基于机理分析的抽油机动态建模及控制

论文摘要

游梁式抽油机是最常见的有杆采油机械,由于其结构简单,能适应野外恶劣天气,便于维护,能长时间运转,依旧广泛应用于各大油田。但其能耗大、效率低的缺点至今仍没有很好的解决。无论是以水换油还是以电驱油,都造成了能源的浪费,因此针对游梁式抽油机节能降耗问题的研究显得十分重要。本文分析了游梁式抽油机的运动规律,并对其四连杆机构进行精确分析和仿真研究。在此基础上,结合游梁式抽油机的悬点动、静载荷,曲柄扭矩等,计算出游梁式抽油机的等效力矩和等效转动惯量,得到系统的等效动力学模型。在施耐德电气平台上,通过Unity Pro软件、PLC和变频器实现对游梁式抽油机实验装置的转速控制,分析了产液量、悬点峰值载荷、电机输出功率和电机频率之间的关系,设计通过泵充满度进行动态反馈控制电机转速的节能方案。通过变频器实现对电机的软启动和无级调速,可以有效保护电机,延长其使用寿命。在Unity Pro中实现了对转速的PID控制和操作员屏幕组态,再结合人机界面工程软件Vijeo Designer实现触摸屏画面的组态,通过将工程下载到单个或多个目标机器中,可在触摸屏上直接进行操作,简单方便。本实验充分利用中国石油大学(华东)——施耐德联合电气实验室的现有装置,通过以太网连接,实现上位机、PLC、变频器和触摸屏之间的交互式通信。结合游梁式抽油机实验装置,进行节能问题的研究和控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 课题研究目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 游梁式抽油机技术发展
• 2.1 有杆抽油技术装备发展现状与趋势
• 2.2 游梁式抽油机的工作原理
• 2.2.1 游梁式抽油机的结构和基本参数
• 2.2.2 游梁式抽油机平衡原理
• 2.3 游梁式抽油机技术发展方向
• 2.3.1 常规游梁式抽油机的特点和存在的问题
• 2.3.2 游梁式抽油机技术发展方向
• 2.4 本章小结
• 第3章 游梁式抽油机等效动力学模型
• 3.1 游梁式抽油机运动规律分析
• 3.2 游梁式抽油机的动态特性
• 3.2.1 抽油机的悬点载荷计算
• 3.2.2 抽油机机构的等效力矩
• 3.2.3 抽油机构等效转动惯量
• 3.2.4 抽油系统等效动力学模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 可编程逻辑控制器PLC
• 4.1 可编程控制器概述
• 4.2 可编程控制器的组成及工作原理
• 4.2.1 可编程控制器的控制系统
• 4.2.2 PLC的基本组成
• 4.3 PLC的工作过程
• 4.4 本章小结
• 第5章 抽油装置节能控制方案实验研究和设计
• 5.1 抽油机实验装置介绍及软硬件组成
• 5.1.1 抽油机整体实验装置
• 5.1.2 Modicon M340
• 5.1.3 Unity Pro编程软件
• 5.1.4 变频器ATV71
• 5.2 Modicon M340 通讯
• 5.2.1 PLC网络简介
• 5.2.2 Modicon M340 与ATV71 的以太网通讯
• 5.3 PID控制器在抽油机实验装置的应用
• 5.3.1 数字PID控制算式
• 5.3.2 Unity Pro 中的PID控制器
• 5.4 节能控制方案设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 抽油机实验装置人机界面
• 6.1 人机界面组成
• 6.1.1 触摸屏XBTGT5230
• 6.1.2 Vijeo Designer
• 6.1.3 SCADA系统监控组态软件Vijeo Citect
• 6.2 人机界面通讯
• 6.2.1 Vijeo-Designer配置
• 6.2.2 人机界面画面组态
• 6.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