CN106325204A

CN106325204A - 一种基于角位移传感器的抽油机调速控制系统

Info

Publication number: CN106325204A
Application number: CN201611029414.2A
Authority: CN
Inventors: 赵德龙; 胥毅; 刘军荣
Original assignee: TIANJIN WANZHONG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN WANZHONG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2017-01-11

Abstract

基于角位移传感器的抽油机调速控制系统，包括角位移传感器、PLC控制系统、变频调速系统、电动机、远程终端、GPRS通讯模块。角位移传感器实时检测抽油机游梁的倾斜角度；PLC控制系统接收外部的数字量信号和模拟量信号，将接收到的信号通过内部存储的程序进行处理和计算，输出控制信号；变频调速系统接收PLC控制系统发出的命令，驱动电动机在不同的转速下运行，同时反馈单元将电动机发电状态下产生的能量反馈给电网；电动机通过皮带拖动抽油机进行上下冲程运动，冲程频率可调；远程终端实现抽油机变频柜的远程控制启停及调速；GPRS通讯模块将PLC控制系统采集到的信号通过无线发射给远程终端，同时接收远程终端发出的命令。实现了抽油机的调速及远程集中控制。

Description

一种基于角位移传感器的抽油机调速控制系统

技术领域

本发明属于油田抽油机设备传动控制技术领域，涉及一种抽油机调速控制系统，具体涉及一种基于角位移传感器的抽油机调速控制系统。

背景技术

抽油机是有杆采油的地面驱动设备，目前国内外应用最广泛的是游梁式抽油机（俗称磕头机），游梁式抽油机工作时，传动皮带将电动机的高速旋转运动传递给减速器的输入轴，经减速后由低速旋转的曲柄经过连杆机构，带动游梁作上下往复摆动。有杆抽油是我国原油开采时所采用的主要方式，但陆上油田用抽油机效率低、功率因数低、耗能高、“大马拉小车”等问题普遍存在。各油田用于抽油的电能消耗量巨大，抽油装置的节能问题已经引起了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，通过检测抽油机游梁的当前角度，控制变频器来实时调整抽油机电动机的转速，并将能量反馈给电网，提高抽油机单井采油时率、节约电能、降低网损、解决“大马拉小车”、启动力矩大、电流冲击大等的全自动节能控制装置。

本发明提供一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，包括角位移传感器、PLC控制系统、变频调速系统、电动机、远程终端、GPRS通讯模块、抽油机；角位移传感器，用于检测有杆式抽油机的游梁角度信号，并将检测的角度数值以4-20mA模拟量信号传输给PLC控制系统；PLC控制系统，用于接收采集角位移传感器与机柜温度的模拟量输入信号，接收采集工频及变频运行、故障、变频器状态和机柜上各个操作按钮的开关量输入信号，发出工频及变频运行、状态指示灯和报警喇叭等开关量输出信号，发出变频器频率给定的模拟量输出信号、启停信号等，通过CPU内部存储的编译程序来实现系统的自动控制；变频调速系统，用于驱动电动机，接收PLC控制系统发出的运行、停止和频率给定指令，实时调整输出频率，使电动机的转速可调。能量回馈单元将电动机处于发电状态时的能量反馈回电网，达到节能降耗的目的；电动机，用于带动有杆游梁式抽油机运动，实现上下冲程的采油动作，其转速是由变频器来实时调整的；远程终端，用于远程集中监控抽油机控制系统的运行状态，人工参与控制并调整控制系统的参数和状态；GPRS通信模块，采用WDTU-0511D GPRS DTU，用于接收远程终端发出的指令，并将接收到的信息传输至PLC控制系统，用于接收PLC控制系统信息，并将接收到的信息发送给远程终端。

各系统都具有独立的控制器和电源，多个无线加速度传感器节点1组成传感器网络。

本发明控制系统的工作过程：

将角位移传感器安装于游梁式抽油机的游梁上，当抽油机在运行过程中，游梁的倾斜角度实时变化，角位移传感器依据倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角，将角度值转化为4-20mA电流信号通过导线传送到PLC控制系统的模拟量扩展模块中，通过CPU内存储的控制程序及逻辑算法，对变频器的频率给定进行实时调整，从而改变电动机的转速，实现抽油机的调速，利用反馈单元将电动机处于发电状态时的电能反馈给电网，GPRS模块将PLC控制系统采集到的信号发送给远程控制终端，并接受远程控制终端发出的命令，操作及工艺人员可以通过远程终端，实时监控设备运行状态和工艺参数，还可随时调整抽油机的运行速度，从而实现抽油机的远程集中控制。

有益效果：

1.采用角度位移传感器测量抽油机游梁的角位移，将传感器发出的模拟量信号传输至PLC控制系统，大大提高了检测的精度与信号传输距离。

2.通过导线与PLC控制系统连接，实现了低成本、安全可靠的自动化传动控制系统。

3.采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本。

4.采用能量回馈单元，当电动机处于发电状态时，将电能储存，当电动机处于电动状态时，再将电能返回给抽油机，大大降低了系统的功耗；整个控制系统具有较高的防护等级，使其可以连续、长期、稳定地在户外工作。

