无游梁长冲程抽油机控制系统PLC设计报告Word文件下载.docx

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5.2程序设计8

6.系统调试10

6.1运行调试10

6.2运行中自动复位调试10

6.3自检调试10

8.系统操作说明书10

无游梁长冲程抽油机控制系统设计报告

1.项目背景、目的及意义

1.1背景：

世界石油资源开发至今，机械采油方式仍占有主导地位，而有杆抽油机井又占机械采油井的90%以上。

就目前国内油田而言,在机械采油井中,游梁抽油机仍为主要机型。

它以结构简单、使用维护简便、宜于在全天候状态下工作等优点而被广泛应用。

然而，常规游梁式抽油机冲程短，冲次快，而且冲程不可调，载荷小，能耗大,不能适应油井深抽工艺的需要,已成为困扰油田生产及增效节支的一大问题。

长冲程抽油机具有较好的抽油性能，能提高产量、降低采油成本、提高经济效益等优点，是抽油机发展的主流和方向。

1.2目的：

无游梁长冲程抽油机控制系统采用可编程控制器（PLC）为控制核心，通过控制变频器实现电动机正反转的直接驱动方案，有效简化了机械结构，大大提高了总体效率。

利用PLC实现长冲程、低冲次，冲程、冲次、上下行速比可调、节能、大载荷和适应性强、可靠性高等特点。

本次设计试验的目的就是以PLC为核心，设计编写无游梁长冲程抽油机控制系统的程序。

1.3意义：

无游梁长冲程抽油机是一种无游梁式塔架结构长冲程抽油机，没有游梁、不采用曲柄连杆机构换向,不采用增大冲程机构,利用抽油机本身的机构特性,实现长冲程抽油和超长冲程抽油。

除了保持游梁抽油机原有的诸多优点外，还具有长冲程、低冲次、节能、大载荷、适应性强、抽油杆磨损小、排量稳定、动载荷小等特点。

采用电动机直接驱动滚筒缠绕或放开皮带实现抽油杆的上下抽油运动，克服了链条式抽油机链条易磨损需润滑密封等问题，也解决了机械换向和液压换向抽油机换向机构易损坏的问题，具有传动结构简单，效率高，系统可靠性高的优点。

2.系统需求及功能分析

（1）变频器参数设置及启动/停止，正/反转控制，点动控制；

（2）电磁抱闸控制，在电动机旋转时解开抱闸，停止时刹车抱闸；

（3）运行时，变频器按照电动机运行曲线控制电动机运行频率；

（4）在悬点负载/配重超出行程范围时进行保护；

（5）运行时，运行指示，故障时报警指示；

（6）行程重新定位功能，在每次冲程开始时重新回到零位，消除行程累计误差；

（7）自动归零，按下运行按钮，配重自动回到零位；

（优化功能）

（8）自检，可以自动检测系统传感器是否正常；

3.方案设计、系统选型

3.1方案设计

使用变频器控制电机，以达成令电机按照要求的运行曲线调整转速，并且利用变频器的点动控制功能来完成电机的点动动作。

使用PLC控制整个系统，通过顺序逻辑控制、计时器、变频器控制、模拟量输入、输出完成对抽油机模型往复运动实现抽油的功能。

无游梁长冲程抽油机模型与实际系统的机械结构相同，包括电动机、电控刹车、滚筒、皮带、换向轮、零位开关、软件及硬件行程开关，利用汽缸和活塞真实地模拟了井下的负载。

控制上通过面板上的停止、运行、自检、点动上下按钮以及零位光电开关、上下软行程开关来进行数字量输入，数字量输出包括电控刹车控制继电器，停止、运行、自检指示灯以及变频器的正反转、点动正反转控制。

模拟量均采用0~10V的电压，包括控制变频器频率输出以及变频器反馈电流。

系统的硬件保护包括上下硬行程开关以及电控刹车，当系统运行出现故障时抱死电机，当配重超出行程范围时自动切断系统电源。

3.2选择I/O模块的数量及类型

本次试验需要数字量的输入和输出，以及控制变频器的模拟量输入和输出，因此需要数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块共四个I/O模块。

