潛油電泵專用變頻器功能模塊的開發研究

饒攀攀，孫 志，傅 鵬

（1.中國石油物資滄州有限公司，河北滄州 061000；2.渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

變頻器在國內潛油電泵市場已經有10 多年的應用歷史，但大多數變頻器僅局限于控制改變電機轉差率、變頻調速來實現電機的調速，使電泵機組在最佳工作點工作等基本功能。最近幾年客戶對潛油電泵井能夠更加智能管理監控的要求呼聲越來越高，變頻器僅實現變頻調速基本功能已經不能滿足客戶的要求。集合軟件開發、電泵現場應用等工程師共同研發出潛油電泵井專用變頻器，其具有參數控制模塊、保護預警模塊、數據存儲模塊、遠程監控模塊、數據顯示模塊等五大功能模塊，并配置一套高級LCD 觸摸屏防護等級達到IP65，用戶通過HM（IHuman Machine Interface，人機接口或人機界面）面板上操作就能夠更加智能化、數字化管理潛油電泵井，下面將逐一對各個模塊進行功能介紹。

1 參數控制模塊功能設計

本變頻器具有多達18 項參數設計功能，包含多項新開發的針對潛油電泵井井況的功能。電機頻率有兩種控制模式，分別為頻率點設定（FR SET）和模擬量跟隨模式（AN FOL）。

1.1 頻率點設定（FR SET）

頻率點設定（FR SET）即Frequency Setpoint，頻率控制模式見圖1，相關參數設置見表1。

表1 頻率點相關參數及釋義

此功能設計主要應用于潛油電泵初開機運行時或需要小幅度調頻時。

例如：某電機初開機頻率為40 Hz，現要經過2 h 頻率改為穩定值45 Hz 運行，此操作僅使用一次。具體操作如下（圖1）。

圖1 頻率控制模式HMI

第一步：把Frequency Set 40 Hz 更改為目標頻率45 Hz；

第二步：Running Mode 選擇 Frequency Setpoint；

第三步：Slow Acceleration change Mode 在下拉菜單中選擇Once；

第四步：Slow Acceleration Rate Frequency中寫入2.5 Hz；

第五步：Slow Accel Time 中寫入1 h，及達到目標。

這種頻率控制模式使電機控制頻率平穩的斜率是增長，有利于電機的穩定，較與之前的變頻器要操作人員2 h 后通過操作更改頻率相比，有明顯優勢。

1.2 模擬量跟隨模式（AN FOL）

模擬量跟隨模式（AN FOL）功能即當前電機的運行頻率完全由變頻柜接入的模擬量信號的大小決定，電機輸出的頻率在最高運行頻率和最低運行頻率之間，以電流信號模擬信號，量程4～20 mA，按照0～100%的比例進行輸出。

此功能使用戶在測試新井中能更好地通過數據的輸入采集全面的數據資料。

2 保護預警模塊功能設計

變頻器設有18 項保護功能，能夠全方位地對潛油電泵井進行運行保護。用戶可定義全局通用和獨立設定自動重啟功能設置兩種模式。保護參數包括三大部分：①傳感器參數，包括吸入口壓力、電機溫度、排出口壓力和吸入口溫度，這些參數需要設定上限、下限值并根據上限、下限值啟動保護功能（8 個保護）；②24 V 高電位保護功能，如PSH（常閉井口高壓）/PSL（常閉井口低壓）/SCADA（數據采集與監視控制系統）常開（3 個保護）；③變頻器運行參數保護，如過載、欠載、過壓、欠壓、電壓不平衡度、環境溫度過高、電抗器溫度過高（7 個保護）等（其與吸入口壓力下限報警類似，在此不做介紹）。