5.采用远程监控模式，客户端免维护，使系统的分布相对集中，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性；

6.基于对抽油机负载特性的研究，PLC控制系统软件嵌入了多种智能算法与自学习功能，大大减小了数据的误差，提高了控制精度。

附图说明

图1是本发明控制系统的系统架构示意图；

图1中，1.角位移传感器；2.PLC控制系统；3.变频调速系统；4.电动机；5.远程终端；6.GPRS通信模块；7.抽油机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，如图1所示，包括角位移传感器1、PLC控制系统2、变频调速系统3、电动机4、远程终端5、GPRS通讯模块6、抽油机7。

角位移传感器1，用于检测有杆式抽油机的游梁角度信号，并将检测的角度数值以4-20mA模拟量信号传输给PLC控制系统；

角位移传感器1采用宇航YH-360 DC型角位移传感器，该产品为重力加速度原理，依据加速度传感器倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角，是一种以电流输出与倾角为线性关系的用于测量物体倾斜位置的传感器。标准4～20 mA信号，输出平滑性好；两线制，不分正负极，接线方便快捷；全密封防水，满足全天候使用。

PLC控制系统2，用于接收采集角位移传感器与机柜温度的模拟量输入信号，接收采集工频及变频运行、故障、变频器状态和机柜上各个操作按钮的开关量输入信号，发出工频及变频运行、状态指示灯和报警喇叭等开关量输出信号，发出变频器频率给定的模拟量输出信号、启停信号等，通过CPU内部存储的编译程序来实现系统的自动控制。

PLC控制系统2采用无锡信捷XC3-24R-C系列可编程序控制器，它具有14点NPN输入，10点继电器（R）输出DC24V（C）电源，可外接扩展模块和BD板，可带时钟并对数据进行掉电保持，支持基本的逻辑控制和数据运算，支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯、MODBUS通讯等功能。由于需要进行模拟量的检测与控制，所以增加了一块XC-E3AD4PT2DA型号扩展模块。

变频调速系统3，用于驱动电动机，接收PLC控制系统发出的运行、停止和频率给定指令，实时调整输出频率，使电动机的转速可调。能量回馈单元将电动机处于发电状态时的能量反馈回电网，达到节能降耗的目的。

变频调速系统3采用日本YASKAWA公司H1000系列变频器，该系列变频器拥有先进的电机驱动技术，可以实现对所有类型电动机的驱动，感应电机和同步电机变频器可以通用，可以通过参数设定切换感应电机与同步电机。具有耐油、防湿、抗震动等适应各种恶劣工作环境的产品，还有防尘、防水型等各种保护结构的变频器产品，抑制电源高次谐波，噪音低。频率控制范围：0.02～400Hz，频率精度在±0.02 Hz，设定信号：0V～+10V，-10～+10V，4～20mA和脉冲序列，启动转矩150%/3 Hz，速度响应：10Hz，速度控制精度：±0.2%，加减速时间在0～6000.00秒之间可设。变频器可通过连接计算机调试软件设置参数，也可通过面板直接输入参数操作运行。变频器电源进线接入R、S、T三相端子，出线接到U、V、W三相端子。正转运行/停止信号接入S1与SC，变频器故障信号接入MA与MC，变频器频率给定信号接入A1与AC，变频器的直流母线端子+3与-分别同能量反馈单元的P1与N1相连。

电动机4，用于带动有杆游梁式抽油机运动，实现上下冲程的采油动作，其转速是由变频器来实时调整的。

远程终端5，用于远程集中监控抽油机控制系统的运行状态，人工参与控制并调整控制系统的参数和状态。

远程终端5直接采用已有站库的数据采集监控系统，站库数据采集监控系统接收到抽油机变频柜发回的数据，通过触摸屏或工控机上的组态画面进行远程监控和控制。

GPRS通信模块6，采用WDTU-0511D GPRS DTU，用于接收远程终端发出的指令，并将接收到的信息传输至PLC控制系统2，用于接收PLC控制系统信息，并将接收到的信息发送给远程终端5。

GPRS通信模块6采用天津市万众科技发展有限公司的WDTU-0511D型GPRS模块，它拥有透传功能，可以将后台与WDTU-0511D的485连接设备之间的数据实现透明传输；让有线仪表与ZIGBEE无线仪表数据进行数据传输（温变、压变、载荷），有线仪表的有线传输协议需要遵循标准的MODBUS_RTU协议；可以从后台通过WDTU-0511D读取仪表数据或设置仪表参数。后台与GPRS之间的数据协议遵循标准的MODBUS_TCP协议；同时可以用485对WDTU-0511D寄存器进行访问。WDTU-0511D无线数据传输模块由SIM900B、RS485通信电路、RS232通信电路、无线通信ZigBee模块组成。四频 850/900MHz 和 1800/1900MHz；2.4G无线通信距离 0～150m（空旷地区）；电压范围在9V～30V；温度范围在-20℃～80℃；采用超低功耗高性能的嵌入式处理器；内置看门狗，不死机，掉线自动恢复；支持一路 RS232/RS485 方式的用户数据接口。RS232通讯接口RX与TX同PLC控制系统的RS232接口端子相连接，电源端子+与—接入24V直流电源。另外还需将SIM卡插入到插槽中。

