基于PLC的自適應平衡裝置控制系統設計

梁宏寶 朱 砂 才松林 苗光輝

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.吉林油田分公司勘探設計院，吉林 松原 138000；3.河南思科石油環保設備有限公司，河南 許昌 461000)

基于PLC的自適應平衡裝置控制系統設計

梁宏寶1朱 砂1才松林2苗光輝3

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.吉林油田分公司勘探設計院，吉林 松原 138000；3.河南思科石油環保設備有限公司，河南 許昌 461000)

介紹了一種自適應平衡裝置控制系統的實現過程，用PLC對自適應平衡裝置進行自動化控制，并給出了控制邏輯、執行元件的確定方案。經試驗驗證：該系統設計合理，工作可靠。

自適應平衡裝置 PLC 平衡度

近年來，隨著油田數字化和智能化技術的快速發展，抽油機平衡調節方式也從原有的下偏杠鈴型抽油機、雙驢頭抽油機或人工更換游梁平衡塊進行調節的方式發展到僅在原有抽油機上添加平衡裝置即可實現智能控制調節的方式[1～3]。

目前市面上有多種結構原理各異的智能平衡裝置，如調徑變矩式調平衡結構、移動式調平衡結構和伸縮式自調平衡結構[4,5]。雖然這些裝置都可以實現平衡配重的力矩變化，但控制系統運算方法的適用性、運算和調整的準確性、裝置的可靠性都不盡如人意。目前大慶油田投入使用了新型自適應平衡裝置——行星結構平衡塊調節裝置，其控制邏輯采用獨創并經過大量試驗驗證的有功功率平衡法，控制系統運算結果更加真實可靠[6,7]，平衡調節裝置執行調整更加平穩，取得了良好的現場應用效果。筆者針對行星結構平衡調節裝置的控制系統進行分析，同時對現場應用效果進行實地勘測，分析并驗證該系統的應用效果，為數字化抽油機的研究提供了一個好的設計方案[8～10]。

1 自適應平衡裝置控制模型

自適應平衡裝置是游梁式抽油機游梁尾部的一個配重部件，它與游梁一起構成游梁式抽油機的平衡系統，主要由平衡臂、扇形齒輪、步進電機、擺動臂小齒輪、擺動臂和平衡塊組成，抽油機自適應平衡裝置結構示意圖如圖1所示。

圖1 抽油機自適應平衡裝置結構示意圖

在游梁尾部通過平衡臂固定扇形齒輪，扇形齒輪兩邊通過固定軸連接兩個活動擺臂，擺臂一端活動固接在固定軸上，另一端通過調節軸活動連接小齒輪，扇形齒輪和小齒輪位于兩個擺臂之間，擺臂分別通過固定軸和調節軸將扇形齒輪和小齒輪嚙合連接，在擺臂與小齒輪連接端固定有平衡塊。當平衡度不符合設定值時，步進電機動做驅動小齒輪運動，從而改變平衡塊位置實現平衡指數調節。

2 自適應平衡裝置控制系統策略

2.1控制原理

抽油機自適應調節平衡裝置主要由穩定性強的齒輪傳動裝置實現，此外還包括PLC、電量采集模塊、主電機、角位移傳感器、步進驅動器、平衡步進電機、平衡塊、GPRS模塊及命令輸入和顯示裝置等器件，其控制原理如圖2所示。其中，PLC根據角位移信號的變化分析出抽油機是上沖程還是下沖程，同時分析電量采集模塊采集的抽油機主電機上、下沖程500個點的有功功率，計算出上、下沖程的平均有功功率，用下沖程平均有功功率除以上沖程平均有功功率計算出當前抽油機的平衡度，與目標設定值比較后將執行命令傳給步進驅動器調節平衡裝置實現抽油機平衡度的自適應調節。PLC上連接有無線模塊GPRS，該無線模塊與油田遠程站控平臺實現信息交互[11～13]。

