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嵌入式网络控制器在油田变频抽油控制系统的应用

1  引言

    为了提高胜利油田采油设备工作状态参数的实时综合测试和控制水平,保证油井高产量、高效率生产,及时发现并处理设备可能存在的隐患或发生的故障,并对盗油等行为进行及时的监测和制止,必须实施采油的自动监控和管理。同时,在胜利油田采油设备中,以游梁式磕头采油机应用最为普遍,数量也最多。但传统的磕头机普遍存在着起动冲击大,运行耗电多,效率低下等诸多问题,加之油井情况复杂,断杆、烧电机等现象经常发生,对电动机没有可靠的保护功能,设备维修量大,急需对现有的采油机设备进行改造。为此,我们利用泓格的I-7188EXD以及I-7000模块对大沙庄的12台采油设备采用了分布式变频采油控制方式,其应用效果十分明显。

2  工作原理
2.1 恒速采油的弊端和变频采油的必要性

    作为采油设备,其运动为反复地上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自于电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块,当滑块提升时,类似于杠杆的作用,将采油机杆送入井中,滑块下降时,采油杆提出带油至井口,由于电机转速一定,在滑块下降过程中,负荷减轻,电机拖动产生的能量势必进入再生发电状态,造成主回路母线电压升高,频繁的高压冲击会损坏电机,对电动机没有可靠的保护功能,一旦电机损害,造成生产效率降低、维护量加大,极不利于抽油设备的节能降耗,给企业带来了较大的经济损失。
    假如采用变频调速技术,效果则完全不一样:根据电机理论可知,其转速公式为:n=60f×(1-s)/p其中:P—电动机的极对数;s—转差率;f—供电电源的频率;n—电动机的转速,可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速,而对于变频器而言,其频率的调节范围是很宽的,可在0~400Hz之间任意调节,因此电机转速即可以在较宽的范围内调节。同时变频调速器具有低速软启动,转速可以平滑地大范围调节,对电动机保护功能齐全,如短路、过载、过压、欠压及失速等,可有效地保护电机及机械设备,保证设备在安全的电压下工作,具有运行平稳、可靠,提高功效等诸多优点,是采油设备改造的理想方案。在本系统中为防止采油滑块提升时对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,最高频率设在50Hz。
2.2 系统架构

    根据上述分析的变频控制原理,控制系统必须有控制器以及相应的控制模块,由于抽油设备均在野外工作,基本上处于“无人看管”的工作状态,采用工控机等之类的控制器显然是不合理的,而泓格的嵌入式网络控制器I-7188EX具有PC的一切控制功能,只要将其安装在防雨、防电等场合,便可工作,同时利于现场安装,满足设计要求。为此,围绕I-7188EX控制器,必须有相应的功能模块与之配合才能完成控制任务,为此我们选用了I-7024模拟量输出模块,让其输出的模拟信号作为变频器的输入控制信号,I-7060作为相应控制开关的控制模块、I-7017实时采集输油管路的流量,控制系统的架构图见图1所示。


图1     系统架构图


    由于下庄采油队有12台抽油机,为便于“集中管理、分布式控制”,在小队的控制室安装有一台监视控制计算机,主要用来管理I-7188EX,并且实时记录流量、工作日志、设备运行的健康状态。由于小队的控制室远离采油厂的采油统计中心,因此,巡视人员将定期携带移动式笔记本电脑通过HUB与控制计算机采用TCP/IP协议下载控制计算机的记录参数,然后回采油统计中心将各个采油分队的记录参数汇总,统计,达到了对采油设备工作状态参数的综合测试以及管理的目的。在图1所示的架构图中,I-7188EX与I-7000模块采用RS-485通信、I-7188EX与控制计算机采用TCP/IP通过HUB相连并通信。从而实现了分级控制、分级管理,利于维护、安装、移动和拆卸。是一种比较的采油设备控制系统。

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