d pu m p i ng un i t was d e v e l o pe d． The pu m p i n g u ni t wi t h t o we r t y pe s t r uc t u r e us e s s wi t c h m a g ne t o r e s i s t i ve m o t o r t o dr i v e， be l t t o t r a ns mi t ， a nd we i ght b o x t o ba l an c e ． The c o nt r o l s ys t e m i nv o l ve s m u l t i p o i nt po s i t i o ni n g， t ha t i s， i t r e q ue s t s t o s t a r t d i f f e r e nt o pe r a t i ng m o de s a t di f f e r e nt a n c h or po i nt ．Ut i l i z i n g a n a l go r i t h m ， PLC c o nt r o l me t h od i s a d o pt e d i n t h e o r i e nt a t i o n c o nt r o l t o a c hi e ve t he a c c e l e r a t i on a nd d e c e l e r a t i o n， r e v e r s i ng c o nt r o l of v e r t i c a l p u mp i n g u n i t ， a n d a d j u s t i n g t h e s t r o k e a n d s p e e d wi t h n o d o wn t i me ． Ke y wo r d s d e r r i c k f r a me d pu mpi n g u ni t ； PLC； c o nt r o l s ys t e m 针对油 田井深 的增加及高 黏度稠油 的开采 现 状 ， 研 制 了一 种 新 型塔 架 式 抽 油 机 。该 机 型 具有 悬 点 载 荷 大 、 长 冲程 、 低 冲次 及节 能 的 特 点 。 目前 ， 立 式抽油机大多采用电气系统控制电机正反转完成其 换 向 。电气 换 向方式 主要有 2 类 ①采 用传 感器 接 近开关 作为换向位置信号 ， 其缺点是当改变抽油机 冲程时需要停机 ， 重新安装传感器 的位置 ； ② 采用 P L C编程对电机脉冲编码器进行高速计数 ， 到达汁 数值 后进 行换 向 ， 因此 可 以在 不停 机状 态下 ， 通过更 改设 置而 更改 换 向位 置 。通 过对 比分 析 ， 采 用 P L C 编程 的方式 进 行塔式 抽 油机换 向 ， 具 有更 加智 能 、 方 便 、 控制灵活等优点口 ] 。笔者根据塔架式抽油机 的 运 行特 点设 计 控制 系 统 ， 采 用 P L C进 行 控 制 ， 并 利 用 P L C高速计数器对 电机转速脉冲进行计数 ， 实时 收 稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 6 作者简介 郭庆荣 1 9 8 3 一 ， 男 ， 福建上杭人 ， 2 0 0 6年毕业于 中国石油 大学 华 东 ， 现从事 电气 自动化设计 及数字油 K t 设计 工作 ， E ma i l g u o 1 8 4 0 1 2 6 ． c o rn。 石 油矿 场 机械 定位 抽油 机 的运 行 位 置 ， 从 而实现 了抽 油 机 的 自动 控制 ， 并 且 町以在 不停 机 的情 况 下实 现 冲 程 及 冲次 的尢极 调 节。该 P l C定 位 控 制 系 统 达 到 厂良好 的 使 用效 果 。 l 塔架式抽油机基本 结构 及运行模 式 设 计‘ 的塔架 式 抽 油机 主要 由 内置 减速 器 卷 筒 、 前后传动皮带 、 前后传动轮、 开关磁阻调速 电机、 配 重箱 、 位 置传感 器等 组成 ， 结构 如 图 1所示 。 卜 一 光杆 ； 2 ⋯悬点 ； 3 - -- 塔架 ； 4 -一前传动轮 ； 5 前传动皮带 ； 6 开关磁阻 电机 ； 7 内置减速器卷筒 ； 8 - 一 后传动皮带 ； 9 ⋯ 后传动轮 ； 1 0 一光杆下 限接近开关 ； l l 配重箱 ； 1 2 原点接近开关 ； 1 3光杆上限接 近开关 图 1 塔架式抽油机结构 系统 应用 了开 关磁 阻 电机 ， 具 有转 速无极 可调 、 适 用于频 繁 启 停 及 正 反 转 运 行 和 系 统 效 率 高 的 特 点 ] 。