基于角位移传感器的抽油机调速控制系统

基于角位移传感器的抽油机调速控制系统

赵德龙1娜仁莎2

1天津市万众科技发展有限公司300280;2英纳奔萨电气(天津)有限公司300457

摘要：抽油机是有杆采油的地面驱动设备，目前国内外应用最广泛的是游梁式抽油机（俗称磕头机），游梁式抽油机工作时，传动皮带将电动机的高速旋转运动传递给减速器的输入轴，经减速后由低速旋转的曲柄经过连杆机构，带动游梁作上下往复摆动。有杆抽油是我国原油开采时所采用的主要方式，但陆上油田用抽油机效率低、功率因数低、耗能高、“大马拉小车”等问题普遍存在。各油田用于抽油的电能消耗量巨大，抽油装置的节能问题已经引起了广泛的关注。

关键词：角位移传感器；抽油机调速控制系统

引言：本控制系统是一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，通过检测抽油机游梁的当前角度，控制变频器来实时调整抽油机电动机的转速，并将能量反馈给电网，提高抽油机单井采油时率、节约电能、降低网损、解决“大马拉小车”、启动力矩大、电流冲击大等的全自动节能控制系统。

1控制系统的特点：

1.1采用角度位移传感器测量抽油机游梁的角位移，将传感器发出的4-20mA模拟量信号传输至PLC控制系统，大大提高了检测的精度、信号传输距离及可靠性。

1.2.采用日本YASKAWA公司H1000系列变频器，通过导线与PLC控制系统连接，实现了低成本、安全可靠的自动化传动控制系统。

1.3.采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本。

1.4.采用能量回馈单元，当电动机处于发电状态时，将电能储存，当电动机处于电动状态时，再将电能返回给抽油机，大大降低了系统的功耗；整个控制系统具有较高的防护等级，使其可以连续、长期、稳定地在户外工作。

1.5.采用远程监控模式，客户端免维护，使系统的分布相对集中，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性；

1.6.基于对抽油机负载特性的研究，PLC控制系统软件嵌入了多种智能算法与自学习功能，大大减小了数据的误差，提高了控制精度。

2.下面对控制系统进行详细说明：

本控制系统的架构如图1所示，包括角位移传感器①、PLC控制系统②、变频调速系统③、电动机④、远程终端⑤、GPRS通讯模块⑥。

2.1角位移传感器①，用于检测有杆式抽油机的游梁角度信号，并将检测的角度数值以4-20mA模拟量信号传输给PLC控制系统；

2.2PLC控制系统②，用于接收采集角位移传感器与机柜温度的模拟量输入信号，接收采集工频及变频运行、故障、变频器状态和机柜上各个操作按钮的开关量输入信号，发出工频及变频运行、状态指示灯和报警喇叭等开关量输出信号，发出变频器频率给定的模拟量输出信号、启停信号等，通过CPU内部存储的编译程序来实现系统的自动控制。

2.3变频调速系统③，用于驱动电动机，接收PLC控制系统发出的运行、停止和频率给定指令，实时调整输出频率，使电动机的转速可调。能量回馈单元将电动机处于发电状态时的能量反馈回电网，达到节能降耗的目的。

2.4电动机④，用于带动有杆游梁式抽油机运动，实现上下冲程的采油动作，其转速是由变频器来实时调整的。

2.5远程终端⑤，用于远程集中监控抽油机控制系统的运行状态，人工参与控制并调整控制系统的参数和状态。

2.6GPRS通信模块⑥，采用WDTU-0511DGPRSDTU，用于接收远程终端发出的指令，并将接收到的信息传输至PLC控制系统②，用于接收PLC控制系统信息，并将接收到的信息发送给远程终端⑤。

各系统都具有独立的控制器和电源，多个无线加速度传感器节点1组成传感器网络。

3.PLC控制系统采用无锡信捷XC3-24R-C系列可编程序控制器，它具有14点NPN输入，10点继电器（R）输出DC24V（C）电源，可外接扩展模块和BD板，可带时钟并对数据进行掉电保持，支持基本的逻辑控制和数据运算，支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯、MODBUS通讯等功能。由于需要进行模拟量的检测与控制，所以增加了一块XC-E3AD4PT2DA型号扩展模块。

