抽油機電機保護與自啟動控制器設計

張曉東　童少為

摘要：針對采油廠抽油機實際運行中容易出現的故障，設計了一種以STC15F204EA芯片為核心的智能控制器，能夠實現對抽油機電機的保護和自啟動控制，具有很好的經濟效益與應用前景。

關鍵詞：抽油機;電機保護;自啟動;單片機

中圖分類號：TE933 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0001-02

0 引言

抽油機是油田中最基礎、常見的設備，被采油廠大規模的使用，但由于雷擊、負荷不平衡、電網電壓過低等原因經常發生停機和燒毀電機的現象，頻繁需要人工去重啟和維修。由于分布分散，距離中心站遠，人工重啟與維修比較費時、費力，不僅影響生產而且維修成本也比較高。鑒于此種情況，設計一款具有保護和重啟功能的控制器具有很大的實際意義。

1 設計方案與工作原理

本控制器采用以STC15F204EA為核心的單片機控制系統，由電源、報警、啟動、暫停及檢測等單元組成。圖1為系統結構框圖。

控制器通過檢測單元實時監視抽油機的工作狀態，當發生電網波動、雷擊、人為損壞等情況，造成抽油機工作不正常時，通過檢測比較三相電機的工作電流，來判斷電機是否缺相或過載，如有缺相或過載情況發生，則使電機停止運行，從而起到保護電機的作用。如果電網恢復正常供電、電機負載正常，則通過啟動單元自動完成重啟工作。抽油機開始運轉前，通過聲音進行報警，提示附近人員遠離，保證安全。

2 硬件系統設計

2.1 系統電源設計

控制器的工作電源是220V、50Hz交流電，但主控芯片STC15F204EA單片機、鍵盤電路、LED等，需要提供+5V電壓;報警電路需要提供+12V電壓。故本設計中又以TOP Switch系列開關電源集成芯片構建一輔助電源。其輸入交流電壓220V±10%，輸出為直流，給單片機提供要求的5V/1A電源。整個電路可主要分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路部分。電源系統電路，如圖2所示。

2.2 報警電路設計

圖3為電網斷電又恢復供電后，重新開機的預警裝置，三極管Q1為NPN型三極管。通電后，電阻R36輸出高電平，三極管Q1導通，繼電器K1使常開開關閉合，使電路導通，驅動預警電動喇叭開始提示電網恢復供電，人員請遠離;二極管D13起到保護電路的作用。開機前預警電動喇叭提示時間長短，可自由設定，防止多臺抽油機同時開機造成電網啟動負荷過重。

2.3 啟動暫停電路設計

如圖4所示，圖中所表示的為來電啟動電路和故障暫停電路。原理同圖4，三極管為NPN型三極管。通電后，電阻輸出高電平，三極管導通，繼電器把開關閉合，使電路導通，啟動整個控制器，二極管起到保護電路的作用。

暫停電路原理與啟動電路相同，電機轉動出現故障后，繼電器把常閉開關斷開，使電路斷路，暫停整個系統的運行。

2.4 檢測電路設計

檢測電路用來檢測三相電機工作電流，判斷整個三相電源電路中是否產生缺相，并能檢測出電機是否過載。

通過電流互感器T2、T3、T4檢測三相電機工作電流大小，串連一個0.1的電阻，將電流信號變換為電壓信號，再通過精密整流電路和RC濾波電路，將電壓平均值穩定在5V，直接接入單片機。單片機控制AD進行高速采樣，然后對采樣結果進行運算即可得到被測電流的有效值。

2.5 鍵盤指示燈設計

圖5為控制器的鍵盤指示燈電路。

智能抽油機控制器前面板有一個指示燈和一個按鍵，當按鍵按下時，指示燈為黃色閃動，長時間連續按下時，指示燈變成黃色常亮，同時驅動外接預警電動喇叭發出提示音，提示音播放時間長短由按鍵按下時間決定，這個時間也是預警啟動時間。按鍵釋放，預警電動喇叭停止播放，完成預警時間設定，智能抽油機控制器自動轉入正常工作狀態或報警工作狀態。

抽油機有三種工作狀態。正常工作狀態：綠色指示燈閃爍，電網供電正常，抽油機工作正常;報警工作狀態：紅色指示燈閃爍，電網供電正常，抽油機停機;設定工作狀態：黃色指示燈閃爍;黃色指示燈瞬間閃爍一次：存儲當前工作狀態。

3 系統軟件設計

本設計的主控芯片采用STC15F204EA單片機，系統軟件采用C語言編程。系統的主程序包含A/D采集子程序、讀寫存儲器子程序等。當電網恢復供電時，首先讀取存儲器狀態，判斷是人為停機還是電網停機，若是人為停機，系統則不采取任何動作;若為電網停機，將啟動喇叭和電機。然后掃描鍵盤，判斷鍵盤動作;讀取電機狀態，判斷電機狀態是否改變。最后，檢測電流，判斷三相電流是否平衡，若不平衡，將電機暫停。

4 結語

本文設計的基于STC15F204EA單片機的智能控制器，采用一種簡單、實用、低成本的方案，能夠在超載時保護電機并實現電機停機后的自啟動控制，在現代工業生產中具有重要的作用，用它來對油田使用的抽油機恢復供電和保護電機，給采油廠帶來極大的方便，節約大量的人力和物力。

參考文獻

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