通 过 电控 系统 控 制开关 磁 阻电机 实现正 反 转 动 ， 经减 速器 、 弹性 柱销 联 轴 器 驱 动 卷筒 正 反 转 动 ， 经卷筒缠绕或释放传动皮带带动抽油杆上下往复运 动 ， 实 现抽 汲原 油 。当 电动机逆 时针 方 向转动 时 由 电动 机输 出轴 端 看 ， 卷 筒 缠 绕前 传 动 皮 带 ， 提 升 抽 油杆 上行 ， 同时 释放 后 传 动皮 带 ， 使 配 重 箱 下行 ； 当 电动 机顺 时针方 向转 动时 ， 卷筒 释放前 传动 皮带 ， 使 抽 油 杆 下 行 ， 同 时 缠 绕 后 传 动 皮 带 ， 提 升 配 重 箱 上行 。 采用 P I C编 程 自动 控 制 电机 换 向 。设 计 控 制 系统 的关 键在 于实 时 确 定 抽 油机 悬 点 的 位置 ， 从 而 按 照设计 的运 行模 式 ， 由所设计 的 P I C程 序给 定 电 机 的转 速和运 行 方 向。本 控 制 系统 采 用 接 近 开关 ， 设 定 1个原 点 起 始点 ， 抽 油机运 行到 此点 时 ， 其 光 杆运行 到最 底部 ， 即抽 油 机 处 于下 冲程 最 低 点 。这 样 ， 不论如何更改 冲程值 ， 都能保证光杆 运行到底 部 ， 从而保证抽油泵柱塞始终在下死点以上往 复运 动 。设 置上 、 下 运行 极 限点 ， 用 于超 行程保 护 。 2 控 制系统设计方 案 2 ． 1 控 制 系统结 构 将 配 重 端设 计 为抽 油 机运 行 行 程计 数 端 ， 在 配 重端位置上方设置接近开关作为原点 ， 再设置上下 极 限位置 接近开 关作 为超 行程保 护 。选用 S I MAT I C S 7 2 0 0型 P L C， 将接 近 开关 信 号 、 开 关 磁 阻 电机 控制 器 的转速 、 转 向 信号 接 入 P L C， 设 置 P I C高速 计数模式 。通过 S I MAT I C T D 2 0 0人机界面输入冲 程 、 冲次、 电 机 转 速 参 数 及 报 警 信 息 显 示， 通 过 R 4 8 5接 口将 人机 界 面与 P I C、 P L C与 开关 磁 阻 电 机控制器连接， 实现控制及运行参数 上 、 下 冲程 电 机转速， 冲程， 故障信息等 通讯和设置。 具 体 控制方 式是 由原 点接 近开 关 给 P I C原 点 位置信号 ， 开关磁阻电机的编码器及其控制器 负责 检测 电机的旋转位移和方 向， 将转速脉冲信 号和转 向信号传给 P L C高速计数器进行计数 ， 由计数值确 定 悬点位 置 ， 继而控 制 电机 的运行状 态 ， 由电机 带 动 卷 筒运行 。控 制 系统结 构框 图如 图 2所 示 。 上、下极限限位 图 2 控制系统框 图 2 ． 2控 制运 行模 式设 计 控制模式 由 P L C程序进行设计 。设置 P L C高 速计数器 为带外 部方向控制和启动及复位 的单 向 增／ 减计数器模式 ， 原点信号作为 P L C高速计数器 的复位信号 ， 自动启动信号作为 P L C高速计数器 的 启动信号。P L C程序根据设定 的冲程 ， 计算 出电机 第 4 1 卷第 1 2 期 郭庆荣 ， 等 塔 架式 抽油机 P I C控制 系统设计 减 速 、 停 止及 换 向时所 对应 的 电机转 速脉 冲计数 值 ， 从 而控 制 电机 的转 速及 方 向 。抽 油机 启 动开始 自动 运行 时 ， 在原 点位 置 由 0速启 动 至高速 面板设 定上 冲程 运行 速度 ， 开始 上 冲程 运行 ， 离 开 原点 的 瞬 间 启动 P I C高 速计 数 器 ， 进 行 增 计 数 ； 当计 数 器 计 数 到达减 速 位置对 应 的 电机 转 速脉 冲值 时进行 减速 并 低 速运 行 ； 在低 速运 行 时 ， 到达 停 止 位 置 时停 止 ， 并 换 向 ； 再 由 0速启 动 至高速 面板设定 下 冲程运 行速 度 ， 同时由控制器转 向信号切换 P L C高速计数器 计数 方 向 ， 进 行减 计数 ； 计数 器计 数到 达减 速位 置对 应 的 电机 转 速脉 冲 值 时进 行 减 速 并 低速 运 行 ； 在 低 速 运行 时 ， 到 达原 点 位置 时停 止 ， 并 换 向 ， P L C高速 计数 器复 位 ， 重新 计数 ； 系统 如此 往复 运行 。