一种油田抽油机节能控制系统的制作方法

本实用新型涉及油田开采技术领域，具体涉及一种油田抽油机节能控制系统。

背景技术：

抽油机是一种周期交变负载，带有冲击性，转动惯量较大，并且是带负载起动，因此所需起动转矩较大，需求的电动机功率也较大。抽油机在一个周期内负载波动很大，为了满足起动要求，保证带载起动时能克服抽油机较大的惯性扭矩，使得运行时有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩，要求在选择驱动电机时留有足够的余量，这就导致抽油机的驱动电机经常处于“大马拉小车”的运行状况，驱动电机在抽油机运行过程中处于轻载状态，负荷率很低，电机的运行效率很低。抽油机运行过程中，驱动电机电流的大小和相位在一个冲次内也是不断变化的，在一个冲次中存在两个瞬间发电状态。电动机属于感性负载，电流滞后于电压，导致产生无功电流，功率因数较小，也造成电能的浪费。另一方面，当变频器驱动抽油机的驱动电动机在制动或者下放位能性负载过程中,电动机处于再生制动状态，传动系统中的机械能通过电动机转换成电能，变频器中续流二极管将这种能量回馈到变频器直流侧电容C中，使直流侧电压升高，产生泵升电压，若不及时释放这部分能量，则势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路大功率器件的过压损坏。泵升电压经过电阻耗散能量，不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种抽油机节能控制系统，实现了高效节能自动控制的目的。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种油田抽油机节能控制系统，包括PLC模块、变频器、能量回馈单元和数据采集单元，所述PLC模块、变频器和能量回馈单元设于电控室的控制柜内，所述变频器通过RS485的方式与PLC模块连接，所述PLC模块通过变频器控制抽油机驱动电机的启停，所述能量回馈单元的输入端与变频器连接，其输出端与电网电源连接，所述数据采集单元与PLC模块连接。

进一步，所述数据采集单元包括称重传感器、载荷和角位移传感器和智能电表，所述重传感器和载荷和角位移传感器设于抽油机运行现场，所述智能电表设于电控室的控制柜内，所述称重传感器通过模拟量输入模块与PLC模块连接，所述载荷和角位移传感器通过Zigbee模块与PLC模块连接，所述智能电表通过RS485的方式与PLC模块连接。

进一步，所述数据采集单元还包括称重传感器单井计量装置，所述单井计量装置设于抽油机运行现场，所述单井计量装置均通过RS485的方式与PLC模块连接。

进一步，还包括HMI，所述HMI设于电控室的控制柜内，并通过RS485的方式与PLC模块连接。

进一步，还包括上位监控终端，所述上位监控终端通过通信模块与PLC模块连接。

进一步，所述通信模块包括GRM无线终端、工业级交换机和无线路由器。

进一步，所述上位监控终端包括手机移动终端和PC终端。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的一种油田抽油机节能控制系统，PLC模块根据称重传感器采集的油井出液梁和智能电表采集的抽油机驱动电机运行的电参数判断是否需要启动或停止抽油机，并通过变频器控制抽油机驱动电机的启动和停止，以抽油机驱动电机带动抽油机运动，实现了抽油机自动间歇运行，达到了节能控制的目的。

(2)能量回馈单元的输入端与变频器连接，其输出端与电网电源连接，当抽油机下行时，变频器将抽油机机械能产生的交流电转换成直流电，能量回馈单元则将直流电能通过PSG逆变技术转换成同频同相位的交流电能，进而把97.5％的再生电能回馈给局域电网，供附近设备使用，能量回馈单元完全取代电阻制动，效率更高，输出纯正弦波，始终回馈洁净电能，节电率高达20％。

(3)通过通信模块连接上位监控终端与PLC模块，通信模块包括GRM无线终端、工业级交换机和无线路由器，上位监控终端包括手机移动终端和PC终端，实现了远程无线数据传输、远程控制操作，使该系统可用于无人值守、野外环境、定期巡井等的油田抽油机控制。

