青海油田游梁式抽油机电控柜优化设计方案

唐卫红许小玲

(青海油田培训中心青海茫崖817500)

摘要:通过对青海油田游梁式抽油机电控柜的优化设计，采用西门子可编程控制器和触摸屏，改善了操作人员的工作状况，提高了电控柜的安全性能。采用先进的通讯技术进行控制，可以实现远距离对变频器参数进行调整，大大简化抽油机控制柜的电气控制电路；采用工业级固态继电器代替交流接触器，实现无触点控制电机，代替以往的常规交流接触器有触点方式，避免了主触点烧毁，粘连；线圈过热烧坏，机械卡涩等现象，减少电气抽油机控制电路故障发生的次数，确保抽油机安全平稳运行，同时降低了维修人员工作难度和强度。

关键词:固态继电器MODBUS-RTU通讯协议抽油机间抽电机保护器触摸屏

前言

青海油田采油厂在海拔3000米的高原，风多雨少、沙漠盐碱气候、风沙大尤其沙尘暴次数多、冬季长夏季短、昼夜温差大、最冷天平均气温在-12.4度;而游梁式抽油机使用在野外沙漠中、有的在沙山上,对抽油机电控柜的正常运行产生了极大影响，电气故障经常发生。

1、青海油田常见抽油机电控柜分类及存在的缺陷分。

1.1、采用西门子s7-200PLC控制变频器的电控柜；

1、柜内采用QS单刀双掷开关进行切换电气元件，容易发生带负荷合隔离刀闸恶性电气短路故障；如果在运行中变频器出现故障损坏，需要将变频切换到工频运行，操作人员手动先将QS单刀双掷开关合到工频侧，然后才能合空气开关QF2去直接启动电动机，这样在正常操作时有很大的操作风险性，不符合电气控制操作规范，由于抽油电动机功率一般为37KW，额定电流在60A,一般电动机启动电流为3至5倍额定电流，也有150A,不符合电气规范要求电动机直接启动功率在7KW以下的规定；遇上抽油机或电动机有机械阻涩现象，主触头断开时间增加，触头间容易产生拉弧，加上空气开关在海拔3000米断流容量会降低，接触器灭弧能力下降，最终导致“爆柜事故”发生，造成设备和人员伤亡事故。其次操作人员在操作中容易发生误操作，导致发生带负荷操作隔离刀闸的事故，如果在切换工频的过程中，先将空气开关QF2先合闸，然后在投入单刀双掷QS开关到工频位置，造成带上抽油机启动电流的负荷，在单刀开关刀口处产生电弧，造成相间弧光短路，俗称“放炮事故”将对操作人员造成烧伤、触电事故并且对电气设备烧毁、停产的恶性电气事故。

2、本电控柜间抽的实现需要一个单独的微电脑时控定时器，时间参数的设定不方便，由于操作人员实行轮休制上两月班，休息两个月，工作不连续导致对微电脑时控设定方法不容易记住，同时定时器受温差气候影响，容易损坏需要及时更换。

1.2触摸屏与PLC、变频器控制的排井电控柜；

该电气控制柜在使用过程中仍然存在以下缺陷：

图2触摸屏与PLC、变频器控制的排井电控柜

1、主电路中采用两个交流接触器，一个在变频器控制的回路中KM1，另一个工频回路中KM2,由于青海油田地处高原沙漠盐碱地区，盐碱对接触器的触头容易产生腐蚀，容易操作触头接触不良，不能保证抽油机正常运行：交流接触器在沙尘颗粒的影响下也容易发生机械卡涩现象，造成触头分断时间过长，烧坏主触头的电气故障。

2、在控制回路及PLC输出电路采用中间继电器起到过渡隔离作用，如在变频与工频自动切换回路有KA3、在变频与工频自锁回路KA1、KA2、在远程（触摸屏）控制启动与停止电路中KA4、KA5、电源检测KA0,这种中间继电器在运行过程中经常有触点接触不良，线圈烧毁的故障，在排查过程中不容易被发现，由于它封装在塑料壳体内，给检修人员造成难度，延长了抽油机停运时间长耽误生产。

2.电控柜控制电路优化设计方案分析

鉴于现在电控柜存在诸多缺陷，采用如图4的控制电路对游梁式抽油机的电控柜进行优化设计，采用工业固态继电器代替交流接触器、采用先进的MODBUS-RTU通讯协议进行控制，不再使用中间继电器、机械式启/停按钮；采用智能电机保护器代替常规热继电器；使用智能双电源自动投切开关代替QS单刀双掷开关，避免误操作事故的发生，简化抽油机控制柜的电气控制电路；保证电控柜操作的人员的安全，实现控制电路安全性与合理性。该电路具有以优势：