数字量输入模块：

1756-IB16I

数字量输出模块：

1756-OB16E

模拟量输入模块：

1756-IF8

模拟量输出模块：

1756-OF8

3.2.1选择网络数量及类型

本实验通过计算机以太网卡与PLC的EtherNet（EtherNet/IP）相连，具体选型为：

网络模块：

1756-ENBT

3.2.2选择控制器数量及适当的内存容量

本实验选用控制器：

1756-L1Logix5550

3.2.3在同一个框架中配置通讯网桥模块、控制器及I/O、安插模块

1756-L1：

0槽

1756-PA72C：

1槽

1756-IB16I：

4槽

1756-OB16E：

5槽

1756-IF8：

6槽

1756-OF8：

7槽

电源选用1756-PA72/C

框架选用1756-A10/A

3.3变频器选型

本实验选用罗克韦尔自动化PowerFlex70驱动器，具体型号为：

20AC2P1A0AYNANC0。

3.4其它器件选型

根据方案设计，本实验控制系统还需要以下器件：

按钮5个，其中包括停止、运行、自检按钮，以及点动上、点动下按钮，均不带自锁。

运行、自检按钮应互有颜色上的区别，与各自指示灯对应。

指示灯3个，其中包括故障、运行、自检指示灯，其中运行、自检指示灯互有颜色上的区别，与各自按钮对应，故障指示灯作为警示标志，应采用红色。

光电开关1个，作为零位检测开关。

行程开关4个，两两一组，分别作上行程开关组、下行程开关组，每组包括软硬行程开关。

4.系统连线设计、接线

4.1PLCI/O连接设计

4.1.1数字量输入

各种按钮和传感器连接到1756-IB16I模块上。

（1）停止按钮常闭触点连接到In8通道（接点17）上；

（2）运行按钮常开触点连接到In9通道（接点19）上；

（3）自检按钮常开触点连接到In10通道（接点21）上；

（4）点动上按钮常开触点连接到In11通道（接点23）上；

（5）点动下按钮常开触点连接到In12通道（接点25）上；

（6）配重下行程开关常闭触点连接到In13通道（接点27）上；

（7）配重上行程开关常闭触点连接到In14通道（接点29）上；

（8）零位开关常闭触点连接到In15通道（接点31）上。

4.1.2数字量输出

指示灯、电磁刹车及变频器通过1756-OB16E模块进行控制。

（1）电磁刹车继电器由Out8通道（接点11）控制；

（2）故障指示灯连接到Out9通道（接点12）上；

（3）运行指示灯连接到Out10通道（接点13）上；

（4）自检指示灯连接到Out11通道（接点14）上；

（5）变频器正转运行（Out4）由Out12通道（接点15）控制；

（6）变频器反转运行（Out5）由Out13通道（接点16）控制；

（7）变频器点动正转（Out6）由Out14通道（接点17）控制；

（8）变频器点动反转（Out7）由Out15通道（接点18）控制。

4.1.3模拟量输入

变频器电流反馈连接到1756-IF8的电压输入2通道上。

（1）VIO连接到In4接点（接点12）上；

（2）VICOM连接到In5接点（接点14）上。

4.1.4模拟量输出

变频器频率控制连接到1756-OF8的电压输出2通道上。

（1）VOO连接到Vout-2接点（接点11）上；

（2）VOCOM连接到RTN接点（接点15）上。

4.2变频器连接设计

4.2.1数字量输入

变频器正转运行（Out4）连接到变频器数字量通道1（接点1）上；

变频器反转运行（Out5）连接到变频器数字量通道2（接点2）上；

变频器点动正转（Out6）连接到变频器数字量通道3（接点3）上；

变频器点动反转（Out7）连接到变频器数字量通道4（接点4）上。

4.2.2模拟量输入

PLC控制输入为0~10V模拟量；

VOO连接到变频器模拟量输入通道1正电压接点（接点15）上；

VOCOM连接到变频器模拟量输入通道1负电压接点（接点14）上。

4.2.3模拟量输出

PLC反馈输出为0~10V模拟量；

VIO连接到变频器模拟量输出通道正电压接点（接点23）上；

VICOM连接到变频器模拟量输出通道公共端接点（接点22）上。

4.3其它连接设计

根据设计方案，系统电气接线要求如下：

（1）三相电源经空气开关1接至变频器；

（2）接入变频器的线路其中一相经空气开关2接至PLC-L；

（3）三相电源其中一相经空气开关3接至电磁刹车输入端；

（4）电磁刹车继电器由PLC的Out8通道控制，与空气开关3并联；

（5）上、下硬行程开关常闭接点以及保护继电器的线圈串联至三相电源一相上；

（6）保护继电器触点串在空气开关1与变频器之间；

（7）变频器三相输出端接至三相异步笼型电机；

（8）电磁刹车输入端经晶体管整流接至电磁刹车；

（9）各按钮以及开关输入共阳极连接；

（10）各指示灯以及电磁刹车继电器共阴极连接；

（11）其余各接地、接中性线位置正确连接。

4.4接线图

电气接线图如下：

5.系统构建、编程

5.1系统构建

5.1.1通信配置

利用RSLinx软件进行驱动配置，选择EthernetDevices，命名为AB_ETH-1，地址为10.2.0.106。

确认完成配置后，打开监视确认各个模块型号版本。

5.1.2建立项目

打开RSLogix5000软件，新建工程，选择控制器为1756-L1Logix5550，版本号为12（RSLinx显示版本号12.28，RSLogix设置后默认为12.27），位置为0槽。

