油田抽油機(jī)傳動系統(tǒng)控制原理與設(shè)計(jì)

尹振軍

摘 要：針對系統(tǒng)控制自動化需求以及節(jié)能降耗的要求，提出一種基于DSP的智能傳動控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先對目前主流的抽油機(jī)類型進(jìn)行了簡單的介紹，然后對傳動系統(tǒng)調(diào)速的原理進(jìn)行了分析，最后結(jié)合DSP在智能控制方面的優(yōu)勢，利用DSP芯片作為主處理器，從硬件和軟件的角度對系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由此通過設(shè)計(jì)，為抽油機(jī)的節(jié)能和自動化控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；節(jié)能；控制原理；軟件

中圖分類號：TM301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的發(fā)展，電力電子控制被廣泛應(yīng)用，其中也包含石油領(lǐng)域。而抽油機(jī)作為石油開采領(lǐng)域中的一個重要機(jī)械設(shè)備，其成為采油中能量消耗最大的一個設(shè)備之一。同時(shí)，抽油機(jī)的動力主要依靠傳動系統(tǒng)，通過傳動系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，以此不斷地對巖層下的石油進(jìn)行抽取。由此，如何對傳動系統(tǒng)進(jìn)行控制，成為保障抽油機(jī)工作的重點(diǎn)。

1.抽油機(jī)類型概述

目前，針對我國國內(nèi)的抽油機(jī)類型中，使用比較廣泛的包括有游梁式和無游梁式兩類。在抽油機(jī)結(jié)構(gòu)中，其傳動系統(tǒng)主要由電機(jī)、變速箱部分組成，并且配備的電動機(jī)大部分都是Y系列為主。

對于抽油機(jī)來講，其配備的電機(jī)大部分都處在輕載運(yùn)行的狀態(tài)，這樣其負(fù)載率很低，并且功率的損耗非常大。對抽油機(jī)的電耗來講，其用在生產(chǎn)中的用電比例會很大，并且對其進(jìn)行沖程沖次調(diào)節(jié)顯得十分不便。因此，提出對抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)技能改造，使其在各種工況下都具備良好的節(jié)電效果。而在本研究中，則提出采用開關(guān)磁足電機(jī)對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化控制，并借助DSP的智能處理，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)上沖程和下沖程的速度調(diào)節(jié)。

2.開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速的工作原理

對開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速來講，其主要包括控制器、功率變換器、開關(guān)磁阻電機(jī)、電流和位置檢測裝置。其中，開關(guān)磁阻電機(jī)的控制主要是通過控制器對功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對SR電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)，結(jié)合抽油機(jī)的功率和實(shí)際采油需求，可以將其運(yùn)行狀態(tài)分為啟動運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行和制動運(yùn)行3個狀態(tài)。在不同的狀態(tài)下，其采取的控制策略又有所不同，但總結(jié)起來，其基本的控制策略可以分為低速運(yùn)行斬波控制和高速運(yùn)行角度位置控制。而在這兩種控制策略中，斬波方式和角度結(jié)合的控制策略，被認(rèn)為是控制效果較好的一種方式，由此被大量運(yùn)用。如在啟動運(yùn)行的階段，以12/8結(jié)構(gòu)的三相開關(guān)磁阻電機(jī)來講，通常采用斬波控制的方式，這樣啟動可以沒有死區(qū)，并且可在任意的位置實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動；而在穩(wěn)定運(yùn)行階段，則采用APC控制控制方式，通過調(diào)節(jié)開通角，同時(shí)對導(dǎo)通角進(jìn)行優(yōu)化，最終完成對系統(tǒng)效率的調(diào)節(jié)；在制動運(yùn)行狀態(tài)下，則是采用固定開關(guān)角和電壓斬波控制的方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)盡快停轉(zhuǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)對傳送系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，最為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)對控制器的設(shè)計(jì)。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

對控制器來講，最為關(guān)鍵的是架構(gòu)設(shè)計(jì)，這是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。對此，本研究中則選擇TMS320LF2812芯片作為主控制器，并且配以高速的邏輯電路。以傳統(tǒng)的四相8/6極開關(guān)磁阻電動機(jī)為對象，在控制中采用速度、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。同時(shí)DSP在捕獲光電傳感器中的轉(zhuǎn)子位置信號，將其變?yōu)橄辔恍盘柡退俣刃盘枺煌ㄟ^電流傳感器采集到的電流信號，在濾波后將其作為反饋信息，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)的給定。當(dāng)抽油機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，通過電流調(diào)節(jié)器的輸出，對PWM相位進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而驅(qū)動功率器件；在高速的情況下，此時(shí)電流調(diào)節(jié)器則主要輸出為導(dǎo)通寬度，以此使得功率開關(guān)能夠在合適的時(shí)候?qū)ㄩ_斷開相繞組。

