泓格I－7188EX在油田變頻抽油控制系統(tǒng)的應(yīng)用

1 系統(tǒng)開發(fā)的必要性
　　 為了提高勝利油田采油設(shè)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(shè)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(shè)備中，以游梁式磕頭采油機應(yīng)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(fù)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(hù)功能，設(shè)備維修量大，急需對現(xiàn)有的采油機設(shè)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(shè)備采用了分布式變頻采油控制方式，其應(yīng)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(shè)備，其運動為反復(fù)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(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)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(fù)荷減輕，電機拖動產(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(hù)功能，一旦電機損害，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失。
　　假如采用變頻調(diào)速技術(shù)，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(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機及機械設(shè)備，保證設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)的控制模塊，由于抽油設(shè)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(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、防電等場合，便可工作，同時利于現(xiàn)場安裝，滿足設(shè)計要求。為此，圍繞I-7188EX控制器，必須有相應(yīng)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(yīng)控制開關(guān)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(shè)備運行的健康狀態(tài)。由于小隊的控制室遠(yuǎn)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(dá)到了對采油設(shè)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(hù)、安裝、移動和拆卸，是一種比較優(yōu)良的采油設(shè)備控制系統(tǒng)。
　　
圖1：控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖
　　2.1 采油變頻調(diào)節(jié)過程
　　變頻采油是當(dāng)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(fù)荷變速下降，當(dāng)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(guān)”和“先開后關(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(tǒng)以“先開先關(guān)”的順序關(guān)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(hù)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(dāng)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(fù)正常狀態(tài)，由于采用多種控制技術(shù)，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(shè)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(fù)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(luò)控制器，也可以說是網(wǎng)絡(luò)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(luò)控制器、支持TCP/IP協(xié)議。它具有獨特的雙看門狗安全設(shè)計，即軟件看門狗和硬件看門狗組成，萬一主控計算機當(dāng)機，所有的輸出模塊就進(jìn)入預(yù)設(shè)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(hù)控制系統(tǒng)，采用了變頻調(diào)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(dá)到變速的目的。由于I-7024采用了光隔離方式，從而保護(hù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(wù)器直接與I-7188EX采用TCP協(xié)議通信，進(jìn)一步簡化了編程工作。
　　
　　5　應(yīng)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(shè)備接口驅(qū)動（如I-7000庫函數(shù)以及OPC服務(wù)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(shè)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(jì)效益。