傳感器參數的這4 個參數需要設定上限、下限值等。以吸入口壓力值（Low Intake Press）為例，保護參數設置見表2。

表2 吸入口壓力下限相關參數的設置

3 數據存儲模塊功能設計

數據存儲模塊能夠實現關閉歷史記錄存儲、事件歷史記錄存儲和實時運行數據記錄3 種形式的數據記錄，為潛油電泵的運行分析提供第一手的數據資料。

3.1 實現關閉歷史記錄

HMI 至少可以顯示最近99 項關閉記錄，通過點擊一項關閉記錄還能查詢詳細的關機信息，如關機原因、關機時間、觸發此次關機的相關參數（電流、電壓值）等。

3.2 實現事件歷史記錄

在HMI 上顯示開機以來的最少254 項參數調整事件，點擊進入任一項事件能夠顯示詳細信息，如更改頻率時間、需要顯示更改頻率時間、頻率更改前值、頻率更改后值等。

3.3 實現運行數據記錄

運行記錄數據能夠進行設置，從PLC 中各項參數中能夠選取所記錄的參數。進行變頻器設置時默認必有的記錄參數有：吸入口壓力，吸入口溫度，電機溫度，排出口壓力，變頻器A 相輸出電流，變頻器B 相輸出電流，變頻器C 相輸出電流，變頻器三相平均輸出電流，電機側電流，變頻器A 相輸入電壓，變頻器B相輸入電壓，變頻器C 相輸入電壓，變頻器運行頻率，傳感器X/Y軸振動，傳感器泄漏電流等。

需要注意的是：①每個需記錄參數均能夠設置多長時間記錄（讀取）一次，最短時間設置為0.01 s；②讀取參數自動分析運算，在存儲設定時間內其數值變化在±5%范圍之內，不做單獨存儲，只記錄最后一次數據，超過±5%范圍的自動記錄變化值（實現記錄突發時間信息）；③記錄時顯示記錄各項參數的時間；④能夠在HMI 面板上顯示高壓側電機電流的曲線，并能夠設置時間為1 d 或7 d。

在變頻器存儲參數方面：①存儲參數可保存至U 盤或SD卡中，并能存于一個文件中，能夠用Execel 軟件或其他通用軟件打開；②變頻器運行歷史參數斷電后，自行進入保護數據到U盤或SD 卡中，避免數據丟失；③變頻器設置強行保存功能，單需拷貝數據后直接按強行保存按鈕，實現以上4 種記錄數據均保存到U 盤或SD 卡中，并有提示顯示保存完成。

4 遠程監控模塊的功能設計

用HMI 通過Modbus 通信與PLC 相連，作為人機接口進行交互，支持數據保存及導出。PLC 通過另外一個端口變頻器和電量采集模塊通信，采集變頻器和電量采集模塊運行數據，并通過通信對變頻器進行控制操作。變頻器通過RS-485 通信滿足兩套上位機同時遠程監控及控制，通過HMI 可設置變頻柜內的PLC 不同通信端口與SCADA 和RTU（Remote Terminal Unit，遠程終端單元）系統的通信協議，包括通信地址、數據位、奇偶校驗、停止位、波特率等，用戶通過遠傳SCADA 系統能夠實現數據的監控。

數據顯示模塊可以實現以下三大功能：

（1）顯示變頻器的運行電流、運行電壓、輸出頻率、傳感器的吸入口壓力、排出口壓力、電機溫度等運行趨勢圖，并可以選擇顯示的參數項目。

（2）在HMI 中可以調整橫坐標（時間）、縱坐標（量程）的范圍。

（3）使現場工程師直觀地了解某一時段電泵主要運行參數的變化情況，從而能對電泵運行狀態進行更好的分析（圖2）。

圖2 數據顯示界面

5 推廣應用前景

為潛油電泵量身定做的變頻器，具有根據井況特點研發設計的五大新增功能模塊，不僅使潛油電泵的管理步入數字化、智能化，更能為電泵管理人員分析新井井況特點、維護電泵井穩定運行狀態、分析故障井躺井原因、存檔每口井歷史運行數據等提供更多的信息，使他們在中控室遠傳監控電泵井運行狀況，真正實現遠程異地辦公。

目前國內市場如此多功能的專為潛油電泵設計的變頻器技術尚處于空白狀態，中海油海上油田大多數采用潛油電泵井開采，新疆西北局采油二廠、塔里木油田、大港油田等地區潛油電泵均可以推廣應用此種變頻器。而在國外的尼日爾石油市場、厄瓜多爾Andes 石油市場等，該變頻器的功能已經能同國際石油服務大鱷斯倫貝謝、貝克休斯等公司生產的產品相媲美并得到用戶的肯定，這不僅提高了我國潛油電泵專用變頻器的國際化步伐，也為企業擴寬了國際市場。