劉凱輝，張少雷，胡子斌，劉奇峰

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

隨著中國油田生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，越來越多的采油設(shè)備采用了自動化控制手段，以提高生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性[1]。傳送皮帶是抽油機的一個重要組成部分，在日常生產(chǎn)中，抽油機因載荷大而使皮帶磨損較快，據(jù)不完全統(tǒng)計，其平均使用壽命大約只有2個月。當(dāng)遇到下雨天氣時，皮帶容易打滑，使電動機產(chǎn)生空轉(zhuǎn)或丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，直接影響油井的采油能力，特別是深井以及石油黏度高、含蠟量高的油井尤為嚴重[2-3]。同時，由于抽油機皮帶的老化、高溫等多方面的原因，長時間運行后，皮帶會變松馳，如果不及時調(diào)節(jié)皮帶的松緊度，皮帶將加快磨損，同時也大幅地降低了抽油機的效率，對油田生產(chǎn)十分不利[4]。皮帶的損壞不僅影響到油井的正常生產(chǎn)，而且增加了操作人員的勞動強度，造成采油成本的增加，降低了油田開發(fā)的整體效益[5]。因此，抽油機皮帶張緊裝置的性能直接關(guān)系到抽油機的使用效果及皮帶的使用壽命，研發(fā)出具有優(yōu)越的控制性能、合理的技術(shù)要求的抽油機皮帶PLC張緊自動控制系統(tǒng)能夠滿足抽油機的工況需求，保證抽油機的安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)性能要求及組成

1.1 系統(tǒng)性能要求

抽油機是目前油田使用最廣泛的采油設(shè)備之一，其驅(qū)動部分多采用7.5～55 kW的三相異步電動機。抽油機的工作環(huán)境和條件十分惡劣： 要求在野外露天、嚴寒酷暑、風(fēng)霜雨雪等自然環(huán)境下，除了維護、修井時間以外，全天候且無人值守工作；隨著每天數(shù)千萬次的換向，抽油機載荷不斷地大幅度正負變化，要求皮帶具有高度的可靠性等[6]。皮帶張緊裝置主要作用是為抽油機的正常運行提供必要的張力，屬于抽油機的關(guān)鍵部件之一。抽油機皮帶常因負荷或自然條件的變化，經(jīng)常出現(xiàn)過緊或過松的現(xiàn)象，從而增大了皮帶的磨損率，影響了抽油機的生產(chǎn)能力。根據(jù)抽油機的運行特點和油井生產(chǎn)工藝要求，本文采用PLC開發(fā)了抽油機皮帶張緊自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能自動控制，也能手動控制。

1.2 系統(tǒng)組成

PLC可實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、算術(shù)運算、計時及計數(shù)等功能，并利用信號的輸入和輸出實現(xiàn)對設(shè)備的控制，具有可靠性高、編程簡單、功能完善、操作簡單及價格低廉的特點[7-9]。

該系統(tǒng)包括： 觸摸屏，PLC，變頻器，底座電機，抽油機電機底座，轉(zhuǎn)矩和功率的反饋信號。由PLC控制變頻器，變頻器驅(qū)動底座電機，由底座電機帶動抽油機電機底座前進或后退，從而拉緊或放松抽油機皮帶，變頻器的轉(zhuǎn)矩和功率的反饋信號輸入PLC，觸摸屏對PLC在線監(jiān)控和設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)抽油機皮帶張緊度的自動調(diào)整。抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)組成示意

2 工作原理及控制方式

2.1 工作原理

變頻器采用無反饋編碼器的矢量控制，通過觸摸屏預(yù)先設(shè)定轉(zhuǎn)矩值、正負范圍、定時時間等[10]。在系統(tǒng)啟動后，先處于手動狀態(tài)，按下手動拉緊按鈕，PLC輸出拉緊信號，通過變頻器帶動底座電機正向旋轉(zhuǎn)，逐漸將抽油機皮帶拉緊。當(dāng)抽油機皮帶張緊度達到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)矩值時，底座電機停止拉緊，然后使系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，此后系統(tǒng)始終處于自動控制狀態(tài)，周期性檢測變頻器反饋的輸出轉(zhuǎn)矩值，并隨檢測值的變化自動調(diào)節(jié)底座的前后運動，控制抽油機皮帶張緊度，保證抽油機的安全穩(wěn)定運行。抽油機皮帶張緊PLC控制流程如圖2所示。

