基于PLC与HM I的水基动力无杆抽油机系统的研究与应用*

吕俊燕，朱春梅

(北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192)

0 引言

有杆抽油是我国主要的采油方式。但是也存在以下问题:一是效率低，稀油井大约有30%，而稠油井只有10%;二是能耗较大，导致油田供电紧张。所以抽油装置的节能问题已经引起了广泛的关注。水基动力无杆抽油机系统作为近几年发展起来的一项新技术，以水为动力节省了能源，并且效率高、电气控制系统智能强大，能够实现远距离监控。在产品结构型式上实现了橇装化的结构模式，安装、运输方便、结构简单，空间体积小，外形美观，样机的实验成功已经引起了石油界的广泛关。但由于还未大规模的使用，所以积累的实际测试数据很少，尤其是典型故障下的数据更为缺乏，因此构建针对水基动力无杆抽油机系统的故障模拟实验系统尤为重要。

PLC在我国应用比较广泛，在冶金、化工、机械等领域都有应用。西门子S7系列的PLC速度快、体积小，而且具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。因此选择西门子PLC作为上位机与试验台进行通信。

1 工作原理

水基动力无杆抽油机系统采用水作为动力液，整体系统由地面动力站、动力传送部分(动力控制阀和管路)、井下液力抽油系统等三部分组成(见图1)。

图1 水基动力无杆抽油系统工作原理

首先地面动力站利用液压泵将电动机的机械能转换为液体的压力能，然后通过动力传输部分传至井下，并借助于井下液力抽油系统把液体压力能转换为机械能，从而驱动抽油泵的运动。抽油泵的上行靠动力液驱动、下行靠重力拉动下行。地面换向技术采用的是两位三通换向阀，它能将动力液在密闭和开式方式之间切换，密闭状态时传递压力能至井下，开式状态时和大气连通，使动力缸在下行程时动力液能快速返回至水。

2 硬件设计

2．1 故障分析

抽油机的井下故障主要有动力缸故障、抽油泵故障以及配重块故障三种。动力缸的主要故障有:动力液管漏失，动力缸卡堵;抽油泵的主要故障有:油液漏失，凡尔漏失(固定凡尔和游动凡尔)，出油口堵塞;配重块的主要故障有:配重块等效重量不当或长期结蜡导致下行程拉力不足而造成碰泵。由上所述的井下故障如图2所示。

图2 故障树

2．2 试验台设计

根据水基动力无杆抽油机的故障类型以及工作原理，设计试验台液压原理图如图3所示。

此液压原理图的工作流程如下:启动液压泵，将动力液从动力液箱中抽出，动力液通过单向阀进入先导型溢流阀中，再经过二位二通电磁阀的右位，流入冷却器、压力继电器、过滤器，最后流回动力液箱。将二位二通电磁阀切换到左位，动力液被切断，同时将三位四通电磁阀切换到左位，此时，动力液通过双液控单向阀、双单向节流阀进入动力油缸中，推动动力缸的上行。油液会通过单向阀、节流阀被从油液箱吸入抽油泵中。当动力油缸到达上行程后，三位四通电磁阀切换到右位，动力液通过双液控单向阀将右边的单向阀打开，动力缸中的动力液回流，经过先导型溢流阀、冷却器、压力继电器、过滤器后流回动力液箱中;抽油泵中的油液通过单向阀、单向阀、压力传感器、温度传感器、流量传感器、节流阀后流回油液箱。

图3 试验台液压原理图

3 软件设计

该系统在具体运行过程中，PLC在控制动力缸上下运行的过程中循环发送采集数据的命令，接收各传感器采集到的数据，PLC把每个传感器传送的数据实时保存到PLC内部有关的存储单元。HMI人机交互界面根据程序的设置，周期性的实时采集PLC内部存储单元中的数据，并进行实时刷新和显示，同时，HMI人机界面程序能够根据传感器信号进行报警处理，当传感器信号达到预警值时发出报警声音。而且，HMI人机界面程序还能够对采集到的数据进行保存，并且可以通过数据线将HMI中的数据导入到电脑中进行更深一步的故障分析。其工作流程图如图4所示。

