泓格I－7188EX在油田變頻抽油控制系統的應用

1 系統開(kāi)發(fā)的必要性
　　 為了提高勝利油田采油設備工作狀態(tài)參數的實(shí)時(shí)綜合測試和控制水平，保證油井高產(chǎn)量、高效率生產(chǎn)，及時(shí)發(fā)現并處理設備可能存在的隱患或發(fā)生的故障，并對盜油等行為進(jìn)行及時(shí)的監測和制止，必須實(shí)施采油的自動(dòng)監控和管理。同時(shí)，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(zhù)起動(dòng)沖擊大，運行耗電多，效率低下等諸多問(wèn)題，加之油井情況復雜，斷桿、燒電機等現象經(jīng)常發(fā)生，對電動(dòng)機沒(méi)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(jìn)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。
　　
　　2 工作原理
　　2.1 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(dòng)為反復地上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來(lái)自于電動(dòng)機帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊提升時(shí)，類(lèi)似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，由于電機轉速一定，在滑塊下降過(guò)程中，負荷減輕，電機拖動(dòng)產(chǎn)生的能量勢必進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，造成主回路母線(xiàn)電壓升高，頻繁的高壓沖擊會(huì )損壞電機，對電動(dòng)機沒(méi)有可靠的保護功能，一旦電機損害，造成生產(chǎn)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(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟損失。
　　假如采用變頻調速技術(shù)，效果則完全不一樣：根據電機理論可知，其轉速公式為：n=60f/p×(1－s)。其中：P為電動(dòng)機的極對數，s為轉差率，f為供電電源的頻率，n為電動(dòng)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(shí)變頻調速器具有低速軟啟動(dòng)，轉速可以平滑地大范圍調節，對電動(dòng)機保護功能齊全，如短路、過(guò)載、過(guò)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(yōu)點(diǎn)，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(shí)對其軸承及繞組的影響，防止電機過(guò)分磨損及過(guò)熱，最高頻率設在50Hz。
　　2.2 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(wú)人看管”的工作狀態(tài)，采用工控機等之類(lèi)的控制器顯然是不合理的，而泓格的嵌入式網(wǎng)絡(luò )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(chǎng)合，便可工作，同時(shí)利于現場(chǎng)安裝，滿(mǎn)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(wù)，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(kāi)關(guān)的控制模塊、I-7017實(shí)時(shí)采集輸油管路的流量，控制系統的架構圖見(jiàn)圖1所示。
　　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(lái)管理I-7188EX，并且實(shí)時(shí)記錄流量、工作日志、設備運行的健康狀態(tài)。由于小隊的控制室遠離采油廠(chǎng)的采油統計中心，因此，巡視人員將定期攜帶移動(dòng)式筆記本電腦通過(guò)HUB與控制計算機采用TCP/IP協(xié)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(gè)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(tài)參數的綜合測試以及管理的目的。在圖1所示的架構圖中，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(guò)HUB相連并通信，從而實(shí)現了分級控制、分級管理，利于維護、安裝、移動(dòng)和拆卸，是一種比較優(yōu)良的采油設備控制系統。
　　
圖1：控制系統的架構圖
　　2.1 采油變頻調節過(guò)程
