CN204984826U - 一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，构成中包括PLC控制器、无扰切换变频控制器、设置在注水泵及其连接设备上的检测设备以及设置在监控室内的操作台和显示器，所述检测设备通过现场总线连接PLC控制器的输入端，PLC控制器、操作台和无扰切换变频控制器之间通过485通讯线互相通讯，操作台的输出端连接显示器。本实用新型利用无扰切换变频控制器控制注水泵的运行，并利用检测设备对注水泵的运行状态进行实时监控，不仅有效避免了对电网造成的冲击，延长了设备的使用寿命，而且能够直观显示注水泵运行数据、故障信息及故障处理方法，帮助作业人员快速排除注水泵故障，从而提高了设备的检修效率。

Description

一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于监测和控制油田注水泵的装置，属于油田设备技术领域。

背景技术

注水泵站是油田开发生产过程中的重要生产单元，提高注水泵控制装置的性能是确保油田高产、稳产的关键。现有的变频恒压注水系统存在以下缺点：

一、注水泵由变频器软启动后一般不能自动切换到市电，有的虽然能够实现自动切换，切换时却无法保证变频器的输出电压与市电具有相同的相位，这样不仅会对电网产生大电流冲击，影响电网的平稳运行，而且还会对设备造成严重伤害，缩短设备的使用寿命。

二、大部分油田注水站都是由人工录入数据，各注水泵机组及其辅助设备未能实现运行状态的实时监控，设备预知修保能力差，对机组的振动、转数、温度、噪音、效率未能开展检测，由此造成注水泵站系统效率不高、能耗大、故障率高、信息反馈速度慢等问题。近些年，随着计算机技术的发展，部分油田实现了注水泵站的自动监控，但是现有的注水泵监控设备大多只监控工艺流程，如管线出口压力、管线出口流量等，信息采集量少，无法对注水泵以及与注水泵连接的各设备的故障进行全面监测，并且即使注水泵出现故障，也不能进行故障内容提示，维修人员只能通过拆解注水泵才能判断故障所在，给设备的维修造成了很大的困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种能够对注水泵及其连接设备的运行状态进行实时监测的多功能油田注水泵无扰切换监控装置，同时避免注水系统对电网造成冲击，延长设备的使用寿命。

本实用新型所述问题是以下述技术方案解决的：

一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，构成中包括PLC控制器、无扰切换变频控制器、设置在注水泵及其连接设备上的检测设备以及设置在监控室内的操作台和显示器，所述检测设备通过现场总线连接PLC控制器的输入端，PLC控制器、操作台和无扰切换变频控制器之间通过485通讯线互相通讯，操作台的输出端连接显示器。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述无扰切换变频控制器包括控制单元、变频器和与每个注水泵相对应的启停开关、软启动接触器和市电接触器，每个注水泵通过对应市电接触器的主触点与电网连接并通过对应软启动接触器的主触点接变频器的输出端，每个软启动接触器和市电接触器的控制线圈接控制单元，注水泵的启停开关及各接触器的辅助常开触点输出的开关信号接控制单元，所述变频器与控制单元之间通过通信电缆连接。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述控制单元包括CPU、模数/数模转换器和切换仪，所述切换仪通过模数/数模转换器与CPU相连，切换仪的R、T、W、U引脚分别接变频器的R、T、W、U引脚；所述模数/数模转换器的IIN-与IIN+引脚之间接油田注水压力信号，其IOUT-与IOUT1引脚分别接变频器的11和C1引脚；各注水泵的启停开关及各接触器的辅助常开触点所输出的开关信号分别接CPU的不同输入端口；所述CPU的X21、X20、Y1和Y0端口分别接变频器的Y5C、30C、X8和FWD引脚；每个注水泵的软启动接触器和市电接触器的控制线圈分别接CPU的不同输出端口；CPU通过485通讯线与操作台连接。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，每个注水泵的软启动接触器的辅助常闭触点与该注水泵的市电接触器的控制线圈串联连接；每个注水泵的市电接触器的辅助常闭触点与该注水泵的软启动接触器的控制线圈串联连接。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述检测设备包括用于监测注水泵及其连接设备温度值的温度传感器组、用于监测注水泵运行噪声的噪声传感器组、用于监测注水泵润滑油的油品传感器和液位传感器、用于监测注水泵运行振动情况的振动传感器组、用于监测注水泵转速的转速传感器、用于监测注水泵进出水压力的压力传感器组和进出水流量的流量传感器组；各传感器组的数据线分别与PLC控制器的输入端连接。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述温度传感器组包括设置在注水泵电机上的电机轴承温度传感器、设置在注水泵动力端的润滑油温度传感器以及设置在注水泵动力端的三个十字头温度传感器。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述噪声传感器组包括设置在注水泵动力端的动力端噪声传感器和设置在泵头的泵头噪声传感器。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述振动传感器组包括设置在注水泵动力端的动力端振动传感器和设置在泵头的泵头振动传感器。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述动力端振动传感器和泵头振动传感器均采用XYZ三轴振动传感器。

