基于PLC和变频器节能式抽油机控制系统设计

1、基于plc和变频器节能式抽油机控制系统设摘要：根据目前油田生产节能降耗需求，设计了基 于plc与变频器的节能式抽油机控制系统。设计采用变频节 能技术，控制对象为高效永磁同步电机，该系统以plc为核 心，通过profibus总线与变频器进行数据通讯，实施变频 控制，实现电动机连续正反转。所设计抽油机控制系统具有 上下冲次和冲程单独可调，节能，可靠性高的特点，同时适 应于当前数字化油田发展方向。主题词：节能抽油机；plc控制；变频控制；无游梁抽 油机在采油成本中，抽油机电费占采油成本的30%左右，年 耗电量占油田总耗电量的20%30%,处油田电耗的第2位， 仅次于注水。抽油机抽油系统总效率在国内一

2、般地区评价只 有12%23%,先进地区也不到30%,降低抽油系统高能耗问 题显得尤为迫切。本控制系统以高效永磁同步电机为对象， 加之合理的控制方案满足油田生产节能降耗的需求。一、系统方案本系统抽油机为无游梁塔架立式直驱抽油机，其控制系 统采用变频器节能技术，以西门子plc控制器s7-1200作为 主控单元，控制abb变频器ascm1-04as-031a-4直接驱动永 磁同步电机加速、减速、正转、反转，将电机的旋转运动转 化为抽油杆的直线运动，实现抽油杆连续可控地上下往复运 动，完成产液所需的抽油过程。同时，利用gprs无线模块 实现与油田监控中心的数据通信，满足现代油田信息化、数 字化需求。1

3、.plc系统plc系统是整套控制逻核心，包括plc控制器、行程开 关、数字电压表、数字电流表、按钮、指示灯等。plc控制 器选用西门子s7-1200小型可编程控制器，该系列控制器具 有集成profinet接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩 展等特点。s7-1200 cpu将微处理器、集成电源、输入和输 出电路、内置profinet、高速运动控制i/o以及板载模拟量 输入集成于一体，带有多达6个高速计数器，3个100khz, 3个30khz,为用户指令和数据提供高达50kb的共用工作内 存，同时还提供2mb的集成装载内存和2kb的掉点保存内存。plc系统通过检测自动/手动旋钮信号，进入自动和点

4、动 控制模式。自动模式下plc控制系统依据用户设定冲程、上 行下行速度、加速减速时间，实时计算电机转速及当前位置, 通过profibus总线向变频器发送速度控制目标值及方向， 从而实现电机的提前加速减速及换向。点动模式下plc控制 系统按照用户设定速度，控制变频器速度值及方向，实现抽 油杆单方向运行。plc控制器通过模拟量输入接口与数字电压电流表相 连，实时监测供电系统电压、电流状况。上下极限开关、急 停开关作为数字量信号连接到plc控制器数字量输入端。操作显示面板选用西门子kp600 pn 5.7寸按键式触摸 屏，它通过内置的profinet总线接口与plc控制器进行数 据通讯，利用西门子组

5、态功能开发了抽油机控制系统人际交 互界面，包括设定冲程、上下行速度，显示实时冲程、冲次 等参数的基本运行参数界面；查看变频器当前输出参数的系 统运行状态界面；以及包含记录故障代码、故障内容的异常 报警记录界面等。plc系统中plc控制器通过扩展的rs232通讯模块与 gprs (433m或zigbee)无线模块相连，借助无线模块抽油 机控制系统能够将当前系统运行状态参数、故障报警信息实 时发送到监控中心或工作人员手机上，同时监控中心也可以 远程修改冲程、冲次设定值，及远程启停抽油机。2.变频器电机驱动部分选用abb公司acsm1-04as-031a-4高性能变频器，acsm1系列变频器功率范围

6、0. 75kw至160kw,采用dtc (直接转矩控制)控制技术，提供了高性能的速度控制、 转矩控制和运动控制，支持有反馈或无反馈开环方式的异步 及同步电机。该系列变频器适用于本方案中闭环方式下同步 电机的速度控制方式。通过外扩pr0fibs总线通讯模块 fpba-01,实现与plc控制器之间的总线数据通讯，传输实 时转速、频率、电流、转矩百分数、编码器转速和直流母线 电压，及i/o状态，报警和故障代码等变频器实时参数信息。上下换向、极限开关同时接入到变频器数字量输入端。 自动运行模式下，系统以无限逼近的方式在上下换向开关间 按设定冲程自动运行，当位移算法计算所得当前位置累计误 差超出门限值时

7、，碰触换向开关，变频器检测到该信号后立 即减速。plc控制器利用profinbus总线检测到换向开关对 应的i/o状态变化，启动电机反转运行，同时更新位移算法 起始点。二、软件方案设计plc控制器和变频器承担了整套系统的逻辑控制功能， 其中plc程序又是整套控制系统的逻辑控制功能实现的核 心，该程序的优劣决定着整套控制系统的性能及安全。plc 程序采用模块化编程，结构清晰，便于调试及维护。plc主 程序流程图如图3所示。plc主程序完成正常情况下工作模 式判断处理，依据不同数字量输入完成启动、停止、点动等 动作处理过程，同时针对不同的故障和报警类别进入相应处 理模块。上电初始化模块完成对系统程

8、序、参数的初始化，及显 示模块配置参数导入等内容。状态自检模块用于实时检测各按键和触摸屏动作、当前 系统总线上报的故障报警状态，依据状态自检结果，进入相 应的模块处理流程。参数设定模块是依据现场人际交互界面所修改内容更 新系统参数、保存新设定值等。点动运行模块完成上行、下 行按钮按住时，变频器输出、松闸，实现点动上行、下行， 在按钮松开后，控制零速保持和抱闸制动。自动运行模块依据当前系统所处的启停状态和新启停 控制命令进到正常运行处理程序，完成当前位置判断，对电 机转速、方向进行连续自动控制。故障和报警处理模块根据异常类别进到相应的处理程 序，处理程序中包含面板报警显示和处理意见、gprs无线

9、报 警、电机制动、零速保持等。plc通过profibus总线向变频器下发启停控制字和转速 设定值报文，变频器进入相应的启动和停机处理程序。当收 到上下行换向开关输入时，电机停机减速，变频器进入换向 处理程序，并通过总线非周期向plc发送换向报文。变频器 同步检测极限和急停信号，及时进入相应处理程序。三、结束语基于plc与变频器的节能式抽油机控制系统选用应用广 泛的变频节能技术，采用以plc控制系统为核心，控制变频 器加速、减速、正反转，将电机旋转运动转化为悬点上下往 复运动，结构简单，传动效率高。电机正反转直驱方式，实 现了上下冲次单独连续可调，能够满足老井、稠油井上慢下 快的汲取方式，结合系统远程监控功能，可以开展人工或智 能化间抽远程控制，最大程度上达到节能降耗的目的