无游梁长冲程抽油机的变频控制系统.pdf

无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，本发明涉及一种无游梁抽油机的电气控制系统。它克服了现有的抽油机所采用的机械换向方式结构复杂，机械结构容易损坏，无法调节冲程或调节范围小的缺陷。它包括电动机(1)，它还包括可编程逻辑控制器(2)和变频器(3)，(2)的输出端连接(3)的输入端以完成对(3)输出频率和相序的控制，(3)的输出端连接(1)的电源端以控制(1)输出轴的旋转速度和方向，(2)的程序包括正向加速控制单元(2－1)、正向匀速控制单元(2－2)、正向减速控制单元(2－3)、反向加速控制单元(2－4)、反向匀速控制单元(2－5)、反向减速控制单元(2－6)，从而使(1)按照正向加速旋转、正向匀速旋转、正向减速旋转、反向加速旋转、反向匀速旋转、反向减速旋转的顺序工作。

1、  无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，它包括电动机(1)，其特征在于它还包括可编程逻辑控制器(2)和变频器(3)，可编程逻辑控制器(2)的输出端连接到变频器(3)的输入端以完成对变频器(3)输出频率和相序的控制，变频器(3)的反馈输出端连接到可编程逻辑控制器(2)的模拟量输入端以反馈变频器的频率和电流，变频器(3)的电力输出端连接到电动机(1)的电源端以控制电动机(1)的旋转方向和转速，可编程逻辑控制器(2)内的程序通过变频器(3)实现对电动机1旋转速度和方向的控制，程序包括正向加速控制单元(2-1)，以通过变频器(3)控制电动机(1)从初始位置按照指定的加速度运行到正向匀速位置；正向匀速控制单元(2-2)，以通过变频器(3)控制电动机(1)从正向匀速位置按照指定的速度匀速运行至正向减速位置；正向减速控制单元(2-3)，以通过变频器(3)控制电动机(1)从正向减速位置按照指定的加速度减速运行至电动机(1)速度瞬间为零；反向加速控制单元(2-4)，以通过变频器(3)控制电动机(1)从零速度按照指定的加速度运行到反向匀速位置；反向匀速控制单元(2-5)，以通过变频器(3)控制电动机(1)从正向匀速位置按照指定的速度匀速运行至反向减速位置；反向减速控制单元(2-6)，以通过变频器(3)控制电动机(1)从反向减速位置按照指定的加速度减速运行至初始位置，并使电机速度瞬间为零。

2、  根据权利要求1所述的无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，其特征在于它还包括位置开关(4)，程序还包括冲程初始位置定位单元(2-8)，位置开关(4)连接在可编程逻辑控制器(2)的输入端。

3、  根据权利要求1所述的无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，其特征在于它还包括人机接口(5)，人机接口(5)与可编程逻辑控制器(2)的通信口相连。

4、  根据权利要求1所述的无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，其特征在于它还包括编码器(6)，编码器(6)的输出端连接可编程逻辑控制器(2)的输入端。