上述多功能油田注水泵无扰切换监控装置，所述检测设备还包括设置在泵头电磁阀处的漏失量检测仪以及设置在注水泵动力端的红外传感器。

本实用新型利用无扰切换变频控制器控制注水泵的运行，并利用检测设备对注水泵的运行状态进行实时监控，不仅有效避免了对电网造成的冲击，延长了设备的使用寿命，而且能够直观显示注水泵运行数据、故障信息及故障处理方法，帮助作业人员快速排除注水泵故障，从而提高了设备的检修效率。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中各检测设备在注水泵上的安装位置图；

图3是无扰切换变频控制器的电原理图；

图4是控制单元的电原理图。

图中各标号为：A.电机，B.皮带，C.动力端，D.泵头，E.进水管线，F.出水管线，G.电磁阀；1、电机轴承温度传感器，2、转速传感器，3、油品传感器，4、液位传感器，5、动力端振动传感器，6、红外传感器，7、润滑油温度传感器，8、动力端噪声传感器，9、十字头温度传感器，10、泵头噪声传感器，11、漏失量检测仪，12、泵头振动传感器，13、进口流量计，14、进口压力传感器，15、出口流量计，16、出口压力传感器；U1、控制单元，CPU、微处理器，AD/DA、模数/数模转换器，RQH、切换仪，VVVF、变频器，M1～M4、第一注水泵～第四注水泵，QS1～QS5、第一隔离开关～第五隔离开关，QF1～QF5、第一断路器～第五断路器，KM1～KM4、第一注水泵软启动接触器～第四注水泵软启动接触器，KM1a～KM4a、第一注水泵软启动接触器的辅助常闭触点～第四注水泵软启动接触器的辅助常闭触点，KM1b～KM4b、第一注水泵软启动接触器的辅助常开触点～第四注水泵软启动接触器的辅助常开触点，KM5～KM8、第一注水泵市电接触器～第四注水泵市电接触器，KM5a～KM8a、第一注水泵市电接触器的辅助常闭触点～第四注水泵市电接触器的辅助常闭触点，KM5b～KM8b、第一注水泵市电接触器的辅助常开触点～第四注水泵市电接触器的辅助常开触点，FU、熔断器，K1～K4、第一注水泵启停开关～第四注水泵启停开关。

图中，箭头方向为水流方向。

具体实施方式

本实用新型的工作原理如图1所示，包括PLC控制器、无扰切换变频控制器、设置在注水泵及其连接设备上的检测设备以及设置在监控室内的操作台和显示器，检测设备通过现场总线连接PLC控制器的输入端，操作台通过485通讯线与PLC控制器和无扰切换变频控制器通讯，操作台的输出端连接显示器。

检测设备包括温度传感器组、噪声传感器组、振动传感器组、流量传感器组、压力传感器组、转速传感器2、油品传感器3、液位传感器4、漏失量检测仪11以及红外传感器7，检测设备中各传感器的数据线分别与PLC控制器的输入端连接，各传感器在注水泵上的安装位置如图2所示，具体如下：

温度传感器组用于监测注水泵及其连接设备的温度值，包括设置在注水泵电机A上的电机轴承温度传感器1、设置在注水泵动力端C的润滑油温度传感器8以及设置在注水泵动力端C三个十字头温度传感器9。

噪声传感器组用于监测注水泵的运行噪声，包括设置在注水泵动力端C的动力端噪声传感器6和设置在泵头D的泵头噪声传感器10。本实施例中，泵头噪声传感器10共设置三个，分别位于泵头的左部、中部和右部。

油品传感器用于监测注水泵润滑油的品质，液位传感器用于监测注水泵润滑油的液位，红外传感器7用于监测注水泵动力端的曲轴温度值，油品传感器、液位传感器和红外传感器均设置在注水泵的动力端。

振动传感器组用于监测注水泵运行的振动情况，包括设置在注水泵动力端的动力端振动传感器5和设置在泵头的泵头振动传感器12。本实施例中，动力端振动传感器5和泵头振动传感器12均采用XYZ三轴振动传感器。

