CN101871337B

CN101871337B - 一种塔式抽油机控制方法

Info

Publication number: CN101871337B
Application number: CN 201010205379
Authority: CN
Inventors: 姚名奇
Original assignee: SHENYUAN ELECTRIC CO Ltd SHANGHAI
Current assignee: SHENYUAN ELECTRIC CO Ltd SHANGHAI
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: CN101871337A

Abstract

本发明提供了一种塔式抽油机控制方法，其步骤为：塔式抽油机上电初始化，读取预先设定的参数，等待设备运行信号，若得到运行信号则进入下一步，抽油机进行上升工作，进行抽油，上升时记录上升最大电流数据D250，到上冲程位置，抽油机停止上升，抽油机进行下降工作，下降时记录下降最大电流数据D251，到下冲程位置，抽油机停止下降，判断是否得到停机信号，若没有得到重新循环，否则停机，其特征在于，在上述步骤中加入了计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间及上升下降校准。本发明的优点在于钢丝绳和皮带能使用至少6个月，皮带打滑减轻，误差进行修正，误差控制在很小的范围。

Description

一种塔式抽油机控制方法

技术领域

本发明涉及一种塔式抽油机的控制方法。

背景技术

抽油机是油田主要采油设备，游梁式抽油机占抽油机90％以上，其历史可以和油田历史相同，经过长时间发展，在电气和机械上没有什么发展空间。由于现在电梯技术、变频技术和控制理论的发展成熟，塔式抽油机在机械结构上参照电梯结构，改变原来游梁式抽油机的机械结构方式，电气采用先进变频技术和控制系统，达到智能化抽油机(塔式抽油机)。如图1所示，目前常见的塔式抽油机包括油杆及配电箱，钢丝绳的一端系在油杆上，另一端绕过滚轮及皮带轮后系在平衡板上，在平衡板的一边由上至下依次设有上限开关、接近开关及下限开关，在平衡板的一边设有失载开关。皮带轮与电机相联结，在电机上有编码器及抱闸装置，失载开关、上限开关、接近开关、下限开关、电机、抱闸装置及编码器连接配电箱。在配电箱内设有PLC、变频器、触摸屏及电器。失载开关、上限开关、接近开关、下限开关、触摸屏、编码器及变频器连接PLC，电机连接变频器。

现在有多种对上述塔式抽油机进行控制的方法，但这些方法都无法解决下述问题：1、钢丝绳损坏频繁，更换钢丝绳是很复杂和麻烦的事。2、电机和主机采用皮带传动，皮带传动中存在打滑现象，打滑产生冲程误差，工作时间越久，误差越来越大，当误差达到一定值时，要更换皮带轮。

发明内容

本发明的目的是提供一种延长钢丝绳寿命且能对皮带传动产生误差进行自动补偿使冲程精确的控制方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种塔式抽油机控制方法，其步骤为：

步骤1、塔式抽油机上电后初始化；

步骤2、读取预先设定的参数和接口状态；

步骤4、等待设备运行信号，若得到运行信号则进入下一步；

步骤5、平衡板找零位；

步骤6、抽油机进行上升工作，进行抽油，上升时记录上升最大电流数据D250；

步骤8、到上冲程位置，抽油机停止上升工作，开始下降工作；

步骤9、抽油机进行下降工作，下降时记录下降最大电流数据D251；

步骤11、到下冲程位置，抽油机停止工作，开始上升工作；

步骤12、判断是否得到停机信号，若没有得到则跳至步骤6，否则停机，其特征在于，在步骤2与步骤4之间有：

步骤3、计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间；

在步骤6与步骤8之间有：

步骤7、在平衡板的上方及下方分别设置一测量点及一零点，利用测量点及零点进行上升校准；

在步骤9与步骤11之间有：

步骤10、利用测量点及零点进行下降校准。

在计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间后，以前更换钢丝绳在1个月左右，更换皮带在2个月左右，现在钢丝绳和皮带能使用至少6个月；在增加了校准步骤后，由于加减速进行控制，皮带打滑减轻，误差进行修正，误差控制在很小的范围。同时，本发明还增加了防空抽功能以及报警提示，不仅能有效延长抽油机机械寿命节约空抽时大量电能，而且可以提示现场操作人员安全。

