CN103412511B - 一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统及控制方法，它由用户操作单元、PLC单元以及变频器，整机上电，设置冲程、冲次，检修模式下，手动上行至触碰上行程开关，抽油机停止，冲程计数器清零，运行模式下，启动后抽油杆以上行程开关处为冲程零点，按照设定的冲程值上下往复运动，工作过程中可在线更改冲程值，可通过模拟调速旋钮分别调节上下行速度，通过对速度反馈脉冲的采集，计算速度和冲程控制换向点，并实时计算冲次。本发明的有益效果是：基于变频调速技术的直驱式永磁同步电机抽油机控制器，控制系统硬件结构简单，实现了数字化控制，提高了抽油机控制系统的智能化程度和运行精度。

Description

一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统及控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

游梁式抽油机是国内外各大油田的主要机械采油设备，由于其机械结构复杂、惯性大、载荷是具有冲击性的交变载荷，启动力矩大等特点，导致机械传动和整机效率极为低下，且难于满足老油田的注水开发需要的长冲程、低冲次要求。

低速大转矩永磁同步电机的出现使直驱式永磁同步电机抽油机从传动系统到机械结构等方面进行重新设计，使得机械结构更加简化，整机效率大大提高。其主要部件为塔架、永磁同步电机、皮带、配重和抽油杆。安装于塔架顶部的永磁同步电机通过皮带悬挂着两侧的抽油杆和配重，永磁同步电机的正反转实现抽油杆和配重的上下往复运动，完成抽油工作。

随着对石油的连续开采，我国部分油田己进入开采的中后期，油田的产量也在呈一个下降的趋势，油井的连续供液能力凸显不足，执行间抽采油不可避免。目前，国内油田主要利用节能自控设备达到常抽井的电控节能目的，缺乏实现间抽自动化控制为主要功能的设备，现有的控制方法仍然采用人工控制为主，智能化程度较低，运行精度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统及控制方法，能提高抽油机控制系统的智能化程度和运行精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，它由用户操作单元、PLC单元以及变频器，其中，PLC单元中设置有核心处理器、分别与核心处理器相连的行程计数模块、冲程寄存模块以及速度信号寄存模块，用户操作单元的信号输入端分别与核心处理器和变频器的信号输入端相连，行程计数模块和抽油机的行程开关组相连，冲程寄存模块和速度信号寄存模块分别与变频器的速度反馈脉冲信号端相连，变频器的信号输出端与用于驱动抽油机的永磁同步电机相连，核心处理器的信号输出端与永磁同步电机的控制电路相连。

所述的用户操作单元上设置有操作面板。

所述的PLC单元上还设置有显示屏。

所述的抽油机的行程开关组由上极限行程开关、上置零程开关、下置零程开关以及下极限程开关组成，上极限行程开关和上置零程开关分别安装在抽油机的抽油杆行程通道的上极限位置和上置零位置，下置零程开关和下极限程开关分别安装在抽油机的抽油杆行程通道的下极限位置和下置零位置。

所述的抽油杆的末端设置有配重并通过通过皮带安装在机架上形成行程通道。

所述的核心处理器的信号输出端分别与永磁同步电机的控制电路中的交流接触器、中间继电器、制动器相连。

一种永磁同步电机直驱式抽油机的控制方法，它包含以下步骤:

（1）、系统通电，通过用户操作单元进行冲程、冲次及速度的设置，并在检修状态下将抽油杆调整至行程开关处，行程计数模块清零，该处自动设为冲程计算的位置零点；

（2）、启动抽油机并加速至设定速度，工作过程中通过操作面板在线更改冲程值以及上下行速度，行程计数模块对变频器速度反馈脉冲进行计数，在PLC单元中通过冲程寄存模块和速度信号寄存模块计算出速度和冲程控制换向点，并实时计算冲次，将速度即时显示在屏幕上；

（3）、当计数值到达行程设置的换向节点时，PLC单元向永磁同步电机发出换向信号，抽油机减速至速度为零，保证当抽油机停止时抽油杆位移等于行程设置值，最终将冲程、冲次、上下行速度四个参数在液晶显示屏上在线显示。

本发明的有益效果在于：基于变频调速技术的直驱式永磁同步电机抽油机控制器，控制系统硬件结构简单，实现了数字化控制，提高了抽油机控制系统的智能化程度和运行精度。

附图说明

图1为本发明的系统框架图；

图2为本发明行程开关组的位移示意图；

图3为本发明的电气原理图；

图4为本发明的系统控制流程图;

图5为本发速度采集的流程图;

图6为本发明节点换向的流程图;

