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泓格I-7188EX在油田变频抽油控制系统的应用

作者:时间:2013-12-13来源:网络收藏
1 系统开发的必要性
   为了提高胜利采油设备工作状态参数的实时综合测试和控制水平,保证油井高产量、高效率生产,及时发现并处理设备可能存在的隐患或发生的故障,并对盗油等行为进行及时的监测和制止,必须实施采油的自动监控和管理。同时,在胜利采油设备中,以游梁式磕头采油机应用最为普遍,数量也最多。但传统的磕头机普遍存在着起动冲击大,运行耗电多,效率低下等诸多问题,加之油井情况复杂,断杆、烧电机等现象经常发生,对电动机没有可靠的保护功能,设备维修量大,急需对现有的采油机设备进行改造。为此,我们利用泓格的I-7188EXD以及I-7000模块对大沙庄的12台采油设备采用了分布式变频采油控制方式,其应用效果十分明显。
  
  2 工作原理
  2.1 恒速采油的弊端和变频采油的必要性
  作为采油设备,其运动为反复地上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自于电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块,当滑块提升时,类似于杠杆的作用,将采油机杆送入井中,滑块下降时,采油杆提出带油至井口,由于电机转速一定,在滑块下降过程中,负荷减轻,电机拖动产生的能量势必进入再生发电状态,造成主回路母线电压升高,频繁的高压冲击会损坏电机,对电动机没有可靠的保护功能,一旦电机损害,造成生产效率降低、维护量加大,极不利于抽油设备的节能降耗,给企业带来了较大的经济损失。
  假如采用变频调速技术,效果则完全不一样:根据电机理论可知,其转速公式为:n=60f/p×(1-s)。其中:P为电动机的极对数,s为转差率,f为供电电源的频率,n为电动机的转速,可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速,而对于变频器而言,其频率的调节范围是很宽的,可在0~400Hz之间任意调节,因此电机转速即可以在较宽的范围内调节。同时变频调速器具有低速软启动,转速可以平滑地大范围调节,对电动机保护功能齐全,如短路、过载、过压、欠压及失速等,可有效地保护电机及机械设备,保证设备在安全的电压下工作,具有运行平稳、可靠,提高功效等诸多优点,是采油设备改造的理想方案。在本系统中为防止采油滑块提升时对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,最高频率设在50Hz。
  2.2 系统架构
  根据上述分析的变频控制原理,控制系统必须有控制器以及相应的控制模块,由于抽油设备均在野外工作,基本上处于“无人看管”的工作状态,采用工控机等之类的控制器显然是不合理的,而泓格的嵌入式网络控制器I-7188EX具有PC的一切控制功能,只要将其安装在防雨、防电等场合,便可工作,同时利于现场安装,满足设计要求。为此,围绕I-7188EX控制器,必须有相应的功能模块与之配合才能完成控制任务,为此我们选用了I-7024模拟量输出模块,让其输出的模拟信号作为变频器的输入控制信号,I-7060作为相应控制开关的控制模块、I-7017实时采集输油管路的流量,控制系统的架构图见图1所示。
  由于下庄采油队有12台抽油机,为便于“集中管理、分布式控制”,在小队的控制室安装有一台监视控制计算机,主要用来管理I-7188EX,并且实时记录流量、工作日志、设备运行的健康状态。由于小队的控制室远离采油厂的采油统计中心,因此,巡视人员将定期携带移动式笔记本电脑通过HUB与控制计算机采用TCP/IP协议下载控制计算机的记录参数,然后回采油统计中心将各个采油分队的记录参数汇总、统计,达到了对采油设备工作状态参数的综合测试以及管理的目的。在图1所示的架构图中,I-7188EX与I-7000模块采用RS-485通信、I-7188EX与控制计算机采用TCP/IP通过HUB相连并通信,从而实现了分级控制、分级管理,利于维护、安装、移动和拆卸,是一种比较优良的采油设备控制系统。
  

