專利名稱：井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法，屬于自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前石油開采領(lǐng)域所采用的采油方式已經(jīng)發(fā)展為多樣化。隨著直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其中采用直線電機(jī)抽油泵由一直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油泵桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行采油的方式以其設(shè)備簡(jiǎn)單、管理方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被逐漸推廣使用。尤其是中國(guó)專利井下直線電機(jī)抽油泵 (ZL200820218375. 5)對(duì)井下直線電機(jī)抽油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，克服了原有井下直線電機(jī)抽油泵結(jié)構(gòu)不合理而造成動(dòng)子卡死、掃膛、磁鐵腐蝕、使用壽命短等不足，但對(duì)如何控制直線電機(jī)抽油泵中直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)并未提出對(duì)策。應(yīng)用于井下的直線電機(jī)其工作環(huán)境惡劣，井下壓力大，直線電機(jī)所帶負(fù)載大，因此，對(duì)直線電機(jī)的精確控制提出了更高的要求。現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離進(jìn)行控制時(shí)，一般是通過(guò)限位開關(guān)、傳感器等方式檢測(cè)傳送直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的位置進(jìn)行控制。但對(duì)于類似專利ZL200820218375. 5井下直線電機(jī)抽油泵中的直線電機(jī)，一是在井下難以布置限位開關(guān)、傳感器，二是無(wú)法保證限位開關(guān)、傳感器在井下惡劣環(huán)境下其采集或傳遞信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此，現(xiàn)有技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)對(duì)專利 ZL200820218375. 5井下直線電機(jī)抽油泵中的直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法，不需要限位開關(guān)、傳感器等檢測(cè)、傳遞直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確控制。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，包含
PLC,
通過(guò)RS232接口與所述PLC連接通訊、并接收外部輸入的設(shè)置直線電機(jī)工作電源頻率指令的輸入裝置，
通過(guò)RS485接口與所述PLC連接通訊的變頻器，
所述變頻器以PLC發(fā)出的工作電源頻率、運(yùn)行時(shí)間控制直線電機(jī)做上升、下降運(yùn)動(dòng)。所述輸入裝置為觸摸屏。所述PLC經(jīng)一控制電路與所述變頻器連接。所述PLC與一報(bào)警顯示電路連接，所述報(bào)警顯示電路將信息傳遞至所述PLC，由所述PLC控制將此報(bào)警信息發(fā)送至顯示器或報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警顯示。主電源輸入進(jìn)入主電路，經(jīng)主電路連接至變頻器，為變頻器提供工作電源。還包含對(duì)所述主電路進(jìn)行保護(hù)的保護(hù)電路。
還包含對(duì)直線電機(jī)的輸出電流或輸出電壓進(jìn)行監(jiān)視的電流或電壓監(jiān)視電路，
還包含用于補(bǔ)償變頻器輸出的功率因數(shù)補(bǔ)償電路。一種基于權(quán)利要求I的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征是，包含以下步驟
在輸入裝置上輸入直線電機(jī)工作電源頻率或直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的指令，
所述輸入裝置通過(guò)RS232接口將指令傳遞至PLC，
所述PLC經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理的步驟，并通過(guò)RS485接口向變頻器發(fā)出直線電機(jī)工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間指令，
所述變頻器以所述PLC發(fā)出的工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間控制直線電機(jī)做上升、下降運(yùn)動(dòng)。所述PLC運(yùn)算處理的步驟中至少包含以下任一步驟
步驟a :根據(jù)需要控制的直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間或工作電源頻率的步驟； 步驟b =PLC實(shí)時(shí)采集變頻器對(duì)直線電機(jī)輸出的控制電流、功率或扭矩，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，除直線電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間段，其余運(yùn)行階段，若電流、功率或扭矩突然增加，則PLC 向變頻器輸出指令，控制直線電機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向的步驟。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果
本發(fā)明的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法中，提出了一種全新的控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離的控制系統(tǒng)和控制方法，取消限位開關(guān)、傳感器等檢測(cè)、傳遞直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)的部件，僅通過(guò)控制直流電機(jī)工作電源頻率或運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的位移精確控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)在井下深度為l_3km位置處的直線電機(jī)的精確控制，直線電機(jī)有效驅(qū)動(dòng)距離可達(dá)I. 2m。井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不但可以采用380V工業(yè)用交流電，而且可以采用較大的660V-2000V交流電做為供電電源，減少電能損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離的井下直線電機(jī)的供電需求。