附图说明

图1为一种油田抽油机节能控制系统的原理图；

图2为抽油机驱动电机主电路电气原理图；

图3为抽油机驱动电机控制电路电气原理图；

图4为电动抱闸控制电路电气原理图；

图5为一种油田抽油机节能控制方法的流程图；

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种油田抽油机节能控制系统，包括PLC模块、变频器、能量回馈单元、数据采集单元、HMI和上位监控终端，所述PLC模块、变频器、能量回馈单元和HMI设于电控室的控制柜内，所述变频器和HMI通过RS485的方式与PLC模块连接；所述数据采集单元包括称重传感器、载荷和角位移传感器、智能电表和单井计量装置，所述称重传感器设于抽油机机旁，与进出油管连接，通过模拟量输入模块与PLC模块连接，用于续液重量(即油井出液量)的检测；所述载荷和角位移传感器设于抽油机的游梁之上，通过Zigbee模块与PLC模块连接，用于抽油杆载荷和抽油机冲程中的角位移的检测；所述单井力量单元设于抽油机机旁，与进出油管连接，通过RS485的方式与PLC模块连接，用于抽油机实际续液量、续液时间、油和液的(日、月、总)产量、含油比等的检测；所述智能电表设于电控室的控制柜内，通过RS485的方式与PLC模块连接，用于抽油机运行过程中电参数的检测；所述上位监控终端通过通信模块与PLC模块连接，所述通信模块包括GRM无线终端、工业级交换机和无线路由器，所述上位监控终端包括手机移动终端和PC终端，所述能量回馈单元的输入端与变频器连接，其输出端与电网电源连接。

上述结构实现了抽油机运行数据的远程传输和抽油机的远程操作控制，使该系统可用于无人值守、野外环境、定期巡井等的油田抽油机控制。

如图2所示，抽油机驱动电机主电路，所述抽油机驱动电机主电路包括智能电表、断路器QF1、抽油机驱动电机工频运行主电路、抽油机驱动电机变频运行主电路和能量回馈单元，所述智能电表连接于AC380V进线端，所述智能电表通过RS485触头与PLC模块连接，本实施例智能电表优选为EDA9033AC三相工频电采集模块，所述断路器QF1为主电路的主断路器，控制整个主电路电源的通断，其主触头进线端连接于智能电表之后，其主触头出线端连接抽油机驱动电机工频运行主电路和抽油机驱动电机变频运行主电路。

所述抽油机驱动电机工频运行主电路包括断路器QF2、接触器KM2和热继电器FR，所述断路器QF2主触头进线端与断路器QF1主触头出线端连接，断路器QF2主触头出线端与接触器KM2主触头进线端连接，接触器KM2主触头出线端通过热继电器FR与抽油机驱动电机电源进线端连接。

所述抽油机驱动电机变频运行主电路包括变频器、接触器KM1、接触器KM3、中间继电器KA1和中间继电器KA2，所述接触器KM1主触头进线端与断路器QF1主触头出线端连接，接触器KM1主触头出线端与变频器R、S、T触头连接，变频器U、V、W触头与抽油机驱动电机电源进线端连接，所述变频器X1触头和COM触头之间连接有接触器KM3的常开辅助触头，用于控制变频器的启动和关闭，所述变频器TA触头和+24v触头之间连接有中间继电器KA1的线圈，用于输出变频器运行指示信息，所述变频器Y1触头和+24v触头之间连接有中间继电器KA2的线圈，用于输出抽油机主电路故障信息，所述变频器通过RS485触头与PLC模块连接，本实施例变频器优选为四象限运行变频器，并选择无速度传感器质量控制方式来控制抽油机驱动电机运行，这样可保证无抽油机驱动电机转速反馈的情况下，转矩也能快速响应，并且在抽油机驱动电机低速运行时也能获得足够大的转矩。

所述能量回馈单元的进线端与变频器的DC+触头和DC-触头连接，其出线端与断路器QF1主触头的出线端连接，当冲程进行到某一程度出现抽油机带动驱动电机的情况时，则关闭驱动电机，利用抽油机滑行达到节能的目的，即调不调速都节能，此时变频器将驱动电机机械能产生的交流电转换成直流电，能量回馈单元则将直流电能通过PSG逆变技术转换成同频同相位的交流电能，进而把97.5％的再生电能回馈给局域电网，供附近设备使用，能量回馈单元可完全取代电阻制动，效率更高，输出纯正弦波，始终回馈洁净电能，节电率高达20％。

如图3所述，抽油机驱动电机控制电路，所述抽油机驱动电机控制电路包括并联连接于AC220V电源线之间抽油机驱动电机变频运行第一控制电路、抽油机驱动电机变频运行第二控制电路、抽油机驱动电机工频运行控制电路、变频器电源指示电路、变频运行指示电路、工频运行指示电路和故障指示电路，所述抽油机驱动电机控制电路还包括串接于AC220V电源火线一端的熔断器FU1。

