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1 引言
隨著我國經濟的高速發展，日益激烈的市場和越來越嚴格的環境保護要求，已經對能源生產自動化水平的提高和管理水平的進步提出了更高的要求。都需要建立現代化的自動化監控系統。可編程控制器（plc）、監視控制和數據采集系統（scada）、變頻器、傳感器與儀表、調節器等自動化產品在我國能源工業現代化進程中扮演了不可或缺的角色。
我國的油田絕大部分為低能、低產油田，大部分油田靠抽油機(磕頭機)把油從地層中提升上來。耗電費用在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業十分重視節約電能，節省電耗就是直接降低石油的開采成本。
變頻器從上個世紀80年代在中國推出以后，在國民經濟和日常生活中發揮著日益重要作用，已經被廣泛的應用于企業的工業生產以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應用,主要得益于其優良的節能特性和調速特性。中國產值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產品能耗問題，除其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速已成為節能及提高產品質量的有效措施。油田作為一個特殊行業，有其獨特的背景，在油田中以風機、泵類負載為主，因而決定了變頻器在油田中的應用，以節能為第一目標。油田中變頻器的應用主要集中在游梁式抽油機控制、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。
針對抽油機的特點，芬蘭vacon公司專門基于nx系列變頻器開發了一款抽油機軟件，實現了抽油機變頻控制。
2 游梁式抽油機的工作原理
游梁式抽油機系統包括電機、抽油機、抽油桿、油管、深井泵等。抽油機為四連桿機構，將電機的旋轉運動轉化為抽油桿的垂直直線運動，抽油桿帶動深井泵，在下行時靠油層壓力向泵內滲油，上行時將油提升，如此往復運動，使石油在一定的動壓力下被抽到地面以上，送往儲油管。
抽油機動力配重桿每旋轉一周，抽油桿完成一個上沖程和一個下沖程；抽油機動力配重桿每分鐘旋轉的圈數即為沖次。一般地，在工頻電機拖動下，抽油機及抽油桿理論上是勻速運動，按照電機的轉速和傳動比很容易計算出抽油機系統的沖次，并結合傳動輪直徑和連桿尺寸可方便地計算出上下沖程。
根據抽油機的抽油原理和地下液體運動規律，抽油桿上行（上沖程）應較快，這樣做可減少上行時間油泵泄漏；下行（下沖程）速度較慢，則可以增加滲油量從而提高產量，并且顯著節省電能。
當游梁式抽油機工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機未進行平衡的條件下，電動機就要輸出很大的轉矩。在下沖程時，抽油機桿柱對電動機作功，使電動機處于發電機的運行狀態。抽油機未進行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴重地影響抽油機的四連桿機構、減速箱和電動機的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數。為了消除這些缺點，一般在抽油機的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來，在懸點下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動機輸出一定的轉矩。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了電動機在上沖程時所需給出的轉矩。

圖1 復合平衡式游梁式抽油機

目前使用較多的游梁式抽油機，都采用了加平衡配重的工作方式。當平衡配重調節較好時，其發電機運行狀態的時間和產生的能量都較小。
3 抽油機控制算法設計原理
vacon變頻器具有可編程功能。編程工具vacon nc1131-3 engineering是一個符合iec1131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設計vacon nx特殊的控制邏輯和參數。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，pi控制器和積分器。nc1131-3可以創建參數，故障信息和其他與應用相關的特性。在本系統中，如采用普通變頻器，為防止變頻器過壓報警，必須加制動電阻，制動電阻消耗能量，達不到系統節能要求，同時還要有其它微機控制器等，系統復雜。利用vacon變頻器具有可編程功能，利用抽油機工作時，驢頭懸點載荷是非線性變化的。設計變頻器應用程序，根據電動機負載轉矩的變化情況，變頻器將實時計算抽油機適合運行的速度，實時計算上、下沖程的時間，使上沖程速度加快，而下沖程速度變慢，達到增產的目的，同時當抽油機處于發電機運行狀態時，變頻器將控制電機采用抽油機的慣性運行，而不輸出任何的轉矩。采用智能控制算法后，抽油機工作所需的轉矩和電流將明顯減小，由于抽油機速度大時，其輸出的轉矩小；速度慢時，其輸出的轉矩也比工頻時小，從而達到節能的目的，同時也避免了變頻器過壓故障。
3.1 vacon變頻器算法設計
●電動機起動時采用專用抽油機變頻起動程序
根據抽油機起動轉矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動和運行方式，減小其起動時的電流沖擊，并確保抽油機在任何位置都能很好地起動。
●電動機工作時實時計算修改上、下沖程速度，保持恒定的沖次。
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機的運行時間的長短都不一致，所以在設計的抽油機專用程序中，將實時計算上、下沖程的速度，保持恒定的沖次。
平衡負載模式控制方式如圖2，此模式下，電動機會有很短的發電時間。
根據電機轉矩變化規律，控制系統結構框圖如圖2所示，設計智能控制算法，控制變頻器輸出頻率。控制算法的輸入信號是與沖程次數對應的電壓信號，反饋信號為變頻器輸出轉矩、變頻器輸出頻率信號。

圖2 控制系統結構框圖

智能控制算法程序設計規則：如圖3

圖3 平衡模式控制方式

位置1為第一計數起始點。此參數定義為轉矩的百分數，當轉矩高于這一參考轉矩極限時允許計數器開始計數。
時間2 低參考值允許時間。轉矩必須高于位置1的轉矩。此時間采用低頻率參考值。
位置3 第一轉矩中間點。轉矩小于位置3且當時間2到后采用高參考頻率值。
時間4 高參考值最小時間。給定高參考值后直到允許低參考值的最小時間。
時間5 高參考值最小循環時間。高參考值后直到再次為高參考值的最小時間。
位置6 第二計數起始點。此參數定義為轉矩的百分數，當轉矩高于低參考極限時允許計數器開始計數。
時間7 高參考頻率值允許時間。轉矩必須高于位置6的時間。此間采用高參考值。
位置8 第二轉矩中間點。轉矩小于位置6且當時間7到后采用低參考值。
3.2 控制系統特點
本系統充分利用了vacon變頻器具有可編程功能。實現了其它普通變頻器無法實現的功能。本系統如下優點：
(1) 人機界面友好，安裝方便，操作簡單
控制柜上有變頻器的操作面板和各種操作運行按鈕，操作方便。
變頻器的顯示面板可以顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機運行消耗的能量，運行時間，抽油次數等。變頻器的運行參考可直接設置抽油機的抽油次數，改變傳統的設置電機運行頻率的操作方式，具有良好的人機界面。
(2) 運行安全，性能可靠
實現了真正的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率。該控制柜內沒有任何的plc，而是基于變頻器的特殊控制程序進行控制，并且具有工頻和變頻的工作方式，且這兩種工作方式互鎖，并相互獨立，控制柜所采用的變頻器也具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統運行更安全、可靠。
(3) 高效節能，增產
提高了功率因數(可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上)，減小了供電電流，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損。控制器內無任何的制動電阻，當抽油機處于發電機運行狀態時，變頻器自動提高電機的運行速度，并儲存發電機狀態的能量，比傳統的設計方式，減少了不必要的能量損失。
變頻器的控制程序是根據油田實際情況，特殊開發的控制程序，它能自主判斷抽油機運行的上下沖程，根據油井的實際情況，實時調節上下沖程的速度，提高抽油機的產量。
(4) 具有網絡功能
系統有對監視控制和數據采集系統（scada）的接口。對實現油井管理的自動化、提高工作效率、保證數據采集的準確性和加強現場事故應急處理等具有重要的意義。