油田變頻抽油控制系統中嵌入式的使用

摘要 為了提高勝利油田采油設備工作狀態參數的實時綜合測試和控制水平，保證油井高產量、高效率生產，及時發現并處理設備可能存在的隱患或發生的故障，并對盜油等行為進行及時的監測和制止，必須實施采油的自動監控和管理。

關鍵詞 變頻嵌入式系統控制

一、背景介紹

在勝利油田采油設備中，以游梁式磕頭采油機應用最為普遍，數量也最多。但傳統的磕頭機普遍存在著起動沖擊大，運行耗電多，效率低下等諸多問題，加之油井情況復雜，斷桿、燒電機等現象經常發生，對電動機沒有可靠的保護功能，設備維修量大，急需對現有的采油機設備進行改造。為此，我們利用泓格的I-7188EXD以及I-7000模塊對大沙莊的12臺采油設備采用了分布式變頻采油控制方式，其應用效果十分明顯。

二、工作原理

（一）恒速采油的弊端和變頻采油的必要性

作為采油設備，其運動為反復地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質滑塊，當滑塊提升時，類似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電機轉速一定，在滑塊下降過程中，負荷減輕，電機拖動產生的能量勢必進入再生發電狀態，造成主回路母線電壓升高，頻繁的高壓沖擊會損壞電機，對電動機沒有可靠的保護功能，一旦電機損害，造成生產效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節能降耗，給企業帶來了較大的經濟損失。

假如采用變頻調速技術，效果則完全不一樣：根據電機理論可知，其轉速公式為：n=60fx（1-s）/p其中：P-電動機的極對數；s-轉差率；f-供電電源的頻率；n-電動機的轉速，可看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調節電機轉速，而對于變頻器而言，其頻率的調節范圍是很寬的，可在0～400Hz之間任意調節，因此電機轉速即可以在較寬的范圍內調節。同時變頻調速器具有低速軟啟動，轉速可以平滑地大范圍調節，對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設備，保證設備在安全的電壓下工作，具有運行平穩、可靠，提高功效等諸多優點，是采油設備改造的理想方案。在本系統中為防止采油滑塊提升時對其軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，最高頻率設在50Hz。

（二）系統架構

根據上述分析的變頻控制原理，控制系統必須有控制器以及相應的控制模塊，由于抽油設備均在野外工作，基本上處于“無人看管”的工作狀態，采用工控機等之類的控制器顯然是不合理的，而泓格的嵌入式網絡控制器I-7188EX具有PC的一切控制功能，只要將其安裝在防雨、防電等場合，便可工作，同時利于現場安裝，滿足設計要求。為此，圍繞I-7188EX控制器，必須有相應的功能模塊與之配合才能完成控制任務，為此我們選用了I-7024模擬量輸出模塊，讓其輸出的模擬信號作為變頻器的輸入控制信號，I-7060作為相應控制開關的控制模塊、I-7017實時采集輸油管路的流量。

由于下莊采油隊有12臺抽油機，為便于“集中管理、分布式控制”，在小隊的控制室安裝有一臺監視控制計算機，主要用來管理I-7188EX，并且實時記錄流量、工作日志、設備運行的健康狀態。由于小隊的控制室遠離采油廠的采油統計中心，因此，巡視人員將定期攜帶移動式筆記本電腦通過HUB與控制計算機采用TCP/IP協議下載控制計算機的記錄參數，然后回采油統計中心將各個采油分隊的記錄參數匯總，統計，達到了對采油設備工作狀態參數的綜合測試以及管理的目的。架構圖中，I-7188EX與I-7000模塊采用RS-485通信、I-7188EX與控制計算機采用TCP/IP通過HUB相連并通信。從而實現了分級控制、分級管理，利于維護、安裝、移動和拆卸。是一種比較的采油設備控制系統。

（三）采油變頻調節過程

變頻采油是當滑塊下降過程時，經I-7188EX邏輯判定，將控制信號通過I-7024送至變頻器，調節變頻器的輸出頻率，讓滑塊根據井口真空度以及電機所帶負荷變速下降，當采油滑塊提升時，為防止油錘現象的產生，采油泵的啟停將采用聯動方式，即三臺油泵共一個出口閥門。變頻聯動方式有變頻泵固定方式和變頻泵循環方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵，可選擇“先開先關”和“先開后關”兩種水泵關閉順序；變頻泵循環方式最多可以控制4臺泵，系統以“先開先關”的順序關泵。本系統采用變頻泵循環方式，這樣，將3口油井的采油泵采用變頻聯動方式采油，不僅降低了能耗，保護了電機，更為重要是使輸油管路的壓強恒定，流量恒速，利于計量與管理。

（四）效益分析

在開采前期，由于儲油量大，供液足，為提高功效，我們采用提高轉速的方式，讓變頻器運行至65Hz，頻率提高了1/3，其綜合采油率可比工頻情況下多采油20%，工效提高了1.2倍，當中期時我們讓變頻器運行至50Hz，變頻器運行在工頻情況，其采油量恢復正常狀態，由于采用多種控制技術，使采油量在短時間內有較大幅度的提升，同時，維修量大幅度降低，利于設備的節能降耗，降低了采油工的勞動強度，提高了工作效率，并且控制系統可以重復使用，方便拆卸和安裝，系統的投入深受勝利油田采油廠的喜愛。

目前，油田在穩產的同時，如何節能降耗，并對鉆井設備進行科學管理，是目前石油采集單位需要解決的問題。