所述抽油机驱动电机变频运行第一控制电路包括依次串联连接的旋转开关SA0和接触器KM1的线圈，本实施例旋转开关SA0优选为无自动复位的旋转开关，所述抽油机驱动电机变频运行第二控制电路包括依次串联连接的旋转开关SA1的3、4触头、第一PLC输出点1、接触器KM2的常闭辅助触头和接触器KM3的线圈，所述旋转开关SA1的3、4触头还通过数字量输入模块与PLC模块的连接，所述抽油机驱动电机工频运行控制电路包括依次串联连接的旋转开关SA1的1、2触头，常闭按钮SB2、常开按钮SB1、接触器KM3的常闭辅助触头、接触器KM2的线圈和热继电器FR1的常闭辅助触头，所述常开按钮SB1还并联有接触器KM2的常开辅助触头，所述转换开关，本实施例旋转开关SA1优选为万能转换开关。

抽油机驱动电机运行首先需要闭合断路器QF1，若需要抽油机驱动电机工频运行，则闭合断路器QF2，将转换开关SA1转到1、2触头一端将其接通，按下按钮SB1时接触器KM2的线圈得电，其主触头闭合，抽油机驱动电机得电，开始工频运行，按下按钮SB2时接触器KM2的线圈失电，其主触头断开，抽油机驱动电机停止，接触器KM2的常开辅助触头用于自锁，接触器KM3的常闭辅助触头用于互锁；若需要抽油机驱动电机变频运行，则首先闭合旋转开关SA0，接触器KM1的线圈得电，其主触头闭合，变频器得电，然后将转换开关SA1转到3、4触头一端将其接通，PLC模块通过数字量输入模块读取其状态并控制所述第一PLC输出点1闭合，接触器KM3的线圈得电，其常开辅助触头闭合，启动变频器，这是变频器通过RS485总线与PLC模块通信，其U、V、W触头控制抽油机驱动电机变频运行。

所述变频器电源指示电路包括依次串联连接的接触器KM1的常开辅助触头和指示灯HG，当抽油机驱动电机变频运行时，变频器得电，指示灯HG亮；所述变频运行指示电路包括依次串联连接的中间继电器KA1的常开辅助触头和指示灯HR1，变频器启动后其TA触头输出控制中间继电器KA1的线圈得电，中间继电器KA1的常开辅助触头闭合，指示灯HR1亮；所述工频运行指示电路包括依次串联连接的KM2的常开辅助触头和指示灯HR2，当抽油机驱动电机工频运行时，指示灯HG亮；所述故障指示电路包括依次串联连接的中间继电器KA2的常开辅助触点和指示灯HY2，所述中间继电器KA2的常开辅助触点还并联后热继电器FR1的常开辅助触点，当抽油机驱动电机工频运行时，电机过热时，继电器FR1的常开辅助触点闭合，指示灯HY1亮，当抽油机驱动电机变频运行时，发生故障时，变频器Y1触头输出控制中间继电器KA2的线圈得电，指示灯HY1亮。

如图4所示，电动抱闸控制电路，所述电动抱闸控制电路包括依次串联连接于AC220v电源线之间的抱闸线圈控制电路和抱闸线圈，抱闸线圈控制电路包括相互并联的抱闸线圈工频控制电路和抱闸线圈变频控制电路，所述抱闸线圈工频控制电路设有接触器KM2的常闭辅助触点，所述抱闸线圈变频控制电路设有依次串联连接的接触器KM3常闭辅助触点和第二PLC输出点。

抽油机驱动电机工频运行时，关闭抽油机驱动电机，接触器KM2线圈失电，其常闭辅助触点闭合，抱闸线圈得电，启动电动抱闸；抽油机驱动电机变频运行时，关闭抽油机驱动电机，PLC模块首先控制第一PLC输出点断开，接触器KM3线圈失电，其常闭辅助触点闭合，PLC模块再控制第二PLC输出点闭合，抱闸线圈得电，启动电动抱闸。

PLC模块控制第二PLC输出点闭合的条件为2.5m<X<4.36m，所述X表示选点相对下死点位移，的计算公式如下：X＝a(θ-θ₀)，公式中a表示抽油机游梁前臂长，本实施例中a＝3m，θ表示游梁与垂直方向的夹角，通过载荷和角位移传感器检测获得，θ₀表示下死点时游梁与垂直方向的夹角。

