专利名称：井下直线电机运动控制系统及其运动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种井下直线电机运动控制系统及其运动控制方法，属于自动化技术领域。
背景技术：
目前石油开采领域所采用的采油方式已经发展为多样化。随着直线电机技术的发展，其中采用直线电机抽油泵由一直线电动机驱动抽油泵杆运动进行采油的方式以其设备简单、管理方式简单等优点被逐渐推广使用。尤其是中国专利井下直线电机抽油泵 (ZL200820218375. 5)对井下直线电机抽油泵结构进行了设计改进，克服了原有井下直线电机抽油泵结构不合理而造成动子卡死、扫膛、磁铁腐蚀、使用寿命短等不足，但对如何控制直线电机抽油泵中直线电机的运动并未提出对策。应用于井下的直线电机其工作环境恶劣，井下压力大，直线电机所带负载大，因此，对直线电机的精确控制提出了更高的要求。现有技术中对直线电机运动的距离进行控制时，一般是通过限位开关、传感器等方式检测传送直线电机运动的位置信号，从而实现对直线电机的位置进行控制。但对于类似专利ZL200820218375. 5井下直线电机抽油泵中的直线电机，一是在井下难以布置限位开关、传感器，二是无法保证限位开关、传感器在井下恶劣环境下其采集或传递信号的准确性。因此，现有技术中难以实现对专利 ZL200820218375. 5井下直线电机抽油泵中的直线电机的运动进行控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种井下直线电机运动控制系统及其运动控制方法，不需要限位开关、传感器等检测、传递直线电机运动位置的信号，可以实现对井下直线电机运动的精确控制。为解决上述技术问题，本发明提供一种井下直线电机运动控制系统，其特征是，包含
PLC,
通过RS232接口与所述PLC连接通讯、并接收外部输入的设置直线电机工作电源频率指令的输入装置，
通过RS485接口与所述PLC连接通讯的变频器，
所述变频器以PLC发出的工作电源频率、运行时间控制直线电机做上升、下降运动。所述输入装置为触摸屏。所述PLC经一控制电路与所述变频器连接。所述PLC与一报警显示电路连接，所述报警显示电路将信息传递至所述PLC，由所述PLC控制将此报警信息发送至显示器或报警装置进行报警显示。主电源输入进入主电路，经主电路连接至变频器，为变频器提供工作电源。还包含对所述主电路进行保护的保护电路。
还包含对直线电机的输出电流或输出电压进行监视的电流或电压监视电路，
还包含用于补偿变频器输出的功率因数补偿电路。一种基于权利要求I的井下直线电机运动控制方法，其特征是，包含以下步骤
在输入装置上输入直线电机工作电源频率或直线电机运行时间的指令，
所述输入装置通过RS232接口将指令传递至PLC，
所述PLC经过运算处理的步骤，并通过RS485接口向变频器发出直线电机工作电源频率或运行时间指令，
所述变频器以所述PLC发出的工作电源频率或运行时间控制直线电机做上升、下降运动。所述PLC运算处理的步骤中至少包含以下任一步骤
步骤a :根据需要控制的直线电机运动距离计算出运行时间或工作电源频率的步骤； 步骤b =PLC实时采集变频器对直线电机输出的控制电流、功率或扭矩，并对采集的数据进行分析，除直线电机启动时间段，其余运行阶段，若电流、功率或扭矩突然增加，则PLC 向变频器输出指令，控制直线电机改变运动方向的步骤。本发明所达到的有益效果
本发明的井下直线电机运动控制系统及其运动控制方法中，提出了一种全新的控制直线电机运动距离的控制系统和控制方法，取消限位开关、传感器等检测、传递直线电机运动位置信号的部件，仅通过控制直流电机工作电源频率或运动时间来实现对直线电机的位移精确控制，可实现对设在井下深度为l_3km位置处的直线电机的精确控制，直线电机有效驱动距离可达I. 2m。井下直线电机运动控制系统不但可以采用380V工业用交流电，而且可以采用较大的660V-2000V交流电做为供电电源，减少电能损耗，实现对远距离的井下直线电机的供电需求。