图7为本发明抽油机运行过程中位移-速度-加速度参数曲线图。

其中，1-用户操作单元，2-PLC单元，3-变频器，4-永磁同步电机，5-行程开关组，6-抽油杆，7-配重，8-机架，21-核心处理器，22-行程计数模块，23-冲程寄存模块，24-速度信号寄存模块，51-上极限行程开关，52-上置零程开关，53-下置零程开关，54-下极限程开关。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1、图2，一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，它由用户操作单元1、PLC单元2以及变频器3，其中，PLC单元2中设置有核心处理器21、分别与核心处理器21相连的行程计数模块22、冲程寄存模块23以及速度信号寄存模块24，用户操作单元1的信号输入端分别与核心处理器21和变频器3的信号输入端相连，行程计数模块22和抽油机的行程开关组5相连，运行过程中，若抽油杆6触碰到上下极限保护开关，进行紧急保护，冲程寄存模块23和速度信号寄存模块24分别与变频器3的速度反馈脉冲信号端相连，变频器3的信号输出端与用于驱动抽油机的永磁同步电机4相连，核心处理器21的信号输出端与永磁同步电机4的控制电路相连，如图3，电机运行时，保护继电器闭合，电机停止3秒后保护继电器断开。

所述的用户操作单元1上设置有操作面板。

所述的PLC单元2上还设置有显示屏。

所述的抽油机的行程开关组5由上极限行程开关51、上置零程开关52、下置零程开关53以及下极限程开关54组成，上极限行程开关51和上置零程开关52分别安装在抽油机的抽油杆6行程通道的上极限位置和上置零位置，下置零程开关53和下极限程开关54分别安装在抽油机的抽油杆6行程通道的下极限位置和下置零位置。

所述的抽油杆6的末端设置有配重7并通过通过皮带安装在机架8上形成行程通道。

所述的核心处理器21的信号输出端分别与永磁同步电机4的控制电路中的交流接触器、中间继电器、制动器相连。

一种永磁同步电机直驱式抽油机的控制方法，它包含以下步骤:

（1）、系统通电，通过用户操作单元1进行冲程、冲次及速度的设置，设计行程H，并在检修状态下将抽油杆调整至行程开关处，行程计数模块22清零，该处自动设为冲程计算的位置零点，所述的冲程设置采用变频器反馈脉冲计数的方式进行控制，在冲程寄存模块23中定义冲程寄存器，系统复位时其初始值为N₀，该寄存器值可通过冲程调节按钮的输入进行更改，冲程调整时，按下一次冲程增/减按钮，抽油机冲程增/减0.05米，则冲程寄存器中脉冲数的更改为N=N₀±0.05n，（n为换算因数）。将冲程寄存器的值进行运算后得出实际长度单位的冲程，并将其显示在PLC液晶屏幕上；

（2）、启动抽油机并加速至设定速度，工作过程中通过操作面板在线更改冲程值以及上下行速度，行程计数模块22对变频器3速度反馈脉冲进行计数，在PLC单元2中通过冲程寄存模块23和速度信号寄存模块24计算出速度和冲程控制换向点，并实时计算冲次，将速度即时显示在屏幕上；

所述的速度信号寄存模块24定义3个寄存器DT10、DT11、DT12，DT10用来存储当前0.5S的脉冲总数、DT11用来存储前一个0.5S的脉冲总数、DT12用来存储匀速时0.5S的脉冲总数。如图7所示，通过比较DT10、DT11的差值，来确定匀速时的速度值，并将其进行显示和运算；

所述的冲程控制换向点是这样得出的：抽油机一个冲程的运行周期中速度变化如图1所示。上行过程中变速阶段抽油杆走过的位移为：S_B1=v₁*t₁；匀速走过的位移为：S_Y1=L-S_B1；为使抽油杆在上行过程中,从发出反向信号到速度减为零抽油杆走过的位移恰好为冲程设置值L，则发出反向信号时抽油杆走过的位移为：S_h1=L-0.5*S_B1；

换算成脉冲数节点：

N_h1=N-0.5*v₁*t₁*n式1

同理下行过程中，换向脉冲节点：

N_h2=N-0.5*v₂*t₂*n式2

当N_c=N_h1时，发出上行换向信号；当N_c=N_h2时，发出下行换向信号。

所述的冲次是由图1抽油机速度变化曲线可得出冲次计算公式

$w=\frac{60}{[t_1+t_1+(N-{\mathrm{nv}}_1{t}_1)/v_1]+[t_2+t_2+(N-{\mathrm{nv}}_2{t}_2)/v_2]}$ 式3

化简后得

$w=\frac{60}{(2-n)(t_1+t_2)}+\frac{60v_1{v}_2}{N(v_1+v_2)}$ 式4

N为冲程脉冲数；t₁为上行加/减速时间；v₁为上行速度；t₂为下行加/减速时间；v₂为下行速度；n为换算因数；v₁，v₂均为上下行过程中匀速运动时的速度值。

（3）、当计数值到达行程设置的换向节点时，PLC单元2向永磁同步电机4发出换向信号，抽油机减速至速度为零，保证当抽油机停止时抽油杆位移等于行程设置值，最终将冲程、冲次、上下行速度四个参数在液晶显示屏上在线显示。