而之所以選擇TMS320LF2812信號的DSP控制芯片，其關(guān)鍵在于與傳統(tǒng)的240系列相比，該信號的芯片在性能方面更加優(yōu)越，精度也更高。

3.2軟件部分設(shè)計(jì)

3.2.1軟件部分控制方案設(shè)計(jì)

給定一個速度，當(dāng)在經(jīng)過電位器之后，其濕度計(jì)的速度是通過電流傳感器和位置傳感器共同決定，并經(jīng)過濾波、隔離和整形之后，通過DSP的捕獲，最終作為新的速度輸入單元，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)。而在這個過程中，是通過利用PID算法對單元和脈寬調(diào)制電路輸出信號進(jìn)行比較，并經(jīng)過隔離放大后，由驅(qū)動模塊對功率開關(guān)和相開關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)控。因此，根據(jù)上述的工作流程，將本文提出的控制方案設(shè)計(jì)定位通過對過程變量的實(shí)時(shí)采集，并結(jié)合制定的算法和控制方案，實(shí)現(xiàn)對結(jié)果的輸出。其中，在DSP控制器啟動的時(shí)候，計(jì)算SR電動機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，然后根據(jù)檢測到的位置，給出相應(yīng)的相繞組觸發(fā)信號，此時(shí)電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動；而在其運(yùn)行中，則通過電壓斬波控制的方式，通過速度控制生成電流的參考值。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值以后，SR電動機(jī)運(yùn)行進(jìn)入速度保持階段，電流維持一恒定值不變。SR電動機(jī)減速運(yùn)行時(shí)，采用斬波控制與制動運(yùn)行相結(jié)合的方式，克服SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。

3.2.2主程序設(shè)計(jì)

對主程序來講，其主要是完成對系統(tǒng)狀態(tài)的初始化，并調(diào)用不同的運(yùn)行程序。而在初始化中，主要對TMS320LF2812內(nèi)存器中的各個參數(shù)進(jìn)行初始化，以及對通信顯示模塊進(jìn)行初始化，并關(guān)閉所有的相輸出信號。而根據(jù)接收到的指令，確定電機(jī)的運(yùn)行模式。

3.2.3定時(shí)器終端程序設(shè)計(jì)

該程序主要是為了實(shí)現(xiàn)對電壓斬波、速度和PWM相位的控制。其中，PWM頻率設(shè)置大小為25Hkz，PWM的初始占空比設(shè)定為100%，以此使得對通電相在通電的瞬間能夠使得電流快速的上升。而對電流的檢測中，每隔40us進(jìn)行監(jiān)測，其頻率和PWM的頻率相同。由此通過電流和速度的綜合作用，改變寄存器中的比較直，最終改變PWM的占空比，達(dá)到調(diào)速的目的。

3.2.4通信程序設(shè)計(jì)

在本文中，通信的實(shí)現(xiàn)則采用RS-485總線的方式來實(shí)現(xiàn)。通過RS-485對數(shù)據(jù)的接收，并根據(jù)程序的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的標(biāo)志位。當(dāng)在發(fā)出數(shù)據(jù)接收請求后，做出相應(yīng)的動作。而電動執(zhí)行器需要傳送的數(shù)據(jù)包括閥門參數(shù)、實(shí)際的開度等，以及報(bào)警信息。在硬件系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)請求后，電動執(zhí)行器則接收這些數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)打包，上傳給后臺的計(jì)算機(jī)。如果現(xiàn)場出現(xiàn)故障，那么電動執(zhí)行器則不等上機(jī)位請求，直接將數(shù)據(jù)上傳，然后再將數(shù)據(jù)上傳給后臺電腦。

結(jié)語

總之，通過本文的設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的控制方式上，引入了開關(guān)磁阻電動機(jī)，從而使得對其速度的控制通過PID控制算法，進(jìn)而提高了該系統(tǒng)的智能化程度，并且更好的實(shí)現(xiàn)能耗的節(jié)約，為石油開采提供了實(shí)例借鑒。

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