通过电动抱闸的方式进行停机操作，实现了抽油机停机时的精确定位控制。

如图1～5所示，一种油田抽油机节能控制方法，包括如下步骤：

闭合旋转开关SA0，并将旋转开关SA1转到3、4触头一端将其接通，PLC模块通过数字量输入模块读取到旋转开关SA1的3、4触头一端接通的状态，系统进入节能控制模式；在一个预热周期后(预热周期为系统自检时间和警示用报警时间之和，本实施例中预热周期为5min)，PLC模块通过模拟量输入模块读取称重传感器采集的续液重量值，此时，续液重量值为20kg，然后将该值与预热称重(预热称重根据油井实际产液量确定，本实施例中预热称重为10kg)比较，大于预热称重，PLC模块通过变频器启动抽油机驱动电机，带动抽油机开始工作；

在一个运行周期(本实施例中抽油机第一次运行的运行周期为5，并从抽油机第二次运行开始，每次运行结束后，运行周期的时长均进行优化学习)后，PLC模块通过模拟量输入模块读取称重传感器采集的续液重量值，此时，续液重量值为14kg，然后将该值与停机称重(停机称重根据油井实际产液量确定，本实施例中停机称重为10kg)比较，大于停机称重；然后PLC模块通过RS485总线读取智能电表采集的抽油机驱动电机的相电流、功率因数、下冲程最大电流和上冲程最大电流，其中相电流的值为10A，功率因数的值为0.4，并计算平衡度的值为105(平衡度的计算公式为：平衡度＝下冲程最大电流/上冲程最大电流*100％)，然后根据上述参数判断抽油机是否处于轻载状态(判断抽油机处于轻载运行状态需同时满足以下三个条件：平衡度<85％或平衡度>115％，抽油机相电流<9A，抽油机功率因数<0.3)，85％<平衡度<115％，相电流为>9A，功率因数>0.3，判断抽油机未处于轻载状态；

抽油机继续运行一个运行周期后，判断续液重量和抽油机驱动电机运载状态是否满足上述条件，若满足上述条件则抽油机继续运行一个运行周期后继续重复上述判断，若不满足上述条件则PLC模块通过变频器关闭抽油机驱动电机，并使用电动抱闸的方式进行制动，然后在一个停机周期(停机称重根据油井实际产液量确定，本实施例中停机周期为10min)后，PLC模块通过模拟量输入模块读取称重传感器采集的续液重量值，然后将续液重量值与预热称重比较，并重复上述步骤。

本实施例中抽油机第一次总共运行了3个运行周期，第二次总共运行了4个运行周期，抽油机第二次运行结束后，运行周期的时长进行优化学习计算，计算公式为：T″＝T(nT)/(mT')，公式中T″表示此次抽油机运行结束运行周期优化学习后的时长(本实施例中T″为抽油机第二次运行结束运行周期优化学习后的时长)，n表示抽油机此次运行总共运行的周期数(本实施例中n为抽油机第二次运行总共运行的周期数，即n为4)，T表示抽油机此次运行的运行周期的时长(本实施例中T为抽油机第二次运行的运行周期的时长，即T为5min)，m表示抽油机上一次运行总共运行的周期数(本实施例中m为抽油机上一次运行总共运行的周期数，即m为3)，T'表示抽油机上一次运行的运行周期的时长(本实施例中T'为抽油机第一次运行的运行周期的时长，即T'为5min)，根据上述公式及参数计算T″(本实施例中T″为抽油机第二次运行结束运行周期优化学习后的时长)为6.7min。

若在抽油机运行过程中，断开旋转开关SA0或将旋转开关SA1转到1、2触头一端断开3、4触头一端则抽油机直接跳出节能控制模式，若通过HMI或上位监控终端关闭抽油机，则抽油机在运行完当前运行周期后跳出节能控制模式。

本实施例的一种油田抽油机节能控制方法，通过判断续液重量是否大于预热称重确定是否启动抽油机，在抽油机工作一个运行周期后，依次判断续液重量是否大于停机称重和抽油机是否处于轻载状态，若续液重量不大于停机称重或抽油机处于轻载状态则关闭抽油机，并在一个停机周期后启动抽油机，在关闭抽油机后进行运行周期的优化学习，反之若续液重量大于停机称重且抽油机不处于轻载状态，且系统未结束运行，则抽油机继续工作一个运行周期重复上述判断，实现了抽油机自动间歇自寻优的运行，达到了节能控制的目的。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。