潜油电泵机组测试系统研究

一、概述 潜油电泵机组自80年代初从国外引进并逐渐在全国各油田批量推广应用以来，经过二十多年的消化、吸收，已经在应用技术、检修技术、制造技术、测试技术等诸方面都得 到了飞速的发展，现在全国已有大庆、胜利、大港、辽河、中原等十几个油田应用了潜油电泵机组。胜利采油厂每年都有大批的潜油电泵机组投入使用，设备入厂后的检测是一项专业、繁重的工作，而且一般技术人员很难掌握检测技术。为了更好的保证潜油电泵机组的入厂检测准确、直观，对此我们做此次潜油电泵机组检测系统研究。 二、系统基本机构 检测系统利用PLC、PC组成集散控制系统，PC中的检测软件设定标准数值，在潜油电泵机组的各个检测点安装可拆卸式感应调节器，当系统运行时自动读取各个检测点的数值并记录到电脑中去，形成潜油电泵机组的数据报表、曲线等检测结果。 图1 潜油电泵机组测试系统结构简图 3#PLC控制台实现对检测管汇流程中的气动球阀的控制，完成试验井管的自动变换，流量计的数据监测、压力报警。 三、系统基本任务 1、测试系统的主要功能 系统主要完成对感应调压器输出的三相电压、电流和功率的测量，机组排量的测量，流量计的标定，机组扬程的测量，电机冷、热态电阻的测量，电机空载滑行时间的测量，电机空载转速的测量，电机空载试验温度的测量、工艺管线流程的控制、高压感应调压器的调压控制和扬程调节的控制。两口电泵机组试验井的试验控制和数据采用二台工业控制计算机进行在线检测，二台工业控制机没有主从之分，均可对任意试验井进行操作。所有测量参数和控制参数均进人计算机，编制潜油电泵机组试验测试系统应用软件，按照入厂测试要求对数据进行相应处理，输出数据报表、曲线、合格证等。打印机选用彩色激光打印机。 2、 参数测量范围及精度 (1)三 相 电 压： 0－4000V，测量精度：±0.5％ (2)三 相 电 流： 0－200A， 测量精度：±0.5％ (3)电机滑行时间：0－10S， 测量精度：±0.1S (4)电机热态电阻：0－5Ω，测量精度：±0.01Ω (5)流 量：0－5400m3/d，测量精度：±0.3％ (6)扬 程：0－40Mpa， 测量精度：±0.2％ (7)电 机 转 速： 0－4000转/分，测量精度：±2转 (8)电机空载温度：0－ 150℃， 测量精度：±1℃ (9)输入功率测量精度：±0.5％ 四、系统的运行原理 集散控制的基本思想是集中管理，分散控制。即：将自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成，而操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成。中央操作站与各现场控制站一方面各自相对独立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，极大地提高了自动控制系统总体的安全性和可靠性；另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换，实现了操作人员在中央控制室对整个自动控制过程进行管理和调整。 1、 由PC和PLC组成的集散控制系统 系统以计算机作为操作站，以 PLC作为各个试验井现场数据的控制站，实现集散控制(DCS)。控制站主要完成对测试系统试验井现场的数据、设备状态进行采集，并将采集到的数据传至上位机，同时接受上位机发出的指令对试验井现场的执行机构进行控制，试验井现场采集的信号种类比较多，包括；开关量(如气动、电动阀门的限位及各类转换控制等)、标准的模拟量信号(如电压、电流、功率等现场各种变送器)、脉冲信号(如电磁流量计)等。控制输出信号有开关量、模拟量和PID调节的模拟量等(如电动节流阀)。 2、系统中PLC对各参数的采集方法 2．1模拟量的采集 在测试系统中，电压、电流、功率和出口压力等传感器输出均为模拟量信号，对于这些现场模拟量信号的采集利用的是定时采集方法，每隔固定的时间T去采样一次，T为采集周期，多次采样后通过求平均值或加权平均的方法进行数字滤波，克服干扰，最终得到采样值。 2．2脉冲量的采集 对于现场电磁流量计输出的脉冲量，PLC把它当成高速计数输入，用高速计数单元采集，利用PLC定时中断功能计算出采集信号的频率。再就是在采集数据中避免干扰的问题，对于采集的脉冲量，一般采取定时中断的办法执行采集子程序，主要是避免丢失脉冲。 2．3开关量的控制 对试验井现场执行机构进行可靠的控制执行和过程监控，特别是对每个井口的电动节流阀、工艺管道流程中的气动阀门的控制执行和监控是本测试系统中重要的工作。