如图4所示，为本发明提供的直驱式永磁同步电机抽油机控制器的系统控制实际操作流程图，其操作步骤如下：

步骤一：整机上电，PLC单元2内保存了上次停机时设置的冲程、冲次、上下行速度，并在液晶屏幕上进行显示，由于速度显示栏显示的是在线实时速度，在抽油机启动前上下行速度显示为零；

步骤二：如需重新设置冲程、冲次，按下冲程设置按钮可对冲程进行设置，冲程设置范围为2M-8M，最小调整范围为0.1M；

步骤三：工作模式选择“检修”模式，手动运行将抽油杆6至触碰上行程开关，抽油机自动停止，冲程计数器的值清零，该位置设为冲程零位；

步骤四：工作模式选择“运行”模式。启动抽油机，抽油杆6从冲程零点开始向下匀加速运动，PLC单元2执行速度采集，运算过程如图5所示；

步骤五：、PLC单元2进行运算将DT10内的数据换算成实际速度值，执行显示程序将实时速度显示在液晶屏幕上；

步骤六：根据设定的冲程值脉冲数N和设定的速度值以及采集反馈的到实际速度，根据图7抽油机运行曲线，根据抽油机运行过程的位移、速度及加速度曲线，进行换向节点计算，PLC单元2执行如图6所示的节点换向流程；

步骤七：变频器3接收停止信号后，按照设定的减速时间和加速度进行减速，当抽油机减速到零停止时，抽油杆6从启动到停止走过的行程等于冲程设置值，抽油杆6再次反方向启动，重复上述过程。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，其特征在于：它由用户操作单元(1)，PLC单元(2)以及变频器(3)组成，其中，PLC单元(2)中设置有核心处理器(21)、分别与核心处理器(21)相连的行程计数模块(22)、冲程寄存模块(23)以及速度信号寄存模块(24)，用户操作单元(1)的信号输入端分别与核心处理器(21)和变频器(3)的信号输入端相连，行程计数模块(22)和抽油机的行程开关组(5)相连，冲程寄存模块(23)和速度信号寄存模块(24)分别与变频器(3)的速度反馈脉冲信号端相连，变频器(3)的信号输出端与用于驱动抽油机的永磁同步电机(4)相连，核心处理器(21)的信号输出端与永磁同步电机(4)的控制电路相连；

所述的抽油机的行程开关组(5)由上极限行程开关(51)、上置零程开关(52)、下置零程开关(53)以及下极限程开关(54)组成，上极限行程开关(51)和上置零程开关(52)分别安装在抽油机的抽油杆(6)行程通道的上极限位置和上置零位置，下置零程开关(53)和下极限程开关(54)分别安装在抽油机的抽油杆(6)行程通道的下置零位置处和下极限位置处；

所述永磁同步电机直驱式抽油机的控制系统的使用方法，包含以下步骤：

(1)、系统通电，通过用户操作单元(1)进行冲程、冲次及速度的设置，并在检修状态下将抽油杆调整至行程开关组处，行程计数模块(22)清零，该处自动设为冲程计算的位置零点，冲程设置采用变频器反馈脉冲计数的方式进行控制，在冲程寄存模块(23)中定义冲程寄存器，系统复位时其初始值为N₀，该寄存器值可通过冲程调节按钮的输入进行更改，冲程调整时，按下一次冲程增/减按钮，抽油机冲程增/减0.05米，则冲程寄存器中更改后的脉冲数为N＝N₀±0.05n，n为换算因数，将冲程寄存器的值进行运算后得出实际长度单位的冲程，并将其显示在PLC液晶屏幕上；

(2)、启动抽油机并加速至设定速度，工作过程中通过操作面板在线更改冲程值以及上下行速度，行程计数模块(22)对变频器(3)速度反馈脉冲进行计数，在PLC单元(2)中通过冲程寄存模块(23)和速度信号寄存模块(24)计算出速度和冲程控制换向点，并实时计算冲次，将速度即时显示在屏幕上；

所述的速度信号寄存模块(24)定义3个寄存器DT10，DT11，DT12，DT10用来存储当前0.5S的脉冲总数、DT11用来存储前一个0.5S的脉冲总数、DT12用来存储匀速时0.5S的脉冲总数，通过比较DT10，DT11的差值，来确定匀速时的速度值，并将其进行显示和运算；

(3)、当计数值到达行程设置的换向节点时，PLC单元(2)向永磁同步电机(4)发出换向信号，抽油机减速至速度为零，保证当抽油机停止时抽油杆位移等于行程设置值，最终将冲程、冲次、上下行速度四个参数在液晶显示屏上在线显示。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，其特征在于：所述的用户操作单元(1)上设置有操作面板。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，其特征在于：所述的PLC单元(2)上还设置有显示屏。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，其特征在于：所述的抽油杆(6)的末端设置有配重(7)并通过皮带安装在机架(8)上形成行程通道。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机直驱式抽油机控制系统，其特征在于：所述的核心处理器(21)的信号输出端分别与永磁同步电机(4)的控制电路中的交流接触器、中间继电器、制动器相连。