控 制流 程如 图 3所示 。 图 3控制流程 将抽油机上下往复运行过程分为 8段 。 每段运 行 的行 程 分 别 记 为 L 、 L 、 L 。 、 L 、 L 、 L 、 L 、 L s 。 其 中 L 为上 冲程 启 动加 速 运行 阶段 ； L 为上 冲程 匀速 运行 阶段 ； L 。 为 上 冲程 减 速运 行 阶 段 ； L 为 上 冲程低速运行 阶段 ； L 为 下冲程启 动加速运行 阶 段 ； L 。 为下冲程匀速运行 阶段 ； L 为下冲程减速运 行 阶段 ； L 为下 冲程 低速 运行 阶段 。电机 转速 n与 时 间 t的理 论关 系如 图 4所示 。 图 4系统理想运行 转速与时间的关系 2 ． 3理 想定 位控 制行 程计 算 设抽 油机最 大 设 计 冲程 S 对应 的计 数 电机 脉 冲个 数为 Ml ， 设最 小 设计 冲程 S 。 对 应 的计 数 电机 脉 冲个数 为 M2 M 和 可 通 过 实 际 测 量 得 到 ， 则在 此范 围 内 任 意 冲 程 S所 对 应 的全 程 计 数 电 机 脉 冲个 数值 为 M M 2 M 1 ～ S S。 1 记 人机 界 面 设 定 的 上 冲 程 电 机 转 速 为 r ／ mi n ， 设 定 的下 冲程 电机 转速 为 r t r ／ mi n ， 此 时对 应 的 冲次为 N， 卷 筒 内置 减 速器 的减 速 比为 K。考 虑 到 因皮 带缠 绕在 卷简 上 ， 当皮带 缠绕 层数 不 同时 ， 皮带 的线 速度 也 有 所 不 同。 当缠 绕 层 数 为 i 时 ， 记 最外 层皮 带 与卷筒 中心 的距 离 为 R m ， 此 时 卷 筒 的线 速度 单位 m／ s 为 上 冲程时 一n R r l ／ 6 0 ／ K一 7 c R ／ 6 0 K 2 下 冲程 时 一7 【 R I ／ 6 0 ／ Kn R ／ 6 0 K 3 将 抽油 机 上 下 往 复 运 行 每 段 运 行 的 行 程 L 、 L 、 ⋯ 、 L 。 对应 的每 段运 行 时问 记 为 t 、 t 、 ⋯ 、 t ； 其 中 t 、 t 。 、 t 、 t 为抽 油 机 上 、 下 冲 程 时加 、 减 速 时 间 ， 可通 过 P L C程 序 和开 关 磁 阻 电机 控 制 器 设 置 ； L 、 L 为低 速缓 冲运行 距 离 ， 可 按抽 油 机设 计 型号 要求 设定对应值。由抽油机运行工况可知 ， 当抽油机运 行到 下 冲程死 点 附近 时 ， 与 配 重 端连 接 的皮 带 其线 速度 因皮 带缠 绕在 卷 筒上 的层 数 最 多 此 时 最 外层 皮带 与 卷 筒 中 心 的 距 离 记 为 R 而 最 快 ， 记 为 ； 当抽油 机运 行到 上 冲程 死 点 附 近 时 ， 与 配重 端 连 接 的皮带 其线 速度 因皮 带缠绕 在 卷筒上 的层 数最 少 此 时最外 层 皮带 与卷筒 中心 的距 离记 为 R 而 最慢 ， 记 为 。 ； 记 电 机低 速 运 行 转 速 为 n 当 电机 低 速运 行 时 ， 与 配 重 端 连 接 的 皮 带 其 线 速 度 记 为 。 。则 有 Ll 一0 ． 5 v t 1 0 ． 5 n Rm ” t 1 ／ 6 0 K 4 L， S L 一 L。一 L 4 5 ． 石油 矿场 机械 2 0 1 2年 l 2 月 L3 0 ． 5 ⋯ 0 t 3 0 ． 5 n R 。 t 3 n o ／ 6 0 K 6 L 为程序设 计 固定值 。 L5 0 ． 5 v ⋯ t 5 0 ． 5 n R⋯ t 5 ／ 6 0 K 7 L6 一 S L5 ～ L7 一 L8 8 L 7 0 ． 5 ⋯ o t 7 0 ． 5 7 c R⋯ t 3 0 ／ 6 0 K 9 L 。 为程序设计固定值 。 则 在 抽油 机 运 行控 制 过 程 中 ， 上 冲程 减速 位 置 脉冲值 为 M 一 L L M／ S 1 0 下冲程减速位置脉冲值为 Mb 一 L7 L8 M／ S 1 1 在 P L C中按 照上 述公式 编 写计算 程 序 ， 得 出每 段 的运行 距离 ， 即可 按 照所 设 计 的控制 运 行 模 式设 计程 序 ， 分段 控 制抽油 机 的运行 。 2 ． 4 实 际定位 控制设 计 需注意 的 问题 在 实 际运行 中 ， 需 要考 虑 4 个 问题 ， 不 断地 测试 和完善 硬件 和程 序 。 