5、  根据权利要求1或2所述的无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，其特征在于它还包括接触器(J1)、断路器(D1)、下行程开关(K1)、上行程开关(K2)、正向点动按钮(K3)、反向点动按钮(K4)、停止按钮(K5)、启动按钮(K6)、上电自检按钮(K7)、电动机刹车电磁线圈(Q)和能耗电阻(R)，变频器(3)的脚L1、脚L2和脚L3分别连接在接触器(J1)的三相输出端上，接触器(J1)的三相输入端分别连接在断路器(D1)的三相输出端上，变频器(3)的脚DAC2-和脚DAC2+分别连接可编程逻辑控制器(2)的脚A3-和脚A3以实现电流反馈，变频器(3)的脚DAC1-和脚DAC1+分别连接可编程逻辑控制器(2)的脚A2-和脚A2以实现频率反馈，变频器(3)的脚DO1/NO连接可编程逻辑控制器(2)的脚11以实现变频器故障反馈，可编程逻辑控制器(2)的脚10连接到位置开关(4)的输出端上，可编程逻辑控制器(2)的脚9连接到下行程开关(K1)的输出端，下行程开关(K1)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚8连接到上行程开关(K2)的输出端上，上行程开关(K2)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚7连接正向点动按钮(K3)的输出端，正向点动按钮(K3)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚6连接到反向点动按钮(K4)的输出端，反向点动按钮(K4)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚5连接停止按钮(K5)的输出端，停止按钮(K5)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚4连接到启动按钮(K6)的输出端，启动按钮(K6)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚3连接到上电自检按钮(K7)的输出端，上电自检按钮(K7)的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器(2)的脚OA-和脚V+分别连接变频器(3)的脚ADC1-和脚ADC1+以控制变频器(3)的输出频率，可编程逻辑控制器(2)的脚0/7连接变频器(3)的脚DIN4以输出反向点动信号，可编程逻辑控制器2的脚0/6连接变频器3的脚DIN3以输出正向点动信号，可编程逻辑控制器(2)的脚0/5连接变频器(3)的脚DIN2以输出使变频器(3)反向启动的信号，可编程逻辑控制器(2)的脚0/4连接变频器(3)的脚DIN1以输出使变频器(3)正向启动的信号，可编程逻辑控制器(2)的脚0/2连接电动机刹车电磁线圈(Q)的一端，电动机刹车电磁线圈(Q)的另一端连接24伏低电平，变频器(3)的脚U、脚V和脚W分别连接电动机的三相接线端，变频器(3)的脚B+通过能耗电阻R连接变频器(3)的脚B-。

6、  根据权利要求1、2、4或5所述的无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，其特征在于可编程逻辑控制器(2)的程序还包括智能控制诊断单元(2-7)。