转速传感器用于监测注水泵的转速，设置在注水泵动力端的输入端。

压力传感器组用于监测注水泵的进出水压力，包括设置在进水管线E上的进口压力传感器14和设置在出水管线F上的出口压力传感器16；流量传感器组用于监测注水泵的进出水流量，包括设置在进水管线E上的进口流量计13和设置在出水管线F上的出口流量计15。

本实用新型在泵头的电磁阀处还设置了漏失量检测仪11，用于监测注水泵的水漏失量。

操作台还通过485通讯线连接注水泵的无扰切换变频控制器，用于采集注水泵的工作电压、工作电流，以在操作台的控制下实现对注水泵的运行状态调节和过载保护。

本实用新型工作时，各检测设备对注水泵的各种数据进行采集，并将采集的4~20mA信号通过现场总线传送到PLC控制器的AI311模块，各模拟信号通过AI311模块转换成数字信号，PLC控制器将接收到的数字信号进行计算，并与标准值进行比较，当某个监测点有多个同类数据时，可取其平均值与标准值进行比较；当有数据和标准值相差较大时，PLC控制器通过485通讯线传输给操作台，并在显示器进行故障位置预警和问题处理方法提示，通过预警信息可以准确的查找问题所在进行维护，减少排查时间提高人员效率，大大提高了对注水泵的维护效率。

本实用新型可及时发现某螺丝松动、盘根漏油漏水等问题，提高注水泵的工作效率，减少耗电量，甚至还可避免因没有察觉注水泵异常而导致注水泵长期运行最终造成重大故障停机现象的发生。

参看图3和图4，无扰切换变频控制器包括控制单元U1（控制单元U1包括CPU、模数/数模转换器AD/DA和切换仪RQH）、变频器VVVF、隔离开关（图3中给出了五个隔离开关，即第一隔离开关QS1～第五隔离开关QS5）、断路器（图3中给出了五个断路器，即第一断路器QF1～第五断路器QF5）、软启动接触器（图3中给出了四个软启动接触器，即第一注水泵软启动接触器KM1～第四注水泵软启动接触器KM4）、市电接触器（图3中给出了四个市电接触器，即第一注水泵市电接触器KM5～第四注水泵市电接触器KM8）、熔断器FU、注水泵启停开关（图4中给出了四个注水泵启停开关，即第一注水泵启停开关K1～第四注水泵启停开关K4）。

无扰切换变频控制器是对普通变频恒压注水系统的全自动化升级，实现了注水泵由变频器拖动到市电工频拖动的自动切换。由于切换电流小于电动机额定电流的5%，对电网、水泵运行均监测不到扰动现象，所以称为无扰切换。

一台无扰切换变频控制器可控制多台注水泵中的任一台（图3和图4给出的无扰切换变频控制器可以控制4台泵，具体实施时最多可以拖动8台泵），现在以第一注水泵M1为例说明无扰切换的运行步骤：

首先在控制单元U1中设定好注水压力值，启动系统运行。在系统设定压力值大于实际压力值的情况下，按第一注水泵启停开关K1，第一注水泵M1允许运行信号送到CPU的X2端口，在CPU的X0、X1、X3、X6、X11端口都没有信号，即KM1、KM2、KM3、KM4和KM5没有吸合，四台注水泵都没有变频运行而且第一注水泵M1也没有工频运行的情况下，CPU通过Y4端口输出控制信号，使KM1吸合，KM1吸合后CPU的X0端口出现信号。CPU检测到X0端口的信号后保持Y4端口的信号，然后命令Y0端口输出运行命令、Y1端口不输出信号。变频器VVVF收到CPU发出的运行命令后开始运行，使第一注水泵M1变频运行。第一注水泵M1变频运行后，由于设定压力值大于实际压力值，CPU控制模数/数模转换器AD/DA的Iout端子输出的变频器频率信号增加，直至Iout输出信号等于20mA为止。此时变频器频率到达50HZ，变频器VVVF输出一个“频率到达50HZ”的信号给CPU的X21端口，CPU收到该信号后，发出一个允许切换仪RQH运行的命令。切换仪RQH收到这个命令即开始对变频器的输出电压和市电电压进行比较，因为变频器输出的是PWM波，在与市电电压进行比较前必须对变频器的输出电压进行整理，我们通过取样电路取样隔离后，通过反相识别、波形整理、积分电路得到一个近似的正弦波信号和市电电压信号比较。比较过零点、比较相位差、比较电压的波峰、波谷。当CPU检测到两个信号的相位差小于5⁰而且处于过零点、电压的峰值在正常范围内时，输出无扰切换命令。