220V交流电源接入L与N端子，开关量输入冷却风扇反馈信号接入X0、X1与COM，启动按钮信号接入X2与COM，停止按钮信号接入X3与COM，工频运行接触器KM1反馈信号接入X4与COM，变频运行接触器KM2反馈信号X5与COM，变频器故障信号接入X6与COM，能量回馈单元故障信号接入X7与COM，远程控制信号接入X10与COM，热继电器反馈信号接入X11与COM，急停信号接入X12与COM，变频器故障时自动启动开关信号X13与COM。开关量输出变频器启动信号接到Y0与COM0，旁路启动信号接到Y1与COM0，故障指示灯信号接到Y2与COM0，运行指示灯信号接到Y3与COM0。扩展模块接入信号包括：模拟量输入机柜温度检测信号接入AI0与0V，角位移检测信号接入AI1与0V，模拟量输出变频器频率给定信号接到A0与C0，24V直流电源接入24V与0V端子。

4.变频调速系统采用日本YASKAWA公司H1000系列变频器，该系列变频器拥有先进的电机驱动技术，可以实现对所有类型电动机的驱动，感应电机和同步电机变频器可以通用，可以通过参数设定切换感应电机与同步电机。具有耐油、防湿、抗震动等适应各种恶劣工作环境的产品，还有防尘、防水型等各种保护结构的变频器产品，抑制电源高次谐波，噪音低。

远程终端直接采用已有站库的数据采集监控系统，站库数据采集监控系统接收到抽油机变频柜发回的数据，通过触摸屏或工控机上的组态画面进行远程监控和控制。

游梁式抽油机工作过程的基础过程：将角位移传感器安装于游梁式抽油机的游梁上，当抽油机在运行过程中，游梁的倾斜角度实时变化，角位移传感器依据倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角，将PLC控制系统采集到的信号发送给远程控制终端，并接受远程控制终端发出的命令，操作及工艺人员可以通过远程终端，实时监控设备运行状态和工艺参数，还可随时调整抽油机的运行速度，从而实现抽油机的远程集中控制。

5.基于角位移传感器的抽油机调速控制系统，其特征在于，该控制系统包括角位移传感器①、PLC控制系统②、变频调速系统③、电动机④、远程终端⑤、GPRS通讯模块⑥，其中：

角位移传感器①用于测量抽油机游梁的倾斜角度，并将采集的信号传输给PLC控制系统②；

PLC控制系统②采用信捷XC3系列控制器，用于存储逻辑控制程序，将接收到的角位移传感器①测量值进行计算，同时还接收变频器的反馈信号、接触器的反馈信号、按钮开关的反馈信号、机柜温度信号等输入信号；经过内部存储的逻辑控制程序与算法对工频启停、指示灯、变频器的启停、频率给定等信号传输给变频调速装置③；

电动机④可以用三相鼠笼型异步电动机，也可以选用变频电机，由于电动机基本不在低频情况下运行，所以两者均可选用。

远程终端⑤没有特殊的规定，可以是远程中控室的工程师站，也可以是触摸屏。它用于修改变频控制柜的参数，并实时监控抽油机的运行情况，将系统采集的信号通过人机组态界面显示出来。

GPRS通信模块⑥采用WDTU-0511DGPRSDTU，用于接收远程终端发出的指令，并将接收到的信息传输至PLC控制系统②，同时接收PLC控制系统信息，并将接收到的信息发送给远程终端⑤。

具体的实施方法为：角位移传感器①，安装在抽油机游梁上，通过导线与PLC控制系统②相连。PLC控制系统②通过导线与变频调速系统③相连接，同时与GPRS通讯模块⑥进行RS485通讯，安装在控制柜内。变频调速系统③通过导线与电动机④进行连接，导线的截面积根据电机额定电流来选择，安装在控制柜内。电动机④安装在抽油机上，通过皮带与抽油机连接。远程终端⑤设置在远程中控室，GPRS通讯模块⑥安装在控制柜内，通过导线与PLC控制系统②连接，并进行RS485通讯。

综上所述，基于角位移传感器的抽油机调速控制系统，包括包括角位移传感器、PLC控制系统、变频调速系统、电动机、远程终端、GPRS通讯模块。角位移传感器实时检测抽油机游梁的倾斜角度；变频调速系统接收PLC控制系统发出的命令，驱动电动机在不同的转速下运行，同时反馈单元将电动机发电状态下产生的能量反馈给电网；电动机通过皮带拖动抽油机进行上下冲程运动，冲程频率可调；远程终端实现抽油机变频柜的远程控制启停及调速；GPRS通讯模块将PLC控制系统采集到的信号通过无线发射给远程终端，同时接收远程终端发出的命令。实现了抽油机的调速及远程集中控制。

结论

采用本抽油机调速控制系统后，抽油机采油效率大大提高，节约电能、降低网损、基本解决了启动力矩大、电流冲击大等问题。

参考文献：

[1]孙迎远，郭国选，孙事达抽油机用位移传感器结构改进设计-《中外企业家》–2009