圖2 抽油機皮帶張緊PLC自動控制流程示意

2.2 控制方式

在自動控制方式下，根據(jù)皮帶的張緊度設(shè)定一個變頻器轉(zhuǎn)矩輸出值，并分別在設(shè)定轉(zhuǎn)矩值的基礎(chǔ)上確定正負范圍，即上限值和下限值。PLC直接接收變頻器轉(zhuǎn)矩輸出信號，當(dāng)轉(zhuǎn)矩輸出信號小于下限值時，系統(tǒng)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號來拉緊皮帶，直到轉(zhuǎn)矩輸出信號等于設(shè)定值，定時等待下一次的運轉(zhuǎn)檢測；當(dāng)轉(zhuǎn)矩輸出信號大于上限值時，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出反轉(zhuǎn)信號來放松皮帶，直到當(dāng)轉(zhuǎn)矩輸出信號達到設(shè)定值時，變頻器停止運行；當(dāng)轉(zhuǎn)矩輸出信號在設(shè)定轉(zhuǎn)矩值的正負范圍內(nèi)時，變頻器停止運行定時等待下一次的運轉(zhuǎn)，使得皮帶的張力始終保持一個合適的范圍。當(dāng)現(xiàn)場需要微調(diào)或更換皮帶時，可以通過手動方式來控制底座電機來拉緊或放松皮帶，控制方式及信號流程如圖3所示。

圖3 控制方式及信號流程示意

觸摸屏能夠顯示系統(tǒng)狀態(tài)、變頻器輸出狀態(tài)、實時轉(zhuǎn)矩曲線、轉(zhuǎn)矩設(shè)定、報警故障輸出和屏幕手動自動轉(zhuǎn)換及高級參數(shù)設(shè)置，通過RS-485與PLC進行通信。

3 應(yīng)用狀況

該系統(tǒng)在某采油一廠5號井12型游梁式抽油機上試用后效果良好，大幅降低了抽油機運行過程中對皮帶的沖擊，未出現(xiàn)過因張緊力過大或者過小引起的設(shè)備故障和損壞，不僅節(jié)約了成本，提高了運行效率，還確保了設(shè)備安全生產(chǎn)。變頻器轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 變頻器轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)性能特點如下：

1)實現(xiàn)抽油機皮帶自動張緊。周期性監(jiān)控抽油機皮帶的張緊度，周期時間可以根據(jù)實際需要進行設(shè)定，并使抽油機皮帶張緊度維持在設(shè)定值合理范圍內(nèi)。當(dāng)抽油機在運行時可進行手動或自動調(diào)整，皮帶自動張緊裝置在不停車的情況下手動或自動張緊，保證生產(chǎn)的連續(xù)性，提高生產(chǎn)效率。

2)分階段控制。將抽油機啟動和運行對張緊度的要求分開控制，當(dāng)抽油機啟動時，將皮帶張緊度預(yù)先增加到設(shè)定值的1.2～1.5倍，增加皮帶與減速機皮帶輪之間的靜摩擦力，避免抽油機在重載啟動時打滑磨損皮帶，皮帶在抽油機正常運行后，將張緊度再降為原來的設(shè)定值。

3)皮帶張力調(diào)節(jié)反應(yīng)快速。該系統(tǒng)采用PLC、變頻器做為關(guān)鍵調(diào)節(jié)設(shè)備，當(dāng)皮帶延伸或收縮時，PLC根據(jù)作用在底座電機上轉(zhuǎn)矩值變化值的大小，在一個掃描周期內(nèi)控制變頻器拉緊或放松皮帶，從而快速調(diào)節(jié)底座電機轉(zhuǎn)矩，使其維持在設(shè)定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過對抽油機皮帶張緊PLC自動控制系統(tǒng)研究和試驗，在抽油機上應(yīng)用PLC自動拉緊裝置，可實現(xiàn)皮帶張緊度的自動調(diào)節(jié)，降低了對皮帶的沖擊力，延長了皮帶和抽油機的使用壽命，在很大程度上為抽油機的安全運行提供了保障，滿足抽油機的工況要求，保證抽油機的安全穩(wěn)定運行。