　　變頻采油是當滑塊下降過(guò)程時(shí)，經(jīng)I-7188EX邏輯判定,將控制信號通過(guò)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(shí)，為防止油錘現象的產(chǎn)生，采油泵的啟停將采用聯(lián)動(dòng)方式，即三臺油泵共一個(gè)出口閥門(mén)。變頻聯(lián)動(dòng)方式有變頻泵固定方式和變頻泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵,可選擇“先開(kāi)先關(guān)”和“先開(kāi)后關(guān)”兩種順序關(guān)泵；變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺泵，系統以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵。本系統采用變頻泵循環(huán)方式，這樣，將3口油井的采油泵采用變頻聯(lián)動(dòng)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。
　　2.2 效益分析
　　在開(kāi)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(shí)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(tài)，由于采用多種控制技術(shù)，使采油量在短時(shí)間內有較大幅度的提升，同時(shí)，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(dòng)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(chǎng)的喜愛(ài)。
　　3 所選模塊特性
　　3.1 I-7188EX
　　I-7188EX為一具有PC功能的嵌入式網(wǎng)絡(luò )控制器，也可以說(shuō)是網(wǎng)絡(luò )協(xié)議轉換器，它有512KB FLASH，512KB SRAM，2KB EEPROM，31B NVSRAM，內置時(shí)實(shí)時(shí)鐘，看門(mén)狗定時(shí)器、內置MiniOS7操作系統、含有與NE-2000兼容的10BASE-T網(wǎng)絡(luò )控制器、支持TCP/IP協(xié)議。它具有獨特的雙看門(mén)狗安全設計，即軟件看門(mén)狗和硬件看門(mén)狗組成，萬(wàn)一主控計算機當機，所有的輸出模塊就進(jìn)入預設的安全狀態(tài)，符合工業(yè)的安全要求，使用方便，可大幅增加系統安全性。
　　3.2 I-7017的特性
　　*8路模擬輸入
　　*16bit分辨率
　　*采用差分輸入方式和－10～10V輸入范圍以提高抗工模干擾能力
　　*8通道掃描模式
　　*隔離電壓：3000VDC，提高了系統的抗干擾能力。
　　3.3　模擬輸出模塊I-7024：為了使采油泵平穩起停、保護控制系統，采用了變頻調速技術(shù)對其進(jìn)行控制，利用I-7024的模擬輸出信號，給變頻器提供0～10V的控制信號，使變頻器的輸出信號變?yōu)?～50Hz達到變速的目的。由于I-7024采用了光隔離方式，從而保護了控制系統，避免了電機的反電勢容易使控制系統死鎖的現象發(fā)生。
　　
　　4　軟件設計
　　由于I-7188EX嵌入式控制器配有MiniOS7嵌入式操作系統.，因此I-7188控制器可編程獨立運行，與ROM-DOS相比，MiniOS7更適于嵌入式應用。I-7188現地單元控制模塊的控制程序，采用TC2.0編寫(xiě)，調用了I-7000相應的庫函數，主要有初始化模塊、定時(shí)采集模塊、數據通信模塊、邏輯輸出模塊（控制開(kāi)關(guān)等的控制）等，這一部分編程比較簡(jiǎn)單，泓格提供了許多類(lèi)似的例程，可以直接通用，極大地降低了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
　　控制計算機上安裝有Windows2000，以及Microsoft SQL6.5，便于建立起數據庫，備移動(dòng)筆記本電腦瀏覽器下載歷史數據。上位機采用了組態(tài)王工控軟件，并利用了泓格公司提供的I-7188的OPC服務(wù)器直接與I-7188EX采用TCP協(xié)議通信，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程工作。
　　
　　5　應用體會(huì )
　　泓格公司提供的I-7188EX以及I-7000系列模塊在極其惡劣的采油現場(chǎng)能穩定地運行，且故障率極，說(shuō)明其品質(zhì)是可靠的。重要是其產(chǎn)品具有雙重的Watchdog以及運行可靠的MiniOS7嵌入式操作系統，極大提高了系統的可靠性以及運行的穩定性，給開(kāi)發(fā)者提供了極為便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境以及設備接口驅動(dòng)（如I-7000庫函數以及OPC服務(wù)器、ActiveX控件），并提供了大量的例程，便于程序開(kāi)發(fā)人員參考，所有這些均有利于降低開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)時(shí)間。系統的投入運行，不僅提高了采油量，并且提高了采油廠(chǎng)對抽油設備的管理水平，是一件一舉多得的好事情，取得了一定的經(jīng)濟效益。