1 因皮带缠绕层数 的不确定性和缠绕有一定 的椭 圆度 、 P L C高 速 计 数 的 误 差 、 现 场 负 载 对 系统 实 际运行 曲线 的影 响 、 系统 运 行 时 的惯 性 及 其 他误 差 等 ， 还 需在 实 际测 试 中对启 动 、 减速 、 停 止脉 冲计 数值 进 行修 正 ， 使 系统 在误 差允许 范 围 内运 行 。 2 由于系 统误 差 ， 在 运行 一段 时间后 ， 系统在 下冲程过程 中在还没 回到原点时高速计数器就 已经 减 计数 到 0 ， 因此在 P L C编程 中需 要加 入 检 测 系统 回到 原点 时 的高速计 数器 值 的对 比校正 功能 。 3 在程 序 中设 置 好互 锁 及 保 护 功 能 ， 防 止 系 统因指令而错误动作。 4 还需 考虑 到现 场 电磁 的 干扰 ， 采 取 屏 蔽 和 隔 离等措 施 ， 避免 造成 P L C信号 的误 动作 。 3 控 制系统特点 设计的定位控制系统仅需使用 1个原点位置传 感器， 利用 P L C高速计数器对开关磁阻电机控制器 发 出的电机转速脉冲信号进行高速计数 ， 并 由开关 磁阻电机控制器发 出的电机转 向信号进行增／ 减计 数 切换 ， 降 低 了控制 系统 的成本 。通 过 读取 P L C内 高 速计 数器 值 ， 能够 实时读 取 系统 的运行状 态 ， 从而 可 以很 方便 地通 过 程 序设 计 ， 定 位 更 改 电机 的运 行 状 态 ， 满 足塔 架 式 抽 油机 的运 行 设 计要 求 。该 控 制 系统无需对抽油机结构进行调整 ， 可在不停 机的情 况下 直接 从 T D2 0 0面板 输 入 修 改 的 冲程 、 冲 次 通 过 设定 上 、 下 冲程 电 机转 速 修 改 ， 即可 改 变 抽 油 机 的运行 状态 ， 因此 极 大地 降低 了工 人 的劳 动 强 度 和 生 产成 本 。经过后 期 控制 系统开 发引进 载荷 传感 器 对抽 油机悬 点载 荷 进行 间歇 监测 ， 控 制程 序 可 根 据 载荷 情况 自动调 节 抽 油机 的冲 程 及 冲次 ， 实 现 抽 油 机的智能化控制。 4系统调试 与运行 将 编制 好 的程 序下 载到控 制 柜 内 P L C 中 ， 进 行 厂 内调 试 。 由开关 磁 阻 电机 、 控 制器 、 系统 控 制 柜 、 接近开关 、 模拟塔架及负载等组成试验平台， 在检查 硬 件 电 路 接 线 正 确 后 ， 设 置 好 控 制 器 参 数 ， 在 T D2 0 0人 机界 面 输入 冲程 和 上 、 下 冲程 电机 运 行转 速 ， 启 动 自动运 行 开 关 ， 电 机 按 照 程 序 开 始 启 动 匀速一减 速停 止一反 向启 动一匀 速一减速一停 止 ， 如 此往 复运 行 。厂 内调 试 完 成 后 ， 即可 进 行 现 场组 装 及 调 试 。现 场 调 试 过 程 中 ， 需 考 虑 各 种 可 能发 生 的情况 ， 对 控 制 系统 的各 项 功 能 进 行 测 试 ， 发 现 问题 及 时 修 正 控 制 程 序 ， 最 终 实 现 所 设 计 的 各 项控 制 和保 护 功 能 。 5 结论 1 该控 制 系统结 合 了开关 磁阻 电机具 有 四象 限运行 的特 点 ， 可频繁启 停及 正反 转 ， 冲次 可无极 调 节 ， 换 向方便 且具 有节 能效 果 。 2 基 于 P L C 编程 ， 应 用 P L C高 速 计 数 器 进 行转 速脉 冲计数 的定 位控 制 系统 能满 足塔 架式 抽油 机 的运行 控制要 求 ， 可 实 时 给定 冲程 、 冲次 由设 定 的电机 转速给定 ， 自动更 改 系统 的运行 状态 。 3 现场 试验 表 明 ， 其控 制方 式简便 灵 活 ， 可靠 性 高 ， 受 机械条 件 约束少 ， 并且 可根 据用 户要 求进行 系统扩展， 较好地适应了深井 、 稠油井的开采 。 参考文献 E l i 张学 鲁 ， 于 胜存． 立 式抽 油机 运 行 机 理 及 典 型 结 构 [ M] ． 东营 中国石油 大学 出版社 ， 2 0 1 1 5 7 6 3 ． E 2 ] 鲁晓军 ， 李佃贞 ， 王学 峰， 等． 开关磁 阻调 速电机在抽油 机上的应用 [ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 1 0 3 1 0 6 E a ] S I MA T I C s 7 2 0 0可编程序控制器系统手册[ K ] ． 2 0 0 0 ．