圖2 抽油機自適應平衡裝置控制原理框圖

2.2硬件選擇

控制器選用日本歐姆龍CP1E系列CP1E-NA20DR-A的PLC，其可靠性已經得到各行業的充分認可。

角位移傳感器選用蚌埠某廠家的SMA36系列，該角位移傳感器用電流輸出與軸旋傾角為線性關系的原理測量物體旋轉位置，量程為水平位置-50～50°。該傳感器輸出平滑性好，兩線制，接線方便快捷，以強磁吸附式、槽鋼卡裝式或底板固定式安裝，安裝拆卸方便安全，鋁殼全密封防水，滿足全天候使用。

GPRS采用北京某公司的R-8554 Modem，該模塊內置無線通信模塊，集成了標準的RS-232/RS-485接口和SIM卡接口，可以在PC機上用AT命令通過串口對它進行設置和撥號上網、數據通信(利用PC機的TCP/IP、PPP等協議)，可以快速組建無線數據通信網絡，實現實時遠程數據傳輸。

步進電機采用某品牌86BYG250H型號(含驅動器)，適用于機械工程設備。電機低細分運行時驅動內部按照高細分自動運行，低速運行非常平穩。實時監測脈沖信號，采用先進技術，高速運行電機扭矩同比增加30%。電機輸入脈沖最高200kHz；具有相位斷電自動記憶功能；可以定做任意細分數。

主核心動作器件斷路器、接觸器及繼電器等選用法國施耐德和德國西門子的器件，提升控制回路的安全可靠性，降低意外情況發生的幾率。

除主動力線外，其他所有需接線的端口和外圍信號電纜接口全部采用航空插頭對接形式，避免現場人員接線錯誤造成器件燒毀，使現場安裝方便、高效。

2.3軟件設計

根據游梁式抽油機平衡的評價標準，分析出能反映出抽油機耗電量并可執行運算的實時參數，經過試驗驗證，最終確定采用獨創的有功功率平衡法進行平衡指數分析[14～18]。

由角位移傳感器確定抽油機的運動軌跡，即確定上、下沖程；由電量采集模塊采集主電動機有功功率，計算上、下沖程平均有功功率得出平衡指數；PLC控制輸入平衡度為1，當實際平衡度出現偏差時，驅動步進平衡電機，調節擺動臂平衡塊在扇形齒輪區域的位置，進而調節平衡度，直至實際運行電流比(平衡度)等于設定值，其控制流程如圖3所示。

圖3 抽油機自適應平衡裝置控制系統流程

3 現場試驗

樣機經設計、制造、裝配后，先于2014年4月進行了廠內試驗，經反復修改設計方案，后于2015年2月在大慶油田股份有限公司第二采油大隊第三作業區八區六隊N8-4-D23井進行安裝試驗。試驗機型為CYJ10-3-37HB型抽油機，沖程為3m，沖次為6r/min。在原材料使用、用電量和使用效果方面進行了對比。

采用自適應平衡裝置前抽油機使用兩塊重1 300kg的曲柄配重，總重2 600kg；采用自適應平衡裝置后增加平衡裝置，平衡裝置重1 230kg，曲柄配重更換為兩塊366kg曲柄配重塊，加上曲柄重總重1 962kg，綜合鋼材節約率24.5%。

用電情況對比見表1。

表1 使用自適應平衡裝置前后用電情況對比

由表1可知，采用自適應平衡裝置后綜合節電率達到14.2%。

使用自適應平衡裝置前設備數據需要人工采集，使用后電腦控制系統可顯示抽油機平衡度、電流等參數，減輕了工人勞動強度，提高了工作效率。

4 結束語

針對抽油機自適應平衡裝置實際控制需求，提出基于PLC的解決方案，給出了總體設計方案，介紹了軟、硬件實現細節。自適應調節功能，使抽油機平衡度始終保持在最佳范圍，降低了峰值電流，實現節能降耗的目的?，F場調試結果表明本系統設計合理，工作可靠，可供類似的工程機械控制系統參考。

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DesignofPLC-basedControlSystemforSelf-balancingIntelligentUnit

LIANG Hong-bao1, ZHU Sha1, CAI Song-lin2, MIAO Guang-hui3

TH865

A

1000-3932(2016)05-0530-04

2016-03-14(修改稿)