图3优化设计后游梁式抽油机的电控柜

2.1.采用MODBUS-RTU通讯协议利用通讯控制简化控制电路。

采用西门子触摸屏SMARTLINE1000IE与s7-200PLC224XP通过MPI通讯线相连接，再与变频器通过RS485通讯接口相连接，采用MODBUS-RTU通讯协议上实现在触摸屏上参数的显示(输出电流、电压、频率、直流电压)、控制电机启动与停止、运行状态指示灯显示；在接线上简单、省去6个中间继电器，避免由于中间继电器触点烧坏、接触不良、线圈发热烧坏、匝间短路而故障导致的停机事故。

2.2、根据需求进行抽油机的冲次调整。

优化后的控制电路根据抽油机运行的工况需求进行抽油机的冲次调整，只需要操作人员在触摸屏上设置相应的频率值，电机转速马上变化、没有级数要求、调整冲次不受限制，比起软启动控制柜节约了大量的人工与材料成本费用。

2.3、实现抽油机的间抽功能。

本电路设计了两套间抽运行模式、依靠PLC内部编辑的程序完成；一套为满足变频正常状态对抽油井下液面恢复需要时间较长，在触摸屏上设计出间抽运行时间和间抽停止时间的设定窗口，精确到以分钟计时，自动循环运行。另一套为工频间抽运行模式，由于采油厂地处沙漠深处，当变频器出现电气元件损坏（如变频器内的滤波电容器、整流桥、逆变IGBT、触发板电子元件损坏），从外面购买配件到现场安装往往需要等待较长时间，有时达到半个月以上，这期间依然需要抽油机间抽运行，实现节能降低采油成本，在工频间抽参数设置界面中实现间抽功能。

2.4、采用工业级固态继电器代替交流接触器，减少电气故障的发生。

在工频回路中采用工业级固态继电器，实现无触点控制电机，代替以往的常规交流接触器有触点方式，避免了主触点烧毁，粘连；线圈过热烧坏，机械卡涩，减少沙尘颗粒对电控柜的影响。工业级SSR固态继电器使用寿命长，6年不用更换模块，启动电机过程中有延时200mS以上，可以实现电机平稳缓慢启动避免对电网的冲击，对电动机和齿轮变速箱启动冲击减弱，延长了设备使用期限。工业级固态继电器有电源的缺相和过热保护功能，散热风扇在模块温度在45度以上才启动运行，延长风扇使用年限。

2.5、利用智能双电源自动投切开关替换QS单刀双掷开关，防止误操作的发生。

智能双电源自动投切开关代替在抽油机电控柜中使用，对操作员有很高的保护功能，在变频器出现故障需要切换到工频启动运行，防止采用单刀双掷开关容易造成操作的恶性电气事故的发生。对排井柜中采用交流接触器切换变频/工频电路，可能发生变频器输出侧交流接触器主触头粘连后工频电路接通将电源供给变频器输出侧，将形成“倒灌”进一步损坏变频器。而智能双电源自动投切开关采用机械互锁装置，有常用位置与备用位置任意时刻只能有一组输出，能防范变频器的电源“倒灌”事故。

2.6、采用电机管理器B200增加电控柜的安全性能

在工频电路中采用先进的电机管理器B200;它具有对电机线路的短路、缺相、过载、三相不平衡、过热容量测试等保护功能；同时又电气参数显示、报警功能与PLC相连在触摸屏上有监视状态画面，操作人员能直观、清晰的观察运行设备的状态。从而防范了电机事故的扩大、保障了电机高效、长周期的运行，同时减去了电气维修工定期对热继电器进行效验的很大工作量。

3、结语

采用先进的通讯技术进行控制，可以实现远距离对变频器参数进行调整，大大简化抽油机控制柜的电气控制电路；采用工业级固态继电器代替交流接触器，实现无触点控制抽油电动机，代替以往的常规交流接触器有触点方式，避免了主触点烧毁，粘连；线圈过热烧坏，机械卡涩等现象，减少抽油机电气控制柜中电路故障发生的次数，确保抽油机安全平稳运行，尤其是触摸屏技术的采用，使得对工艺参数实现可视化，防止操作人员误操作，同时也降低了维修人员工作难度与强度。

优化后的电气控制电路在实验室模拟运行一年，电气设备之间通讯正常、触摸画面显示电气参数稳定、清晰、不漂移、画面启动控制按钮反应迅速，能有效的实现变频器的启动、停止；在冲次的调整中能使电动机转速跟随设定参数值发生改变；变频/工频间抽画面用设定分钟参数计时能实现电动机启动与停止循环运行，满足青海油田采油现场电气控制柜的操作要求。

参考文献:

1、《现代电气控制及PLC应用技术（第2版）》王永华编著北京航空航天大学出版社

2、《低压电工作业（2017修订版）》中国矿业出版社全国安全生产教育培训教材编审委员会组织编写

3、《西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术（第二版）》廖常初主编、陈晓东副主编机械工业出版社

4、《变频器原理及应用（第2版）》王廷才主编机械工业出版社