采用PLC对现场执行元件进行监控有两种方法：一是用定时检测法；二是用动作反应检测法，这两种方法本质上是相同的，只是，一个是看在给定的时间内动作完成了没有；而另一个不太考虑延时，只看动作执行了没有。两者的逻辑关系并无两样，只是一个在比较正常的时间内监控，不必读回馈信号，不增加可编程序控制器的I/O点，比较容易实现，而另一个则要有反馈的回馈信号，要增加I/0点，但可进行实时监控，本系统采用第二种方法。 工艺管道流程中的阀门采用的是气动阀门，是通过电磁阀对其进行控制的。所以在监控系统中对工艺管道流程中阀门的监控采用了动作反应检测法和定时检测法相结合的方法，在气动阀开启或关闭时，都同时检测气动阀的两点回馈信号，通过PLC编程，使气动阀的两点回馈信号形成一定的逻辑关系，使气动阀的控制执行和监控更加可靠，达到零失误。 2．4扬程调节的控制 在井口扬程的调节中，系统采用的是PID调节。PLC接受上位机设定的PID系数，使用PLC本身的PID指令控制D/A模块的模拟量输出，分别控制主管线电动节流阀和副管线电动节流阀，根据预定的数学模型和调节方式进行实时计算和控制。PLC采集井口压力信号，经过运算处理后在线修正PID参数，可确保扬程调节按照试验要求进行。 3、系统中的现场控制站 现场控制站的主要任务是实现对潜油电泵机组试验测试现场的自动控制，因此它必需要能够自动采集试验井现场的各种工艺参数(如各种温度、压力、流量等)以及设备的运行状态 (如阀门的开度、阀门的开停等)等信息，然后按照事先编好的控制程序进行数值计算，最后输出标准模拟信号(或ON/OFF数字信号)去驱动各种阀门、电机等执行机构，调节各种工艺参数，实现生产过程的自动控制；另外还要与操作站进行实时通讯 ，将采集到的各种现场参数传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程。因此它还需要具有标准化的通讯接口。目前的各种PLC均具有这样的功能，本系统使用的是西门子S－200系列PLC，其容量弹性大，扩充方便，采用标准的RS485通讯接口。下面对本系统的现场控制站(PLC)进行简要介绍： 3．1实验井井口参数的采集和控制 该类型控制站共有2个，其原理图见图2所示。 图2 井口柜PLC采集控制原理图 本站PLC安装在井口控制柜内，配合外部电气元件完成以下任务： (1) 完成井口电动节流阀(大、小)的调节； (2)根据扬程范围实现对井口压力l、压力2(扬程)的测量； (3)对回水气动球阀的控制； (4)电泵机组的起停监视； (5)低压管线压力的监视及报警输出； (6)根据给定扬程实现对电动节流阀(大、小)的PID调节； (7)实现必要的连锁保护功能； (8)完成本站与操作站(PC)之间的数据通讯功能。 4、工艺管道流程参数的采集和控制 该类型控制站共有1个，其原理图见图3所示。 图3 工艺流程柜PLC采集控制原理图 本站PLC安装在工艺流程控制柜内，配合外部电气元件完成以下任务： (1)实现对气动球阀的控制，包括阀的开、关，阀位的回馈信号； (2)完成对电磁流量计输出脉冲的高速计数； (3)完成对大量桶的标定； (4)根据机组试验要求自动完成工艺流程的转换； (5)根据工艺流程软件实现气动球阀等必要的保护连锁； (6)完成与井口柜的连锁保护； (7)完成本站与操作站(PC)之间的数据通讯功能。 5、高压参数的采集和控制 该类型控制站共有2个，其原理图见图4所示。 图4 高压参数测量柜PLC采集控制原理图 本站PLC安装在高压参数测量柜内，配合外部电气元件完成以下任务： (1)完成三相电压的测量、电压量程的转换； (2)完成三相电流的测量、电流量程的转换； (3)完成三相功率的测量； (4)完成电机热态电阻的测量和控制； (5)完成高压感应调压器的调压控制及监测； (6)监视各个参数的状态、给出报警信号； (7)完成本站与操作站(PC)之间的数据通讯功能。 6、系统中的操作站 中央控制室的操作站实际上是一个人机交互界面，一方面把控制站采集的各种参数信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式提供给操作人员。另一方面把操作人员的各种指令进行编码后传送给 操作站对控制方案进行调整，以优化试验过程或对特殊情况的紧急处理。对于本系统采用自己编制的潜油电泵机组试验测试系统监控软件就能实现这样的功能。用PC机和PLC组成集散控制系统时，PLC承担了现场控制站的工作，PC机承担了操作站或工程师站的工作。在安装有PLC系统软件的PC机上可以离线(或在线)编辑PLC的控制应用软件 (一般称为梯形图)，控制应用软件下载到PLC后，PLC独立完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等。而操作站的各种功能都