本发明控制系统的工作过程：

Claims

1.一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，包括角位移传感器、PLC控制系统、变频调速系统、电动机、远程终端、GPRS通讯模块、抽油机。

2.根据权利要求1所述的一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，其特征在于：角位移传感器用于检测有杆式抽油机的游梁角度信号，并将检测的角度数值以4-20mA模拟量信号传输给PLC控制系统；角位移传感器采用宇航YH-360 DC型角位移传感器，该产品为重力加速度原理，依据加速度传感器倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角，是一种以电流输出与倾角为线性关系的用于测量物体倾斜位置的传感器，标准4～20mA信号，输出平滑性好；两线制，不分正负极，接线方便快捷；全密封防水，满足全天候使用。

3.根据权利要求1所述的一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，其特征在于：PLC控制系统用于接收采集角位移传感器与机柜温度的模拟量输入信号，接收采集工频及变频运行、故障、变频器状态和机柜上各个操作按钮的开关量输入信号，发出工频及变频运行、状态指示灯和报警喇叭等开关量输出信号，发出变频器频率给定的模拟量输出信号、启停信号等，通过CPU内部存储的编译程序来实现系统的自动控制；PLC控制系统采用无锡信捷XC3-24R-C系列可编程序控制器，它具有14点NPN输入，10点继电器（R）输出DC24V（C）电源，可外接扩展模块和BD板，可带时钟并对数据进行掉电保持，支持基本的逻辑控制和数据运算，支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯、MODBUS通讯等功能，由于需要进行模拟量的检测与控制，所以增加了一块XC-E3AD4PT2DA型号扩展模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，其特征在于：变频调速系统用于驱动电动机，接收PLC控制系统发出的运行、停止和频率给定指令，实时调整输出频率，使电动机的转速可调，能量回馈单元将电动机处于发电状态时的能量反馈回电网，达到节能降耗的目的；变频调速系统3采用日本YASKAWA公司H1000系列变频器，该系列变频器拥有先进的电机驱动技术，可以实现对所有类型电动机的驱动，感应电机和同步电机变频器可以通用，可以通过参数设定切换感应电机与同步电机，具有耐油、防湿、抗震动等适应各种恶劣工作环境的产品，还有防尘、防水型等各种保护结构的变频器产品，抑制电源高次谐波，噪音低，频率控制范围：0.02～400Hz，频率精度在±0.02 Hz，设定信号：0V～+10V，-10～+10V，4～20mA和脉冲序列，启动转矩150%/3 Hz，速度响应：10Hz，速度控制精度：±0.2%，加减速时间在0～6000.00秒之间可设，变频器可通过连接计算机调试软件设置参数，也可通过面板直接输入参数操作运行，变频器电源进线接入R、S、T三相端子，出线接到U、V、W三相端子，正转运行/停止信号接入S1与SC，变频器故障信号接入MA与MC，变频器频率给定信号接入A1与AC，变频器的直流母线端子+3与-分别同能量反馈单元的P1与N1相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，其特征在于：电动机用于带动有杆游梁式抽油机运动，实现上下冲程的采油动作，其转速是由变频器来实时调整的。

6.根据权利要求1所述的一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，其特征在于：远程终端用于远程集中监控抽油机控制系统的运行状态，人工参与控制并调整控制系统的参数和状态；远程终端直接采用已有站库的数据采集监控系统，站库数据采集监控系统接收到抽油机变频柜发回的数据，通过触摸屏或工控机上的组态画面进行远程监控和控制。

7.GPRS通信模块采用WDTU-0511D GPRS DTU，用于接收远程终端发出的指令，并将接收到的信息传输至PLC控制系统，用于接收PLC控制系统信息，并将接收到的信息发送给远程终端；GPRS通信模块6采用天津市万众科技发展有限公司的WDTU-0511D型GPRS模块，它拥有透传功能，可以将后台与WDTU-0511D的485连接设备之间的数据实现透明传输；让有线仪表与ZIGBEE无线仪表数据进行数据传输（温变、压变、载荷），有线仪表的有线传输协议需要遵循标准的MODBUS_RTU协议；可以从后台通过WDTU-0511D读取仪表数据或设置仪表参数，后台与GPRS之间的数据协议遵循标准的MODBUS_TCP协议；同时可以用485对WDTU-0511D寄存器进行访问，WDTU-0511D无线数据传输模块由SIM900B、RS485通信电路、RS232通信电路、无线通信ZigBee模块组成，四频 850/900MHz 和 1800/1900MHz；2.4G无线通信距离 0～150m（空旷地区）；电压范围在9V～30V；温度范围在-20℃～80℃；采用超低功耗高性能的嵌入式处理器；内置看门狗，不死机，掉线自动恢复；支持一路 RS232/RS485 方式的用户数据接口，RS232通讯接口RX与TX同PLC控制系统的RS232接口端子相连接，电源端子+与—接入24V直流电源，

另外还需将SIM卡插入到插槽中。