无游梁长冲程抽油机的变频控制系统
技术领域
本发明涉及一种无游梁抽油机的电气控制系统。
背景技术
抽油机的种类非常繁多，游梁式抽油机以结构简单、使用维护简便、宜于在全天候状态下工作等优点而被广泛应用。但常规游梁式抽油机冲程短、能耗大、机型陈旧，不能适应油井深抽工艺的需要，已成为困扰油田生产及增效节支的一大问题。无游梁长冲程抽油机克服了常规游梁式抽油机和链条式抽油机冲程长度调节范围过小或不能调节、调整参数不方便等问题，具有长冲程、大载荷的特点，是抽油机发展的趋势。但是无游梁抽油机大多数采用机械换向方式，即通过复杂的机械方式使抽油机悬点上下往复运动。这种方式结构复杂，机械结构容易损坏，无法调节冲程或调节范围小。
发明内容
本发明的目的是提供一种无游梁长冲程抽油机的变频控制系统，以克服现有的采用机械换向方式的无游梁抽油机结构复杂，机械结构容易损坏，无法调节冲程或调节范围小的缺陷。它包括电动机1，它还包括可编程逻辑控制器2和变频器3，可编程逻辑控制器2的输出端连接到变频器3的输入端以完成对变频器3输出频率和相序的控制，变频器3的反馈输出端连接到可编程逻辑控制器2的模拟量输入端以反馈变频器的频率和电流，变频器3的电力输出端连接到电动机1的电源端以控制电动机1的旋转方向和转速，可编程逻辑控制器2内的程序通过变频器3实现对电动机1旋转速度和方向的控制，程序包括正向加速控制单元2-1，以通过变频器3控制电动机1从初始位置按照指定的加速度运行到正向匀速位置；正向匀速控制单元2-2，以通过变频器3控制电动机1从正向匀速位置按照指定的速度匀速运行至正向减速位置；正向减速控制单元2-3，以通过变频器3控制电动机1从正向减速位置按照指定的加速度减速运行至电动机1速度瞬间为零；反向加速控制单元2-4，以通过变频器3控制电动机1从零速度按照指定的加速度运行到反向匀速位置；反向匀速控制单元2-5，以通过变频器3控制电动机1从正向匀速位置按照指定的速度匀速运行至反向减速位置；反向减速控制单元2-6，以通过变频器3控制电动机1从反向减速位置按照指定的加速度减速运行至初始位置，并使电机速度瞬间为零。本发明工作时，可编程逻辑控制器2中的程序控制单元控制抽油机按照特定的运动曲线完成上、下冲程。由于通过可编程逻辑控制器2中的程序来自动控制电动机1的正、反转旋转及加速、减速，没有使用机械换向机构，克服了机械换向方式结构复杂，机械结构容易损坏的缺陷，实现了无冲击换向；另外通过对可编程逻辑控制器2中程序的参数进行修改，能够很方便的根据现场情况更改抽油机的冲程、单位时间内的冲程次数以及上/下冲程速度比。应用本发明的无游梁长冲程变频控制抽油机具有冲程长，无机械换向机构、无冲击换向，冲程、冲次、上下行程速比可调，节能，承载荷大和适应性强、可靠性高等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是本发明的电路结构示意图，图3本发明电动机1的转速变化示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由可编程逻辑控制器2、变频器3和电动机1组成，可编程逻辑控制器2的输出端连接到变频器3的输入端以完成对变频器3输出频率和相序的控制，变频器3的反馈输出端连接到可编程逻辑控制器2的模拟量输入端以反馈变频器的频率和电流，变频器3的电力输出端连接到电动机1的电源端以使可编程逻辑控制器2内的程序通过变频器3实现对电动机1旋转速度和方向的控制，程序包括正向加速控制单元2-1，以通过变频器3控制电动机1从初始位置按照指定的加速度运行到正向匀速位置；正向匀速控制单元2-2，以通过变频器3控制电动机1从正向匀速位置按照指定的速度匀速运行至正向减速位置；正向减速控制单元2-3，以通过变频器3控制电动机1从正向减速位置按照指定的加速度减速运行至电动机1速度瞬间为零；反向加速控制单元2-4，以通过变频器3控制电动机1从零速度按照指定的加速度运行到反向匀速位置；反向匀速控制单元2-5，以通过变频器3控制电动机1从正向匀速位置按照指定的速度匀速运行至反向减速位置；反向减速控制单元2-6，以通过变频器3控制电动机1从反向减速位置按照指定的加速度减速运行至初始位置，并使电机速度瞬间为零。
它还包括位置开关4，程序还包括冲程初始位置定位单元2-8，位置开关4连接在可编程逻辑控制器2的输入端，用于保证抽油机每个冲程循环的开始位置都在位置开关4所设置的位置。
它还包括人机接口5，人机接口5与可编程逻辑控制器2的通信口相连，给定可编程逻辑控制器2的各种运行参数，并可以方便地修改抽油机运行的参数，并通过人机接口5显示故障诊断信息。如此设置，根据油井的实际情况，通过现场设定的抽油机运行参数(包括冲程、冲次、速比等参数)计算出悬点的运动轨迹从而得出电动机1的运动曲线，并通过PLC的模拟量输出端口的输出实时控制变频器频率，从而让悬点按照要求的速度运动模式运转。电动机1带动抽油杆，使抽油杆在冲程范围内按照一定的冲次及上下运动速比运行，达到高效抽油的目的。本控制系统可以根据现场情况随时调节抽油机地运行参数，冲程、冲次、上下冲程时间在额定范围内连续可调，实现上慢下快或上快下慢的悬点运动速度控制模式。