5.1.3I/O配置

在已经建立的工程中，右键I/OConfguration，按照上述设计添加I/O模块，按照不同模块版本号完成设定：

1756-IB16I，版本号2.1，位置为4槽，其余默认。

1756-OB16E，版本号2.4，位置为5槽，其余默认。

1756-IF8，版本号1.5，位置为6槽，使能通道2，输入范围为0~10V，模拟量0~10V对应工程量为0~1.7（单位：

A），其余默认。

1756-OF8，版本号1.5，位置为7槽，使能通道2，输出范围-10~+10V，模拟量0~+10V对应工程量为0~50（单位：

Hz），工程量上下限值为0~50，其余默认。

5.2程序设计

根据实际要求，将程序分成3个部分：

（1）主程序：

用于实现主要功能，包括相应按钮的自锁，电动机点动正反转，电磁刹车的解抱闸，系统故障出现时的亮灯与解除，系统停止；

（2）运行子程序：

用于令电机按照规定运行曲线往复运行，以及相应的附加功能；

（3）自检子程序：

用于令电机按照要求检测上下行程开关以及光电开关是否正常运作。

5.2.1主程序设计

考虑到运行与自检按钮均为点动按钮，因此在两行语句中分别加入自锁结构，实现松开按钮后的持续亮灯并成功跳转进入子程序。

当运行子程序和自检子程序运行时，电机运转，此时电磁刹车应该解抱闸，同样的，在点动正反转输出时，电磁刹车也应该解抱闸，故设定并联条件控制电磁刹车输出，当任意一条满足时，电磁刹车解抱闸。

在配重到达下行程开关之前，电动机点动正转有效，由于行程开关为常闭节点，故将点动正转（点动上）按钮输入与配重下行程开关串接，控制变频器正转输出。

考虑到子程序可能使用点动命令，在点动正转按钮输入处并联一个中间量，定义为程序控制点动正转。

同样地，对电动机点动反转进行上述编程。

当按下停止按钮时，停止全部程序，并且清零所有会导致停止按钮松开后使程序继续运行的标志位，以及所有会导致下一次启动不正常的标志位，使正反转以及点动运行全部停止，熄灭各指示灯，电机抱闸，实现完全的复位。

