梁宏寶 朱 砂 才松林 苗光輝

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.吉林油田分公司勘探設(shè)計(jì)院，吉林 松原 138000；3.河南思科石油環(huán)保設(shè)備有限公司，河南 許昌 461000)

基于PLC的自適應(yīng)平衡裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁宏寶1朱 砂1才松林2苗光輝3

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.吉林油田分公司勘探設(shè)計(jì)院，吉林 松原 138000；3.河南思科石油環(huán)保設(shè)備有限公司，河南 許昌 461000)

介紹了一種自適應(yīng)平衡裝置控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，用PLC對(duì)自適應(yīng)平衡裝置進(jìn)行自動(dòng)化控制，并給出了控制邏輯、執(zhí)行元件的確定方案。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠。

自適應(yīng)平衡裝置 PLC 平衡度

近年來(lái)，隨著油田數(shù)字化和智能化技術(shù)的快速發(fā)展，抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)方式也從原有的下偏杠鈴型抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)或人工更換游梁平衡塊進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式發(fā)展到僅在原有抽油機(jī)上添加平衡裝置即可實(shí)現(xiàn)智能控制調(diào)節(jié)的方式[1～3]。

目前市面上有多種結(jié)構(gòu)原理各異的智能平衡裝置，如調(diào)徑變矩式調(diào)平衡結(jié)構(gòu)、移動(dòng)式調(diào)平衡結(jié)構(gòu)和伸縮式自調(diào)平衡結(jié)構(gòu)[4,5]。雖然這些裝置都可以實(shí)現(xiàn)平衡配重的力矩變化，但控制系統(tǒng)運(yùn)算方法的適用性、運(yùn)算和調(diào)整的準(zhǔn)確性、裝置的可靠性都不盡如人意。目前大慶油田投入使用了新型自適應(yīng)平衡裝置——行星結(jié)構(gòu)平衡塊調(diào)節(jié)裝置，其控制邏輯采用獨(dú)創(chuàng)并經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證的有功功率平衡法，控制系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果更加真實(shí)可靠[6,7]，平衡調(diào)節(jié)裝置執(zhí)行調(diào)整更加平穩(wěn)，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。筆者針對(duì)行星結(jié)構(gòu)平衡調(diào)節(jié)裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，分析并驗(yàn)證該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，為數(shù)字化抽油機(jī)的研究提供了一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案[8～10]。

1 自適應(yīng)平衡裝置控制模型

自適應(yīng)平衡裝置是游梁式抽油機(jī)游梁尾部的一個(gè)配重部件，它與游梁一起構(gòu)成游梁式抽油機(jī)的平衡系統(tǒng)，主要由平衡臂、扇形齒輪、步進(jìn)電機(jī)、擺動(dòng)臂小齒輪、擺動(dòng)臂和平衡塊組成，抽油機(jī)自適應(yīng)平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 抽油機(jī)自適應(yīng)平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在游梁尾部通過(guò)平衡臂固定扇形齒輪，扇形齒輪兩邊通過(guò)固定軸連接兩個(gè)活動(dòng)擺臂，擺臂一端活動(dòng)固接在固定軸上，另一端通過(guò)調(diào)節(jié)軸活動(dòng)連接小齒輪，扇形齒輪和小齒輪位于兩個(gè)擺臂之間，擺臂分別通過(guò)固定軸和調(diào)節(jié)軸將扇形齒輪和小齒輪嚙合連接，在擺臂與小齒輪連接端固定有平衡塊。當(dāng)平衡度不符合設(shè)定值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)動(dòng)做驅(qū)動(dòng)小齒輪運(yùn)動(dòng)，從而改變平衡塊位置實(shí)現(xiàn)平衡指數(shù)調(diào)節(jié)。

2 自適應(yīng)平衡裝置控制系統(tǒng)策略

2.1控制原理

抽油機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)平衡裝置主要由穩(wěn)定性強(qiáng)的齒輪傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)，此外還包括PLC、電量采集模塊、主電機(jī)、角位移傳感器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、平衡步進(jìn)電機(jī)、平衡塊、GPRS模塊及命令輸入和顯示裝置等器件，其控制原理如圖2所示。其中，PLC根據(jù)角位移信號(hào)的變化分析出抽油機(jī)是上沖程還是下沖程，同時(shí)分析電量采集模塊采集的抽油機(jī)主電機(jī)上、下沖程500個(gè)點(diǎn)的有功功率，計(jì)算出上、下沖程的平均有功功率，用下沖程平均有功功率除以上沖程平均有功功率計(jì)算出當(dāng)前抽油機(jī)的平衡度，與目標(biāo)設(shè)定值比較后將執(zhí)行命令傳給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)平衡裝置實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。PLC上連接有無(wú)線模塊GPRS，該無(wú)線模塊與油田遠(yuǎn)程站控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息交互[11～13]。