圖I是本發(fā)明的應(yīng)用示意圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖3是圖I中的PLC的連接示意圖4是圖I中變頻器的連接示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖I所示，為本發(fā)明的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)在井下深度為l_3km位置處的直線電機(jī)的精確控制，本實(shí)施例中僅以應(yīng)用于一井下2km的井下直線電機(jī)抽油泵直線電機(jī)的控制為例進(jìn)行說(shuō)明。由遠(yuǎn)距離高壓輸電線路I傳送的電能經(jīng)降壓變壓器2降壓后進(jìn)入本發(fā)明的控制系統(tǒng)3中，經(jīng)本發(fā)明的控制系統(tǒng)3輸出后可根據(jù)電壓等級(jí)的需要經(jīng)一升壓變壓器4 升壓后控制井下直線電機(jī)抽油泵5直線電機(jī)MOTOR的運(yùn)動(dòng)。如圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含PLC (可編程控制器)、變頻器VFD、觸摸屏HMI，觸摸屏HMI通過(guò)RS232接口與PLC連接通訊，PLC通過(guò)RS485接口與變頻器VFD連接通訊，由變頻器控制直線電機(jī)的上升、下降運(yùn)動(dòng)。觸摸屏HMI同時(shí)可兼做顯示器，用于運(yùn)行狀態(tài)顯示和報(bào)警顯示。PLC通過(guò)控制電路控制變頻器，再由變頻器經(jīng)多功能端子與電機(jī)連接，從而控制電機(jī)上升、下降運(yùn)動(dòng)。PLC還與一報(bào)警顯示電路連接，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)異?；虺^(guò)設(shè)定的上/ 下限值時(shí)，報(bào)警顯示電路將異常信息傳遞至PLC，由PLC控制將此報(bào)警信息發(fā)送至顯示器或其他聲、光、電報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警顯示或提示。井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主電源輸入進(jìn)入主電路，經(jīng)主電路連接至變頻器 VFD，為變頻器提供工作電源。還包含對(duì)主電路進(jìn)行保護(hù)的保護(hù)電路和啟動(dòng)電路。還包含對(duì)直線電機(jī)的輸出電流、輸出電壓進(jìn)行監(jiān)視的電流/電壓監(jiān)視電路，和用于補(bǔ)償輸出的功率因數(shù)補(bǔ)償電路。如圖3所示，本實(shí)施例中井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主電源輸入采用的是380V三相工業(yè)交流電，在其他實(shí)施例中可以采用660V或更高電壓等級(jí)的交流電源，通過(guò)變壓器變換為380V即可。本實(shí)施例中，井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主體設(shè)置于地面上的控制室中， 直線電機(jī)設(shè)置在位于地下2km的油井中。直線電機(jī)功率為32KW，為了增加系統(tǒng)安全性，變頻器功率選擇大于直線電機(jī)功率，變頻器功率為45KW。380V、50HZ交流電經(jīng)空氣開關(guān)QL1、熱繼電器FR等保護(hù)電路后輸入至變頻器VFD， 為其提供工作電源。220V相電壓經(jīng)一開關(guān)按鈕SBl、空氣開關(guān)QL2、空氣開關(guān)QL3后輸入至 PLC，為PLC提供工作電源。220V相電壓同時(shí)經(jīng)一交直流變換電路DC POWER SUPPLY，由220V 交流電變換為24V直流電，為觸摸屏HMI提供工作電源。24V直流電源與觸摸屏HMI之間設(shè)置有熔斷器FUl、FU2等保護(hù)電路，還設(shè)置有用于電源指示的指示燈LI。PLC通過(guò)RS232接口與觸摸屏HMI連接通訊，通過(guò)RS485接口與變頻器VFD連接通訊。如圖4所示，變頻器VFD與電機(jī)MOTOR之間的每相電路中，分別設(shè)置一個(gè)電流表 Al、A2、A3，用于對(duì)電路中三相電流的監(jiān)測(cè)。變頻器VFD與電機(jī)MOTOR之間還設(shè)置電抗器 REACTOR,用于限流濾波、改善系統(tǒng)無(wú)功功率等。為提高直流電機(jī)的制動(dòng)性，變頻器VFD還與一制動(dòng)單元電路連接，制動(dòng)單元電路中設(shè)有制動(dòng)電阻Rl。井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法，包含的步驟為在觸摸屏HMI上輸入直流電機(jī)工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間的指令，觸摸屏HMI通過(guò)RS232接口將指令傳遞至PLC，PLC經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理的步驟，并通過(guò)RS485接口向變頻器發(fā)出調(diào)整工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間指令，變頻器以PLC發(fā)出的工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間控制直線電機(jī)做上升、下降運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明通過(guò)理論分析與推導(dǎo)，并經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離等效為與工作電源頻率、運(yùn)動(dòng)時(shí)間成正比，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)其工作電源頻率及運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)控制調(diào)節(jié)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離。以觸摸屏HMI新輸入一設(shè)定頻率值如6HZ的指令為例，PLC通過(guò)RS232接口接收到輸入的頻率值信號(hào)，并將此需要修改頻率的操作指令通過(guò)RS485接口發(fā)送給變頻器VFD， 變頻器VFD執(zhí)行此操作指令，將直線電機(jī)的工作電源頻率調(diào)節(jié)至新輸入的設(shè)定頻率，從而改變調(diào)節(jié)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離。上述控制過(guò)程為一開環(huán)控制過(guò)程，理論上完全可以達(dá)到高精度的控制直線電機(jī)的位移，但因井下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，許多時(shí)變因素影響控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，各油井環(huán)境條件均不相同，即使是同一口油井其環(huán)境也包含許多時(shí)變量，影響直線電機(jī)的控制精度。為改善控制效果，在上述方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，使控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。改進(jìn)的技術(shù)方案為