将清零各标志的语句并联做输出，串接在停止按钮按下的非这一判断条件后。

至此，主程序应有的功能设计完毕，检测各行无错误，跳转子程序可以在子程序中先使用指示灯检测。

确保成功跳转后，开始编写子程序。

5.2.2运行子程序设计

当按下运行按钮后，进入运行子程序，立即跳入第一次运行子程序。

设定单脉冲指令，进入该子程序后，标志第一次运行，标志正转，此后在系统停止之前再次按下运行按钮无效。

首先考虑运行开始前的情况，如果配重不在零位开关位置，则需要自动回归零位之后再开始运行。

运行子程序规定每次定时器计时时间为80秒，目的是给自动复位的过程尽可能长的时间，保证复位的完成。

其中，0~30秒为上电复位阶段，这一时间内配重向上运行直至回到初始位置触发光电开关为止。

30~50秒为正转过程，3秒加速，3秒减速，最大频率为20赫兹。

50~70秒为反转过程，3秒加速，3秒减速，最大频率为20赫兹。

70~80秒的时间为返回复位时间。

这一期间配重继续向上运行直至触发光电开关为止。

这一时间是为了防止负载返回时出现返回位移不足的问题，从而校正了误差。

每次运行返回时都要触发光电开关以确保回到初始位置，触发光电开关后对定时器重新赋值30000，从30秒处执行，如此反复。

因为实际频率数值较小，采用大整数（双字）进行基值计算，再除以频率因数获得实型数频率模拟量输出。

当系统在运行时出现碰上下行程开关，或者自检时光电开关无效，或者运行反馈电流过大时，系统提示故障，点亮故障指示灯，故障灯具有自锁功能。

当停止按钮按下后，故障灯熄灭，系统复位。

故并联故障条件，并注意各条件的先决情况，再加上自锁语句，去自锁命令为串联停止按钮输入。

当系统出现故障时，立即停止当前程序运行，并且抱闸防止配重误动作，并且清零所有会导致故障灯熄灭后使程序继续运行的标志位。

将清零各标志的语句并联做输出，串接在故障指示灯亮这一判断条件后。

至此，运行子程序基本设计完毕，启动程序检测，注意防止频率设置错误导致电机高速运行。

5.2.3自检子程序设计

自检过程设计为先下行触发下行程开关，再上行经过光电开关，之后触发上行程开关，随后再次经过光电开关后停止。

在上下软行程开关失效时硬保护启动，系统将断电，可以明显分辨故障。

如果经过光电开关后正常停止，则证明光电开关工作正常，反之光电开关失效。

为了防止检测时出现意外触发，设定上下行程开关检测标志，令系统按照顺序检测各个元件。

上下运转均使用这两个状态检测标志作为正反转标志。

设定单脉冲指令，进入自检子程序后，清零三个开关检测标志，标志正转，此后在系统停止之前再次按下自检按钮无效。

当自检指示灯亮时，自检程序有效：

首先正反转标志清零，由于控制正反转的开关一个是常开一个是常闭，因此都为0时正转有效，配重下行。

当下行程开关触发后，置位正反转标志，配重上行。

随后触发上行程开关时，再次清零两个标志位，配重下行。

经过光电开关后停止，则光电开关检测完毕，自检指示灯熄灭。

启动程序检测，注意三个开关触发顺序对程序结果的影响，以及是否存在输出条件的冲突冲突。

6.系统调试

6.1运行调试：

将程序下载到处理器中，调到运行状态。

点击运行按钮，抽油机自动复位后开始运行，运行指示灯亮。

自动复位后，抽油杆先经过三秒加速频率达到20Hz，匀速运行14秒后开始减速，3秒后减速至0Hz。

随后以相同的过程返回。

6.2运行中自动复位调试：

第二次向下运行过了零位开关时，手动断开零位开关一次，观察配重返回时是否会回到初始位置。

经过观察，每次配重均自动返回初始位置，直至触发零位开关后，开始下一次运行。

6.3自检调试：

系统停止后，按下自检按钮，自检指示灯点亮，配重以10Hz的频率先向下运行，观察配重触碰下行程开关后是否反向，如不反向则程序错误。

配重反向运行后观察其触碰上行程开关后是否反向，如不反向则程序错误。

反向后观察配重经过光电开关是否停止，如不停止则程序错误，停止且自检指示灯熄灭则自检程序调试完毕。

6.4停止按钮调试：

运行中按下停止按钮，程序停止运行，电机抱闸，运行指示灯熄灭。

自检过程中按下停止按钮，程序停止运行，电机抱闸，自检指示灯熄灭。

6.5故障程序调试：

运行途中触碰上（下）行程开关，程序、变频器停止运行，电机抱闸，运行指示灯熄灭，故障指示灯点亮。

6.6点动运行调试：

停止状态下，按住点动上（下）按钮，抽油杆点动向上（下）运行，松开按钮后停止运行，电机抱闸。

7.项目总结

在老师为我们上完第一节课后，剩余的时间老师都交给我们自己自由上机进行试验了。

说实话，刚开始心里不是很有底，因为刚开始自己什么都不会，只在上学期的实验中接触过两次RSLinx和RSLogix5000，几乎一切都要从零学起。

可是过了几周后我发现，通过这种自学方式，虽然初期会很艰苦，但是一旦明白后就很难忘记，学得比以往更加扎实，现在使用这些软件编程已经轻车熟路了，甚至编程PLC还成为了我每周开始的乐趣。

不得不说这种自学的方式给了我很大的鼓舞，认识到了自己是有潜力的。

当然，这次编程过程中还是遇到了不少的问题的。

首先就是自己考虑的不是很全面，经常以为已经都做的很好了，可是还会出现意想不到的问题。

比如我第一次验收时，自以为该做的都做了，可是老师上来就发现了我的两个漏洞，我之前竟然一点都没有想到。

还有就是我写程序不爱加注释的坏习惯也带到了PLC的编程中，老师也批评了我这一点，以后不论编什么程序，一定要加上注释。

总之，这次编程让我学到了很多，也发现了自己的潜力和不足，对于自己学习上的提高有很大的帮助。

8.系统操作说明书

运行按钮——抽油机抽油杆自动回到初始位置，开始按既定速度曲线往复运行。

（可在运行子程序中更改变频器速度因子调整冲程和速度）

自检按钮——系统自动上电自检，配重先向下运行监测下限位开关，下限位开关监测正常后配重向上运行，监测上限位开关和零位开关。

点动上按钮——抽油杆以10Hz的频率点动向上运行。

点动下按钮——抽油杆以10Hz的频率点动向下运行。

停止按钮——系统停止当前动作，熄灭各指示灯，机器抱闸。

故障——出现配重触碰上（下）形成开关，电流超过变频器额定电流时，系统报错，程序停止运行，电机抱闸，故障指示灯点亮。