圖2 抽油機(jī)自適應(yīng)平衡裝置控制原理框圖

2.2硬件選擇

控制器選用日本歐姆龍CP1E系列CP1E-NA20DR-A的PLC，其可靠性已經(jīng)得到各行業(yè)的充分認(rèn)可。

角位移傳感器選用蚌埠某廠家的SMA36系列，該角位移傳感器用電流輸出與軸旋傾角為線性關(guān)系的原理測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)位置，量程為水平位置-50～50°。該傳感器輸出平滑性好，兩線制，接線方便快捷，以強(qiáng)磁吸附式、槽鋼卡裝式或底板固定式安裝，安裝拆卸方便安全，鋁殼全密封防水，滿(mǎn)足全天候使用。

GPRS采用北京某公司的R-8554 Modem，該模塊內(nèi)置無(wú)線通信模塊，集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/RS-485接口和SIM卡接口，可以在PC機(jī)上用AT命令通過(guò)串口對(duì)它進(jìn)行設(shè)置和撥號(hào)上網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信(利用PC機(jī)的TCP/IP、PPP等協(xié)議)，可以快速組建無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

步進(jìn)電機(jī)采用某品牌86BYG250H型號(hào)(含驅(qū)動(dòng)器)，適用于機(jī)械工程設(shè)備。電機(jī)低細(xì)分運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部按照高細(xì)分自動(dòng)運(yùn)行，低速運(yùn)行非常平穩(wěn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)，采用先進(jìn)技術(shù)，高速運(yùn)行電機(jī)扭矩同比增加30%。電機(jī)輸入脈沖最高200kHz；具有相位斷電自動(dòng)記憶功能；可以定做任意細(xì)分?jǐn)?shù)。

主核心動(dòng)作器件斷路器、接觸器及繼電器等選用法國(guó)施耐德和德國(guó)西門(mén)子的器件，提升控制回路的安全可靠性，降低意外情況發(fā)生的幾率。

除主動(dòng)力線外，其他所有需接線的端口和外圍信號(hào)電纜接口全部采用航空插頭對(duì)接形式，避免現(xiàn)場(chǎng)人員接線錯(cuò)誤造成器件燒毀，使現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、高效。

2.3軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)游梁式抽油機(jī)平衡的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析出能反映出抽油機(jī)耗電量并可執(zhí)行運(yùn)算的實(shí)時(shí)參數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定采用獨(dú)創(chuàng)的有功功率平衡法進(jìn)行平衡指數(shù)分析[14～18]。

由角位移傳感器確定抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即確定上、下沖程；由電量采集模塊采集主電動(dòng)機(jī)有功功率，計(jì)算上、下沖程平均有功功率得出平衡指數(shù)；PLC控制輸入平衡度為1，當(dāng)實(shí)際平衡度出現(xiàn)偏差時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)平衡電機(jī)，調(diào)節(jié)擺動(dòng)臂平衡塊在扇形齒輪區(qū)域的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)平衡度，直至實(shí)際運(yùn)行電流比(平衡度)等于設(shè)定值，其控制流程如圖3所示。

圖3 抽油機(jī)自適應(yīng)平衡裝置控制系統(tǒng)流程

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

樣機(jī)經(jīng)設(shè)計(jì)、制造、裝配后，先于2014年4月進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)，經(jīng)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，后于2015年2月在大慶油田股份有限公司第二采油大隊(duì)第三作業(yè)區(qū)八區(qū)六隊(duì)N8-4-D23井進(jìn)行安裝試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)型為CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)，沖程為3m，沖次為6r/min。在原材料使用、用電量和使用效果方面進(jìn)行了對(duì)比。

采用自適應(yīng)平衡裝置前抽油機(jī)使用兩塊重1 300kg的曲柄配重，總重2 600kg；采用自適應(yīng)平衡裝置后增加平衡裝置，平衡裝置重1 230kg，曲柄配重更換為兩塊366kg曲柄配重塊，加上曲柄重總重1 962kg，綜合鋼材節(jié)約率24.5%。

用電情況對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 使用自適應(yīng)平衡裝置前后用電情況對(duì)比

由表1可知，采用自適應(yīng)平衡裝置后綜合節(jié)電率達(dá)到14.2%。

使用自適應(yīng)平衡裝置前設(shè)備數(shù)據(jù)需要人工采集，使用后電腦控制系統(tǒng)可顯示抽油機(jī)平衡度、電流等參數(shù)，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)抽油機(jī)自適應(yīng)平衡裝置實(shí)際控制需求，提出基于PLC的解決方案，給出了總體設(shè)計(jì)方案，介紹了軟、硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，使抽油機(jī)平衡度始終保持在最佳范圍，降低了峰值電流，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠，可供類(lèi)似的工程機(jī)械控制系統(tǒng)參考。

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DesignofPLC-basedControlSystemforSelf-balancingIntelligentUnit

LIANG Hong-bao1, ZHU Sha1, CAI Song-lin2, MIAO Guang-hui3

TH865

A

1000-3932(2016)05-0530-04

2016-03-14(修改稿)