具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括接触器J1、断路器D1、下行程开关K1、上行程开关K2、正向点动按钮K3、反向点动按钮K4、停止按钮K5、启动按钮K6、上电自检按钮K7、电动机刹车电磁线圈Q和能耗电阻R，可编程逻辑控制器2选用罗克韦尔自动化公司的MicroLogix1000微型可编程控制器，变频器3的型号为西门子MicroMaster440，变频器3的脚L1、脚L2和脚L3分别连接在接触器J1的三相输出端上，接触器J1的三相输入端分别连接在断路器D1的三相输出端上，变频器3的脚DAC2-和脚DAC2+分别连接可编程逻辑控制器2的脚A3-和脚A3以实现电流反馈，变频器3的脚DAC1-和脚DAC1+分别连接可编程逻辑控制器2的脚A2-和脚A2以实现频率反馈，变频器3的脚DO1/NO连接可编程逻辑控制器2的脚11以实现变频器故障反馈，可编程逻辑控制器2的脚10连接到位置开关4的输出端上，可编程逻辑控制器2的脚9连接到下行程开关K1的输出端，下行程开关K1的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚8连接到上行程开关K2的输出端上，上行程开关K2的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚7连接到正向点动按钮K3的输出端，正向点动按钮K3的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚6连接到反向点动按钮K4的输出端，反向点动按钮K4的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚5连接到停止按钮K5的输出端，停止按钮K5的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚4连接到启动按钮K6的输出端，启动按钮K6的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚3连接到上电自检按钮K7的输出端，上电自检按钮K7的输入端连接24伏高电平，可编程逻辑控制器2的脚OA-和脚V+分别连接变频器3的脚ADC1-和脚ADC1+以控制变频器3的输出频率，可编程逻辑控制器2的脚O/7连接变频器3的脚DIN4以输出反向点动信号，可编程逻辑控制器2的脚O/6连接变频器3的脚DIN3以输出正向点动信号，可编程逻辑控制器2的脚O/5连接变频器3的脚DIN2以输出使变频器3反向启动的信号，可编程逻辑控制器2的脚O/4连接变频器3的脚DIN1以输出使变频器3正向启动的信号，可编程逻辑控制器2的脚O/2连接电动机刹车电磁线圈Q的一端，电动机刹车电磁线圈Q的另一端连接24伏低电平，变频器3的脚U、脚V和脚W分别连接电动机的三相接线端，变频器3的脚B+通过能耗电阻R连接变频器3的脚B-。工作时，380伏交流电输入经过断路器D1、接触器J1输入给变频器3，可编程逻辑控制器2根据控制过程需要，控制变频器3的正向启动、反向启动动作，并根据计算出的运行曲线，计算出变频器3的输出频率，通过模拟量输出控制变频器3的输出频率，实时控制电动机1的转速，在一个冲程循环中实现加速、匀速、减速、静止平稳换向，加速、匀速、减速、平稳换向的平滑曲线运行。
它还包括编码器6，编码器6的输出端A连接可编程逻辑控制器2的脚1，编码器6的输出端B连接可编程逻辑控制器2的脚O，编码器6采集电动机转速信息，构成闭环控制系统，以PID调节使系统达到控制精度要求。电动机1的转速变化如图3所示。由于过冲程故障会造成损坏抽油机机械结构或损害油井、抽油杆等极其严重的后果，因此必须有可靠的保护措施，在最大行程的两端安装下行程开关K1、上行程开关K2，一旦开关触发就停止变频器，刹车抱闸，并给出报警信号和故障诊断信息。
具体实施方式三：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一或二的不同点是：可编程逻辑控制器2的逻辑控制单元还包括智能控制诊断单元2-7，以实现对下行程开关K1、上行程开关K2、位置开关4、编码器6是否正常工作的检测。如此设置，系统长时间停机后可以按下自检按钮对系统的传感器进行检测，没有出现报警时允许运行系统。在系统运行时不断对关键的传感器进行检测，一旦传感器出现故障则停止系统，并给出报警信号。
智能控制诊断单元2-7利用编码器计算行程，进行冲程的2级保护，并根据编码器6的反馈信号计算出转速，与理论转速相比，从而判断断杆和断带故障，进行保护，并给出报警信号和故障诊断信息。油井的负载时常会发生波动，这种负载波动可能造成电动机瞬间过电流，为了避免过电流保护误动作，在智能控制诊断单元2-7中加入了瞬间过电流抑制功能，并通过比较上冲程和下冲程的电流，计算配重和载荷的差。配重不合适的情况下会造成能源的浪费，并且造成较大的机械磨损。如果不平衡则发出警报，提示工作人员注意，严重时停机，以防止电动机过载及机械磨损。通过点动控制功能可以将抽油机的抽油杆和配重停放到指定位置，并可以在井上作业时直接提升配重。智能控制诊断单元2-7还能对非正常的停机进行故障诊断并给出故障排查指示。