在直線電機(jī)上依托其自身結(jié)構(gòu)設(shè)置一限制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)最大位移的限位結(jié)構(gòu)，限位結(jié)構(gòu)為無(wú)信號(hào)輸出的機(jī)械結(jié)構(gòu)，僅為用來(lái)阻擋直線電機(jī)最大位移的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如緩沖器等。直線電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中碰觸到限位裝置時(shí)，受到限位裝置的阻擋，直線電機(jī)輸出的電流、功率或扭矩值則因阻力增加會(huì)發(fā)生突然變化。因此，對(duì)PLC中的控制算法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，增加實(shí)時(shí)采集變頻器對(duì)直線電機(jī)輸出的控制電流、功率或扭矩的步驟，PLC將采集的直線電機(jī)的電流、功率或扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并避讓開直線電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)(因直線電機(jī)啟動(dòng)時(shí)其電流、功率或扭矩也發(fā)生突然變化)，其余運(yùn)動(dòng)階段，若電流、功率或扭矩突然增加， 則判斷直線電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中碰觸到限位結(jié)構(gòu)，已達(dá)到最大位移，并由PLC向變頻器輸出指令，控制直線電機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中，變頻器以位置控制模式運(yùn)行時(shí)，都需要依靠編碼器或傳感器采集信號(hào)，并反饋回PLC，為其提供位置信號(hào)，以便PLC根據(jù)反饋回的信號(hào)判斷電機(jī)是否運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，并進(jìn)一步控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向。但是，對(duì)于石油開采領(lǐng)域，井下環(huán)境惡劣，編碼器、傳感器等在井下惡劣環(huán)境下難以準(zhǔn)確采集、傳遞信號(hào)，使直線電機(jī)的控制難度增加。 本實(shí)施方式中，不需要傳遞電信號(hào)的編碼器或傳感器，只需由PLC采集變頻器的輸出，從而控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)位移在機(jī)械的限位結(jié)構(gòu)限定的范圍內(nèi)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，包含 PLC,通過(guò)RS232接口與所述PLC連接通訊、并接收外部輸入的設(shè)置直線電機(jī)工作電源頻率指令的輸入裝置，通過(guò)RS485接口與所述PLC連接通訊的變頻器，所述變頻器以PLC發(fā)出的工作電源頻率、運(yùn)行時(shí)間控制直線電機(jī)做上升、下降運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，所述輸入裝置為觸摸屏。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，所述PLC經(jīng)一控制電路與所述變頻器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，所述PLC與一報(bào)警顯示電路連接，所述報(bào)警顯示電路將信息傳遞至所述PLC，由所述PLC控制將此報(bào)警信息發(fā)送至顯示器或報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，主電源輸入進(jìn)入主電路，經(jīng)主電路連接至變頻器，為變頻器提供工作電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，還包含對(duì)所述主電路進(jìn)行保護(hù)的保護(hù)電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，還包含對(duì)直線電機(jī)的輸出電流或輸出電壓進(jìn)行監(jiān)視的電流或電壓監(jiān)視電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是，還包含用于補(bǔ)償變頻器輸出的功率因數(shù)補(bǔ)償電路。
9.一種基于權(quán)利要求I的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征是，包含以下步驟在輸入裝置上輸入直線電機(jī)工作電源頻率或直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的指令，所述輸入裝置通過(guò)RS232接口將指令傳遞至PLC，所述PLC經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理的步驟，并通過(guò)RS485接口向變頻器發(fā)出直線電機(jī)工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間指令，所述變頻器以所述PLC發(fā)出的工作電源頻率或運(yùn)行時(shí)間控制直線電機(jī)做上升、下降運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征是，所述PLC運(yùn)算處理的步驟中至少包含以下任一步驟步驟a :根據(jù)需要控制的直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間或工作電源頻率的步驟； 步驟b =PLC實(shí)時(shí)采集變頻器對(duì)直線電機(jī)輸出的控制電流、功率或扭矩，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，除直線電機(jī)啟動(dòng)階段，其余運(yùn)行階段，若電流、功率或扭矩突然增加，則PLC向變頻器輸出指令，控制直線電機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制方法中，提出了一種全新的控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離的控制系統(tǒng)和控制方法，取消限位開關(guān)、傳感器等檢測(cè)、傳遞直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)的部件，僅通過(guò)控制直流電機(jī)工作電源頻率或運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的位移精確控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)在井下深度為1-3km位置處的直線電機(jī)的精確控制，直線電機(jī)有效驅(qū)動(dòng)距離可達(dá)1.2m。井下直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不但可以采用380V工業(yè)用交流電，而且可以采用較大的660V-2000V交流電做為供電電源，減少電能損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離的井下直線電機(jī)的供電需求。
文檔編號(hào)H02P27/04GK102594256SQ201210044529
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者馬建東 申請(qǐng)人:司捷易蘭姆布斯控制科技(蘇州)有限公司