附图说明

图1为现有的塔式抽油机的结构图；

图2为本发明提供的一种塔式抽油机控制方法的总体流程图；

图3为计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间的原理图；

图4为计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间的流程图；

图5为测量点设置示意图；

图6为上升时校准流程图；

图7为下降时校准流程图；

图8为防空抽原理图；

图9为防空抽流程图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图2所示，为本发明提供的一种塔式抽油机控制方法的总体流程图，其步骤为：

步骤1、塔式抽油机上电后初始化，通电后把需要初始化的参数设定初始值，如将步骤12中要用到的计数器D300清0等；在上电初始化后，读取上次停电带记忆参数，读取上次停电保留在EEPROM参数的状态，这样系统控制方式和上次保持一致。

步骤2、读取预先设定的参数并检查各输入输出接口的状态，随后系统进行自检；

步骤3、计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间；

如图3所示，为上述步骤的原理说明图，在该图纸中，F＝ma为牛顿力学第二定律，F为力，m为质量，a为加速度。

当钢丝绳拉负载速度按V1曲线运行，钢丝绳产生的拉力为F1曲线，在0到t1时间段，速度由0加速到V11，加速度为V11/t1，钢丝绳产生拉力为F12。在t1到t4时间段，速度由V11恒速运行，加速度为0，钢丝绳产生拉力为F10＝G，G为本身重力。在t4到t5时间段，速度由V11降到0，加速度为V11/(t5-t4)，钢丝绳产生拉力为F10降为0。

当钢丝绳拉负载速度按V2曲线运行，钢丝绳产生的拉力为F2曲线，在0到t2时间段，速度由0加速到V12，加速度为V12/t2，钢丝绳产生拉力为F11。在t2到t3时间段，速度由V12恒速运行，加速度为0，钢丝绳产生拉力为F10＝G。G为本身重力。在t3到t5时间段，速度由V12降到0，加速度-V11/(t5-t3)钢丝绳产生拉力为F10降为0。由图和以上描述：加速中，产生的力是F12和F11；恒速中产生的力为F10＝G，本身重力；减速中，产生的力由F10＝G降为0。

如图4所示，为步骤3的流程图，由该图可知，步骤3包括：

步骤3.1、设定同步电机的参数，该参数包括：额定频率F0、极数、电压等；设定系统参数电机每转一圈钢丝绳提升长度J5、上冲程J1、下冲程J2、上冲程时间T1、下冲程时间T2；

步骤3.2、计算额定转速R0＝额定频率F0/极数*2，总长J3＝J1+J2，上升时平均电机转速R1＝J3/J5/T1，电机上升运行转速R2＝R1*2，对应电机上升运行频率F1＝额定频率F0/额定转速R0*R2，若电机上升运行频率F1大于电机额定频率F0，则设定电机上升运行频率F1＝电机额定频率F0；

步骤3.3、计算下降时平均电机转速R3＝J3/J5/T2，电机下降运行转速R4＝R3*2，对应电机下降运行频率F2＝额定频率F0/额定转速R0*R4，若电机下降运行频率F2大于电机额定频率F0，则设定电机下降运行频率频率F2＝电机额定频率F0；

步骤3.4、电机上升的加速时间T21＝电机上升减速时间T22，T23为电机的上升恒速时间，则列出下方程式，

\{\begin{matrix} 2 * T 21 + T 23 = T 1 \\ R 2 (T 21 + T 23) = J 3 / J 5 \end{matrix}

解方程可得电机上升时的加减速时T21＝T22，上升恒速时间T23。

电机下降的加速时间T24＝电机下降减速时间T25，T26为电机的下降恒速时间；

则列出下方程式，

\{\begin{matrix} 2 * T 24 + T 25 = T 2 \\ R 4 (T 24 + T 26) = J 3 / J 5 \end{matrix}

解方程可得电机下降时的加减速时间T24＝T25，下降恒速时间T26。

步骤3.5、

计算变频器上升时加减速时间T11＝(上冲程时间T1-上升恒速时间T23)/2/(电机上升运行频率F1)*(额定频率F0)，

计算变频器下降时加减速时间T12＝(下冲程时间T2-下降恒速时间T26)/2/(电机下降运行频率为F2)*(额定频率F0)，

说明：

变频器加速时间定义为变频器由0HZ升到额定频率F0的时间；

变频器减速时间定义为变频器由额定频率F0降到0HZ的时间；

变频器加速时间等于变频器减速时间；

变频器加减速时间不是电机加减速时间。

若带入具体数值，则有：

第一部分：计算冲程频率

同步电机参数为额定频率F0＝30HZ，电压为380V，极数为24P，

计算额定转速R0＝额定频率F0/24P*2＝30/24*2＝2.5转/秒。系统机构决定了电机每转一圈钢丝绳提升长度为J5＝0.8米。如设定上冲程J1＝5米，下冲程J2＝3米，总长J3＝J1+J2＝8米。如系统设定上冲程时间T1＝10秒，下冲程时间T2＝6秒