对于第一注水泵M1来说，无扰切换命令出现后，CPU的Y4、Y0端口停止输出信号，变频器VVVF停机，KM1释放而CPU的Y1端口输出信号，封锁变频器VVVF输出，CPU的X0端口无信号输入。KM1释放后，CPU命令Y5端口输出信号，使KM5吸合，于是CPU的X1端口有信号输入,第一注水泵M1完成了由变频器VVVF拖动到市电拖动的切换。

第一注水泵M1切换完毕后，系统等待下一台注水泵的启动命令。

在CPU的控制下，无扰切换时间小于300ms,切换电流小于电动机额定电流的5%，比水泵空载工频启动对电网的冲击要小很多，所有水泵都可以带负荷启动、切换，启动过程对水泵的机械冲击不大，对电网的影响也非常小。

Claims (10)

1.一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，构成中包括PLC控制器、无扰切换变频控制器、设置在注水泵及其连接设备上的检测设备以及设置在监控室内的操作台和显示器，所述检测设备通过现场总线连接PLC控制器的输入端，PLC控制器、操作台和无扰切换变频控制器之间通过485通讯线互相通讯，操作台的输出端连接显示器。

2.根据权利要求1所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述无扰切换变频控制器包括控制单元（U1）、变频器（VVVF）和与每个注水泵相对应的启停开关、软启动接触器和市电接触器，每个注水泵通过对应市电接触器的主触点与电网连接并通过对应软启动接触器的主触点接变频器（VVVF）的输出端，每个软启动接触器和市电接触器的控制线圈接控制单元（U1），注水泵的启停开关及各接触器的辅助常开触点输出的开关信号接控制单元（U1），所述变频器（VVVF）与控制单元（U1）之间通过通信电缆连接。

3.根据权利要求2所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述控制单元（U1）包括CPU、模数/数模转换器（AD/DA）和切换仪（RQH），所述切换仪（RQH）通过模数/数模转换器（AD/DA）与CPU相连，切换仪（RQH）的R、T、W、U引脚分别接变频器（VVVF）的R、T、W、U引脚；所述模数/数模转换器（AD/DA）的IIN-与IIN+引脚之间接油田注水压力信号，其IOUT-与IOUT1引脚分别接变频器（VVVF）的11和C1引脚；各注水泵的启停开关及各接触器的辅助常开触点所输出的开关信号分别接CPU的不同输入端口；所述CPU的X21、X20、Y1和Y0端口分别接变频器（VVVF）的Y5C、30C、X8和FWD引脚；每个注水泵的软启动接触器和市电接触器的控制线圈分别接CPU的不同输出端口；CPU通过485通讯线与操作台连接。

4.根据权利要求3所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，每个注水泵的软启动接触器的辅助常闭触点与该注水泵的市电接触器的控制线圈串联连接；每个注水泵的市电接触器的辅助常闭触点与该注水泵的软启动接触器的控制线圈串联连接。

5.根据权利要求4所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述检测设备包括用于监测注水泵及其连接设备温度值的温度传感器组、用于监测注水泵运行噪声的噪声传感器组、用于监测注水泵润滑油的油品传感器和液位传感器、用于监测注水泵运行振动情况的振动传感器组、用于监测注水泵转速的转速传感器、用于监测注水泵进出水压力的压力传感器组和进出水流量的流量传感器组；各传感器的数据线分别与PLC控制器的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述温度传感器组包括设置在注水泵电机上的电机轴承温度传感器（1）、设置在注水泵动力端的润滑油温度传感器（8）以及设置在注水泵动力端的三个十字头温度传感器（9）。

7.根据权利要求6所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述噪声传感器组包括设置在注水泵动力端的动力端噪声传感器（6）和设置在泵头的泵头噪声传感器（10）。

8.根据权利要求7所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述振动传感器组包括设置在注水泵动力端的动力端振动传感器（5）和设置在泵头的泵头振动传感器（12）。

9.根据权利要求8所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述动力端振动传感器（5）和泵头振动传感器（12）均采用XYZ三轴振动传感器。

10.根据权利要求9所述的一种多功能油田注水泵无扰切换监控装置，其特征是，所述检测设备还包括设置在泵头电磁阀处的漏失量检测仪（11）以及设置在注水泵动力端的红外传感器（7）。