基于PLC的抽油机变频节能控制系统的研究

论文摘要

油田开采原油的方法分为两类：自喷采油法和机械采油法。随着油气资源的不断开采,油田的低产、低能井越来越多,抽油机成了油田地面生产的主要设备。随着油田现场生产的实际需求及采油工艺的改进,抽油机朝着节能、智能、大载荷、长冲程等方向发展。无游梁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,是抽油机发展的主流和方向。据此,本文在实验室环境下研究了无游梁长冲程抽油机变频节能控制系统。首先对系统进行硬件设计与构建。通过分析无游梁长冲程抽油机的机械结构,根据系统要实现的功能和性能指标,提出了抽油机变频节能控制技术,搭建了以Compactlogix L32E PLC为控制器,以无游梁长冲程抽油机模型为被控对象,以PoweFlex40变频器为执行机构,以光电编码器和Micrologix 1200 PLC为检测机构,最终构建了闭环控制系统,实现了抽油机电机变频调速控制。其次对系统进行软件设计。运用RSLinx Classic软件完成系统的通信组态,建立通信通道,RSNetworx软件对EtherNet/IP进行组态和配置,RSLogix5000对控制器进行逻辑编程,RSView32对上位机的人机监控界面进行设计和远程监控,实现了各设备间的相互通讯。最后建立系统的数学模型和实现控制算法。基于理想条件下建立抽油机电机的数学模型,并通过Matlab仿真分析,证明了所得模型的有效性；为实现对抽油机电机转速的精确控制,在系统中加入PID控制、模糊控制和PID与模糊复合控制算法,借助Matlab的Simulink工具选择合适的参数,达到了良好的控制效果。并对三种控制算法的动态性能进行了比较和分析。本文成功的实现了无游梁长冲程抽油机变频节能控制系统的设计。此系统开放灵活,实用价值高,可以将其广泛地应用到实际油田,起到节能作用。此外,该系统的研究也可为现场采油用抽油机的调试提供仿真系统模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的和意义
• 1.2 抽油机及其控制系统的国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 各种抽油机的比较
• 1.2.2 抽油机控制系统的发展现状
• 1.2.3 抽油机的发展趋势
• 1.3 本课题的主要研究工作和内容安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 Rockwell集成架构概述
• 2.1 引言
• 2.2 NetLinx三层网络结构
• 2.2.1 信息层（EtherNet/IP）
• 2.2.2 控制层（ControlNet）
• 2.2.3 设备层（DeviceNet）
• 2.3 Compactlogix系统
• 2.3.1 Compactlogix处理器模块
• 2.3.2 电源及框架
• 2.3.3 Compactlogix I/O模块
• 2.4 Rockwell软件平台
• 2.4.1 RSLinx软件
• 2.4.2 RSLogix5000软件
• 2.4.3 RSNetworx软件
• 2.4.4 RSView32软件
• 2.5 本章小结
• 第3章 抽油机变频节能控制系统总体方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 无游梁长冲程抽油机工作原理
• 3.2.1 无游梁长冲程抽油机的结构
• 3.2.2 无游梁长冲程抽油机的工作原理
• 3.3 抽油机驱动交流电机变频调速原理及优势
• 3.3.1 交流电机变频调速的原理
• 3.3.2 交流电机变频调速的优势
• 3.4 抽油机变频节能控制系统的技术指标要求
• 3.5 抽油机变频节能控制系统的总体方案设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 抽油机变频控制系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 PLC硬件总体设计
• 4.3 Rockwell自动化平台各硬件支撑
• 4.3.1 控制器
• 4.3.2 执行机构
• 4.3.3 检测机构
• 4.3.4 监控设备
• 4.4 本章小结
• 第5章 抽油机变频控制系统软件设计与系统调试
• 5.1 引言
• 5.2 PLC软件总体设计
• 5.3 Rockwell自动化平台各软件支撑
• 5.3.1 建立通讯驱动
• 5.3.2 网络组态
• 5.3.3 程序编程
• 5.3.4 人机界面
• 5.4 抽油机变频节能控制系统软硬件调试
• 5.5 本章小结
• 第6章 抽油机用的异步电机建模、仿真与算法实现
• 6.1 引言
• 6.2 系统建模
• 6.3 PID控制
• 6.3.1 PID控制原理
• 6.3.2 系统PID控制的Simulink仿真与实现
• 6.4 模糊控制
• 6.4.1 模糊控制原理
• 6.4.2 系统模糊控制的Simulink仿真与实现
• 6.5 PID与模糊复合控制
• 6.5.1 PID与模糊复合控制原理
• 6.5.2 系统PID与模糊复合控制的Simulink仿真与实现
• 6.6 三种控制算法比较
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步研究的工作和方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果