计算上升时平均电机转速R1＝J3/J5/T1＝8/0.8/10＝1转/秒，电机最大运行转速R2＝R1*2＝1*2＝2转/秒，对应电机上升运行频率F1∶F1＝额定频率F0/额定转速R0*R2＝30/2.5*2＝24HZ.＜额定频率30HZ。

\{\begin{matrix} 2 * T 21 + T 23 = 10 \\ 2 * (T 21 + T 23) = 8 / 0.8 \end{matrix}

解得：电机上升加减速时间T21＝T22＝5秒，电机上升恒速时间T23＝0秒。

计算下降时平均电机转速R3＝J3/J5/T2＝8/0.8/6＝1.67转/秒，电机最大运行转速R4＝R3*2＝1.67*2＝3.34转/秒，对应电机下降运行频率F2∶F2＝额定频率F0/额定转速R0*R4＝30/2.5*3.34＝40HZ＞额定频率30HZ。

电机频率F2大于电机额定频率F0，因为电机运行频率不能超过电机额定频率，则设定使频率F2＝电机额定频率F0＝30HZ，R4＝2.5转/秒。

\{\begin{matrix} 2 * T 24 + T 26 = 6 \\ 2.5 * (T 24 + T 26) = 8 / 0.8 \end{matrix}

解得：电机下降加减速时间T24＝T25＝2秒，电机下降恒速时间T26＝2秒。

第二部分、计算变频器加减速时间

计算：变频器上升时加减速时间T11＝(上冲程时间T1-上升恒速时间T23)/2/(电机上升运行频率为F1)*(额定频率F0)＝10/2/24*30＝6.25；

计算：变频器下降时加减速时间T12＝(下冲程时间T2-下降恒速时间T26)/2/(电机下降运行频率为F2)*(额定频率F0)＝(8-2)/2/30*30＝2。

步骤4、在塔式抽油机的PLC上连接电铃，若得到运行信号则启动电铃报警并进入下一步，还可以让电铃经过20秒(可设定)提示后，抽油机起动运行；

步骤5、平衡板找零位：平衡板先进行慢上或慢下找零位(基准、接近开关)，当平衡板上零位点见到接近开关，找零位成功，把实际长度D610清零；

步骤7、如图5所示，在平衡板的上方及下方分别设置一测量点及一零点，利用测量点及零点进行上升校准。如图6所示，上升校准的步骤为：

步骤7.1、在平衡板的上方及下方分别设置一测量点及一零点；

步骤7.2、当接近开关过测量点后，变量D100清零，并开始计数；

步骤7.3、当接近开关过零点后，变量D100停止计数；

步骤7.4、上升时的误差D101＝D100-平衡板的实际长度，则上升时的误差比例D102＝1-D101/平衡板的实际长度；

步骤7.5、将校准后的实际长度D610设定为：D610＝D611*D102，其中，D611为PLC通过编码器获得的计算长度。

步骤10、利用测量点及零点进行下降校准。如图7所示，下降校准的步骤为：

步骤10.1、当接近开关过零点后，变量D200清零，并开始计数；

步骤10.2、当接近开关过测量点后，变量D200停止计数；

步骤10.3、下降时的误差D201＝D200-平衡板的实际长度，则下降时的误差比例D202＝1-D201/平衡板的实际长度；

步骤10.4、将校准后的实际长度D610设定为：D610＝D611*D202，其中，D611为PLC通过编码器获得的计算长度。

步骤11、到下冲程位置，抽油机停止下降工作，开始上升工作；

步骤12、进行防空抽判断，当地下无油时或少油，抽油机处于空抽状态，检测电机电流，分析后抽油机自动停机，经过一段设定的时间后，抽油机自动再起动；

上述步骤的原理如图8所示，上升时，记录上升电机最大电流I2。下降时，记录下降电机最大电流I1。上升时，开始往上抽原油，电机做功，负载越大电流越大。下降时，抽原油已经结束，只是活塞下放，电机相当于空载，电流很小。偏差电流ΔI＝I2-I1。当地下油少或无油时，上升电机最大电流I2偏小，偏差电流ΔI很小。当地下油很多，上升电机最大电流I2偏大，偏差电流ΔI很大。当连续几次ΔI小于系统设定值，当次数达到设定值，就认为是地下无油，系统自动停机。

