摘要:為了提高勝利油田的采油設備自動監(jiān)控和管理水平,保證油井高產(chǎn)量、高效率生產(chǎn),合理控制采油量,采用泓格公司的嵌入式網(wǎng)絡控制器I-7188EX以及I-7000 ICPDAS模塊對抽油機采用變頻控制技術,進行了設備改造,控制系統(tǒng)的功能以及可靠性到達了預期的目標。
關鍵詞:I-7188EX I-7000 SCADA
1 系統(tǒng)開發(fā)的必要性
為了提高勝利油田采油設備工作狀態(tài)參數(shù)的實時綜合測試和控制水平,保證油井高產(chǎn)量、高效率生產(chǎn),及時發(fā)現(xiàn)并處理設備可能存在的隱患或發(fā)生的故障,并對盜油等行為進行及時的監(jiān)測和制止,必須實施采油的自動監(jiān)控和管理。同時,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(shù)量也最多。但傳統(tǒng)的磕頭機普遍存在著起動沖擊大,運行耗電多,效率低下等諸多問題,加之油井情況復雜,斷桿、燒電機等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,對電動機沒有可靠的保護功能,設備維修量大,急需對現(xiàn)有的采油機設備進行改造。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,其運動為反復地上下提升,一個沖程提升一次,其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質(zhì)滑塊,當滑塊提升時,類似于杠桿的作用,將采油機桿送入井中,滑塊下降時,采油桿提出帶油至井口,由于電機轉(zhuǎn)速一定,在滑塊下降過程中,負荷減輕,電機拖動產(chǎn)生的能量勢必進入再生發(fā)電狀態(tài),造成主回路母線電壓升高,頻繁的高壓沖擊會損壞電機,對電動機沒有可靠的保護功能,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(jié)能降耗,給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟損失。
假如采用變頻調(diào)速技術,效果則完全不一樣:根據(jù)電機理論可知,其轉(zhuǎn)速公式為: n=60f/p×(1-s)。其中:P為電動機的極對數(shù),s為轉(zhuǎn)差率,f為供電電源的頻率,n為電動機的轉(zhuǎn)速,可看出,電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比,改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,而對于變頻器而言,其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的,可在0~400Hz之間任意調(diào)節(jié),因此電機轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。同時變頻調(diào)速器具有低速軟啟動,轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié),對電動機保護功能齊全,如短路、過載、過壓、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(wěn)、可靠,提高功效等諸多優(yōu)點,是采油設備改造的理想方案。在本系統(tǒng)中為防止采油滑塊提升時對其軸承及繞組的影響,防止電機過分磨損及過熱,最高頻率設在50Hz。
2.2 系統(tǒng)架構(gòu)
根據(jù)上述分析的變頻控制原理,控制系統(tǒng)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“無人看管”的工作狀態(tài),采用工控機等之類的控制器顯然是不合理的,而泓格的嵌入式網(wǎng)絡控制器I-7188EX具有PC的一切控制功能,只要將其安裝在防雨、防電等場合,便可工作,同時利于現(xiàn)場安裝,滿足設計要求。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,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作為相應控制開關的控制模塊、I-7017實時采集輸油管路的流量,控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖見圖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(jiān)視控制計算機,主要用來管理I-7188EX,并且實時記錄流量、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的采油統(tǒng)計中心,因此,巡視人員將定期攜帶移動式筆記本電腦通過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(shù),然后回采油統(tǒng)計中心將各個采油分隊的記錄參數(shù)匯總、統(tǒng)計,達到了對采油設備工作狀態(tài)參數(shù)的綜合測試以及管理的目的。在圖1所示的架構(gòu)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HUB相連并通信,從而實現(xiàn)了分級控制、分級管理,利于維護、安裝、移動和拆卸,是一種比較優(yōu)良的采油設備控制系統(tǒng)。
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圖1:系統(tǒng)架構(gòu)圖[/align]
2.3 采油變頻調(diào)節(jié)過程
變頻采油是當滑塊下降過程時,經(jīng)I-7188EX邏輯判定,將控制信號通過I-7024送至變頻器,調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,讓滑塊根據(jù)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,為防止油錘現(xiàn)象的產(chǎn)生,采油泵的啟停將采用聯(lián)動方式,即三臺油泵共一個出口閥門。變頻聯(lián)動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“先開先關”和“先開后關”兩種順序關泵;變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺泵,系統(tǒng)以“先開先關”的順序關泵。本系統(tǒng)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。
2.4 效益分析
在開采前期,由于儲油量大,供液足,為提高功效,我們采用提高轉(zhuǎn)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,使采油量在短時間內(nèi)有較大幅度的提升,同時,維修量大幅度降低,利于設備的節(jié)能降耗,降低了采油工的勞動強度,提高了工作效率,并且控制系統(tǒng)可以重復使用,方便拆卸和安裝,系統(tǒng)的投入深受勝利油田采油廠的喜愛。
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)絡控制器,也可以說是網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換器,它有512KB FLASH,512KB SRAM,2KB EEPROM,31B NVSRAM,內(nèi)置時實時鐘,看門狗定時器、內(nèi)置MiniOS7操作系統(tǒng)、含有與NE-2000兼容的10BASE-T網(wǎng)絡控制器、支持TCP/IP協(xié)議。它具有獨特的雙看門狗安全設計,即軟件看門狗和硬件看門狗組成,萬一主控計算機當機,所有的輸出模塊就進入預設的安全狀態(tài),符合工業(yè)的安全要求,使用方便,可大幅增加系統(tǒng)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(tǒng)的抗干擾能力。
3.3 模擬輸出模塊I-7024:為了使采油泵平穩(wěn)起停、保護控制系統(tǒng),采用了變頻調(diào)速技術對其進行控制,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(tǒng),避免了電機的反電勢容易使控制系統(tǒng)死鎖的現(xiàn)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(tǒng).,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(xiàn)地單元控制模塊的控制程序,采用TC2.0編寫,調(diào)用了I-7000相應的庫函數(shù),主要有初始化模塊、定時采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、邏輯輸出模塊(控制開關等的控制)等,這一部分編程比較簡單,泓格提供了許多類似的例程,可以直接通用,極大地降低了開發(fā)時間。
控制計算機上安裝有Windows2000,以及Microsoft SQL6.5,便于建立起數(shù)據(jù)庫,備移動筆記本電腦瀏覽器下載歷史數(shù)據(jù)。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服務器直接與I-7188EX采用TCP協(xié)議通信,進一步簡化了編程工作。
5 應用體會
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(xiàn)場能穩(wěn)定地運行,且故障率極,說明其品質(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(tǒng),極大提高了系統(tǒng)的可靠性以及運行的穩(wěn)定性,給開發(fā)者提供了極為便利的開發(fā)環(huán)境以及設備接口驅(qū)動(如I-7000庫函數(shù)以及OPC服務器、ActiveX控件),并提供了大量的例程,便于程序開發(fā)人員參考,所有這些均有利于降低開發(fā)者的開發(fā)時間。系統(tǒng)的投入運行,不僅提高了采油量,并且提高了采油廠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。