图4 系统工作流程示意图

3．1 PLC软件设计

该抽油机试验台软件设计采用PLC梯形语言编程，主要是为了实现动力缸的上下运动实现采油，并完成各种表征工作状态的信号的采集。

根据系统的控制要求以及各方面的考虑，为了表达更直观，用表1来表示程序中所用元件的设置，表2表示本系统的I/O地址的分配。

表1 元件设置

表2 地址分配

因为此试验台可以模拟很多故障，每种故障下动力缸上下行程的时间都不一样，所以每模拟一种故障都需要调整一下计时器的预设值，然后将重新修改的PLC程序下载到S7－200中，这样比较繁琐。本文的解决方法是结合HMI触摸屏，将计时器的预设值存放在预先分配好的地址里，这样每次就可以通过HMI触摸屏调整上下行程的预设时间，通过HMI与PLC的通讯来改变动力缸的上下行程时间。图6为PLC程序中动力缸上行时间的计时器，上行时间就存放在地址“VW720”中，图7为可以随时修改上下行程时间的HMI程序。

图6 上行计时器

图7 HMI程序

此PLC程序除需要实现动力缸的上下运行之外，还需要实现信号的采集功能，将各种传感器采集到的模拟量转换成表征压力、流量等的工程量。实现此功能的库如图8所示。

此库主要实现的是模拟量和工程量之间的转换，模拟量通常为现场仪表传送的4～20 mA的信号。工程量为画面要显示的值，输入与输出之间的换算关系为:

Ov=［Osh－Osl)*(Iv－Isl)/(Ish－Isl)］+Osl

其中:Ov:换算结果(即 Output);Iv:换算对象(即Input);Osh:换算结果的高限;Osl:换算结果的低限;Ish:换算对象的高限;Isl:换算对象的低限。

因为 A/D(模/数)、D/A(数/模)转换之间的对应关系，S7－200 CPU内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系。在S7－200 CPU中，0～20 mA对应数值范围0－32000;对于4～20 mA的信号，对应的内部数值为6 400～32 000。所以上述的计算公式中，Ish为32 000，Isl为6400。

图8 Scale_I_to_R库

3．2 HM I软件设计

触摸屏组态软件，是一种人机接口软件。HMI触摸屏具有存储记忆功能，现场操作人员可以通过汉化界面向PLC发出各种控制命令，同时将PLC的各种实时数据采集回来，并在用户画面上用趋势图表示出来，从而实现对无杆抽油机运行过程的监控。本系统中共开发了7个汉化的界面，包括登陆界面、密码错误提示框、状态显示界面、实时数据显示界面、产液流量曲线与动力缸位移曲线显示界面、事件记录界面等。它们可根据控制要求方便地切换界面、查看各按钮的状态、各传感器采集到的实时数据与曲线界面，并对报警信息进行提示。各窗口如图9～13所示。

图9 登陆界面

图10 状态显示界面

图11 实时数据显示界面

图12 产液曲线显示界面

图13 事件记录界面

4 应用情况

目前，有两台样机在辽河油田现场应用，结果表明:该系统设计合理，可靠性、稳定性良好。通过采用液压原理采油，避免了电能的浪费，解决了常规游梁式抽油机用于斜井采油存在的杆管偏磨严重、泵效低、能耗大、检泵周期短等问题。同时，该系统各项技术指标均达到设计要求，能够满足生产需要，易于为用户接受，充分显示出了良好的市场前景。

5 结论

水基动力无杆抽油机系统将液压技术和采油技术结合起来，以水作为动力源，没有抽油杆的上下运动，彻底消除了杆管偏磨问题。水基动力无杆抽油机故障模拟试验台的研究解决了实测数据缺乏的问题，而PLC与HMI人机交互界面相互结合对无杆抽油机系统的控制，能实时显示抽油机的工作状态，发生故障时能够及时报警。达到了提高效率、节电的目的。

［1］ 邱金金，许宝杰，朱春梅．水基动力无杆抽油机状态监测及故障诊断系统研究［J］．新技术新工艺，2012(12):104－108．

［2］ 智玉杰．一种新型液压动力无杆采油系统［J］．石油钻采工艺，2012，34(6):117 －118．

［3］ 陕梅辰．面向水基动力无杆抽油机的故障诊断方法研究［D］．北京:北京信息科技大学，2013．