如图9所示，其具体步骤为：

步骤12.1、判断上升最大电流数据D250-下降最大电流数据D251是否大于设定电流值D600，若是，则计数器D300清零并进入步骤12，否则，计数器D300计数；

步骤12.2、判断计数器D300是否大于设定次数D601，若是，则进入步骤12，否则系统停机，并由计时器D255计时，当计时器D255的数值大于设定时间D604后，整个系统重新启动。

步骤13、判断是否得到停机信号，若没有得到则跳至步骤6，否则停机。

在进行了校准后，其效果如下表所示：

误差	一个月	二个月	三个月	四个月
					改进前误差	20mm	35mm	50mm	70mm
改进后误差	5mm	6mm	6mm	7mm

Claims

1.一种塔式抽油机控制方法，其步骤为：

步骤1、塔式抽油机上电后初始化；

步骤2、读取预先设定的参数；

步骤4、等待设备运行信号，若得到运行信号则进入下一步；

步骤5、平衡板找零位；

步骤3、计算并设定上下冲程频率及变频器加减速时间，步骤3包括：

步骤3.1、设定同步电机的参数，该参数包括：额定频率F0、极数、电压；设定系统参数，电机每转一圈钢丝绳提升长度J5、上冲程J1、下冲程J2、上冲程时间T1、下冲程时间T2；

步骤3.3、计算下降时平均电机转速R3＝J3/J5/T2，电机下降运行转速R4＝R3*2，对应电机下降运行频率F2＝额定频率F0/额定转速R0*R4，若电机下降运行频率F2大于电机额定频率F0，则设定电机下降运行频率F2＝电机额定频率F0；

步骤3.4、计算得到电机上升的加速时间T21、电机上升减速时间T22及电机的上升恒速时间T23；计算得到电机下降的加速时间T24、电机下降减速时间T25及电机的下降恒速时间T26；

步骤3.5、计算变频器上升时加减速时间T11＝(上冲程时间T1-上升恒速时间T23)/2/(电机上升运行频率F1)*(额定频率F0)，计算变频器下降时加减速时间T12＝(下冲程时间T2-下降恒速时间T26)/2/(电机下降运行频率F2)*(额定频率F0)；

在步骤6与步骤8之间有：

在步骤9与步骤11之间有：

步骤10、利用测量点及零点进行下降校准。

2.如权利要求1所述的一种塔式抽油机控制方法，其特征在于，在塔式抽油机的PLC上连接电铃，在进行步骤4时，若得到运行信号则启动电铃报警并进入下一步。

3.如权利要求1所述的一种塔式抽油机控制方法，其特征在于，在所述步骤11与所述步骤12之间有：进行防空抽判断，当地下无油时或少油，抽油机处于空抽状态，检测电机电流，系统分析后抽油机自动停机，经过一段设定的时间后，抽油机自动再起动。

4.如权利要求1所述的一种塔式抽油机控制方法，其特征在于，所述步骤7包括：

步骤7.3、当接近开关过零点后，变量D100停止计数；

5.如权利要求1所述的一种塔式抽油机控制方法，其特征在于，所述步骤10包括：

步骤10.2、当接近开关过测量点后，变量D200停止计数；

步骤10.3、上升时的误差D201＝D200-平衡板的实际长度，则上升时的误差比例D202＝1-D201/平衡板的实际长度；

6.如权利要求3所述的一种塔式抽油机控制方法，其特征在于，所述防空抽判断的步骤为：

步骤F.1、判断上升最大电流数据D250-下降最大电流数据D251是否大于设定电流值D600，若是，则计数器D300清零并进入步骤12，否则，计数器D300计数；

步骤F.2、判断计数器D300是否大于设定次数D601，若是，则进入步骤12，否则系统停机，并由记时器D255开始计时，当计时器D255的数值大于设定时间D604后，整个系统重新启动。