图1:控制系统的架构图

  2.1 采油变频调节过程
  变频采油是当滑块下降过程时,经I-7188EX逻辑判定,将控制信号通过I-7024送至变频器,调节变频器的输出频率,让滑块根据井口真空度以及电机所带负荷变速下降,当采油滑块提升时,为防止油锤现象的产生,采油泵的启停将采用联动方式,即三台油泵共一个出口阀门。变频联动方式有变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵,可选择“先开先关”和“先开后关”两种顺序关泵;变频泵循环方式最多可以控制4台泵,系统以“先开先关”的顺序关泵。本系统采用变频泵循环方式,这样,将3口油井的采油泵采用变频联动方式采油,不仅降低了能耗,保护了电机,更为重要是使输油管路的压强恒定,流量恒速,利于计量与管理。
  2.2 效益分析
  在开采前期,由于储油量大,供液足,为提高功效,我们采用提高转速的方式,让变频器运行至65Hz,频率提高了1/3,,其综合采油率可比工频情况下多采油20%,工效提高了1.2倍,当中期时我们让变频器运行至50Hz,变频器运行在工频情况,其采油量恢复正常状态,由于采用多种控制技术,使采油量在短时间内有较大幅度的提升,同时,维修量大幅度降低,利于设备的节能降耗,降低了采油工的劳动强度,提高了工作效率,并且控制系统可以重复使用,方便拆卸和安装,系统的投入深受胜利采油厂的喜爱。
  3 所选模块特性
  3.1 I-7188EX
  I-7188EX为一具有PC功能的嵌入式网络控制器,也可以说是网络协议转换器,它有512KB FLASH,512KB SRAM,2KB EEPROM,31B NVSRAM,内置时实时钟,看门狗定时器、内置MiniOS7操作系统、含有与NE-2000兼容的10BASE-T网络控制器、支持TCP/IP协议。它具有独特的双看门狗安全设计,即软件看门狗和硬件看门狗组成,万一主控计算机当机,所有的输出模块就进入预设的安全状态,符合工业的安全要求,使用方便,可大幅增加系统安全性。
  3.2 I-7017的特性
  *8路模拟输入
  *16bit分辨率
  *采用差分输入方式和-10~10V输入范围以提高抗工模干扰能力
  *8通道扫描模式
  *隔离电压:3000VDC,提高了系统的抗干扰能力。
  3.3 模拟输出模块I-7024:为了使采油泵平稳起停、保护控制系统,采用了变频调速技术对其进行控制,利用I-7024的模拟输出信号,给变频器提供0~10V的控制信号,使变频器的输出信号变为0~50Hz达到变速的目的。由于I-7024采用了光隔离方式,从而保护了控制系统,避免了电机的反电势容易使控制系统死锁的现象发生。
  
  4 软件设计
  由于I-7188EX嵌入式控制器配有MiniOS7嵌入式操作系统.,因此I-7188控制器可编程独立运行,与ROM-DOS相比,MiniOS7更适于嵌入式应用。I-7188现地单元控制模块的控制程序,采用TC2.0编写,调用了I-7000相应的库函数,主要有初始化模块、定时采集模块、数据通信模块、逻辑输出模块(控制开关等的控制)等,这一部分编程比较简单,泓格提供了许多类似的例程,可以直接通用,极大地降低了开发时间。
  控制计算机上安装有Windows2000,以及Microsoft SQL6.5,便于建立起数据库,备移动笔记本电脑浏览器下载历史数据。上位机采用了组态王工控软件,并利用了泓格公司提供的I-7188的OPC服务器直接与I-7188EX采用TCP协议通信,进一步简化了编程工作。
  
  5 应用体会
  泓格公司提供的I-7188EX以及I-7000系列模块在极其恶劣的采油现场能稳定地运行,且故障率极,说明其品质是可靠的。重要是其产品具有双重的Watchdog以及运行可靠的MiniOS7嵌入式操作系统,极大提高了系统的可靠性以及运行的稳定性,给开发者提供了极为便利的开发环境以及设备接口驱动(如I-7000库函数以及OPC服务器、ActiveX控件),并提供了大量的例程,便于程序开发人员参考,所有这些均有利于降低开发者的开发时间。系统的投入运行,不仅提高了采油量,并且提高了采油厂对抽油设备的管理水平,是一件一举多得的好事情,取得了一定的经济效益。


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