图I是本发明的应用示意图2是本发明的系统原理框图3是图I中的PLC的连接示意图4是图I中变频器的连接示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图I所示，为本发明的控制系统可实现对设在井下深度为l_3km位置处的直线电机的精确控制，本实施例中仅以应用于一井下2km的井下直线电机抽油泵直线电机的控制为例进行说明。由远距离高压输电线路I传送的电能经降压变压器2降压后进入本发明的控制系统3中，经本发明的控制系统3输出后可根据电压等级的需要经一升压变压器4 升压后控制井下直线电机抽油泵5直线电机MOTOR的运动。如图2、图3和图4所示，本发明的井下直线电机运动控制系统包含PLC (可编程控制器)、变频器VFD、触摸屏HMI，触摸屏HMI通过RS232接口与PLC连接通讯，PLC通过RS485接口与变频器VFD连接通讯，由变频器控制直线电机的上升、下降运动。触摸屏HMI同时可兼做显示器，用于运行状态显示和报警显示。PLC通过控制电路控制变频器，再由变频器经多功能端子与电机连接，从而控制电机上升、下降运动。PLC还与一报警显示电路连接，当系统参数出现异常或超过设定的上/ 下限值时，报警显示电路将异常信息传递至PLC，由PLC控制将此报警信息发送至显示器或其他声、光、电报警装置进行报警显示或提示。井下直线电机运动控制系统中主电源输入进入主电路，经主电路连接至变频器 VFD，为变频器提供工作电源。还包含对主电路进行保护的保护电路和启动电路。还包含对直线电机的输出电流、输出电压进行监视的电流/电压监视电路，和用于补偿输出的功率因数补偿电路。如图3所示，本实施例中井下直线电机运动控制系统主电源输入采用的是380V三相工业交流电，在其他实施例中可以采用660V或更高电压等级的交流电源，通过变压器变换为380V即可。本实施例中，井下直线电机运动控制系统主体设置于地面上的控制室中， 直线电机设置在位于地下2km的油井中。直线电机功率为32KW，为了增加系统安全性，变频器功率选择大于直线电机功率，变频器功率为45KW。380V、50HZ交流电经空气开关QL1、热继电器FR等保护电路后输入至变频器VFD， 为其提供工作电源。220V相电压经一开关按钮SBl、空气开关QL2、空气开关QL3后输入至 PLC，为PLC提供工作电源。220V相电压同时经一交直流变换电路DC POWER SUPPLY，由220V 交流电变换为24V直流电，为触摸屏HMI提供工作电源。24V直流电源与触摸屏HMI之间设置有熔断器FUl、FU2等保护电路，还设置有用于电源指示的指示灯LI。PLC通过RS232接口与触摸屏HMI连接通讯，通过RS485接口与变频器VFD连接通讯。如图4所示，变频器VFD与电机MOTOR之间的每相电路中，分别设置一个电流表 Al、A2、A3，用于对电路中三相电流的监测。变频器VFD与电机MOTOR之间还设置电抗器 REACTOR,用于限流滤波、改善系统无功功率等。为提高直流电机的制动性，变频器VFD还与一制动单元电路连接，制动单元电路中设有制动电阻Rl。井下直线电机运动控制方法，包含的步骤为在触摸屏HMI上输入直流电机工作电源频率或运行时间的指令，触摸屏HMI通过RS232接口将指令传递至PLC，PLC经过运算处理的步骤，并通过RS485接口向变频器发出调整工作电源频率或运行时间指令，变频器以PLC发出的工作电源频率或运行时间控制直线电机做上升、下降运动。本发明通过理论分析与推导，并经反复试验及实验测试，将直线电机运动距离等效为与工作电源频率、运动时间成正比，因此可以通过调节其工作电源频率及运动时间来控制调节直线电机运动的距离。以触摸屏HMI新输入一设定频率值如6HZ的指令为例，PLC通过RS232接口接收到输入的频率值信号，并将此需要修改频率的操作指令通过RS485接口发送给变频器VFD， 变频器VFD执行此操作指令，将直线电机的工作电源频率调节至新输入的设定频率，从而改变调节直线电机运动距离。上述控制过程为一开环控制过程，理论上完全可以达到高精度的控制直线电机的位移，但因井下环境错综复杂，许多时变因素影响控制系统的运动，各油井环境条件均不相同，即使是同一口油井其环境也包含许多时变量，影响直线电机的控制精度。为改善控制效果，在上述方案的基础上，进行了进一步改进，使控制系统形成闭环控制。改进的技术方案为
在直线电机上依托其自身结构设置一限制直线电机运动最大位移的限位结构，限位结构为无信号输出的机械结构，仅为用来阻挡直线电机最大位移的机械结构，如缓冲器等。直线电机运行过程中碰触到限位装置时，受到限位装置的阻挡，直线电机输出的电流、功率或扭矩值则因阻力增加会发生突然变化。因此，对PLC中的控制算法进行了进一步优化，增加实时采集变频器对直线电机输出的控制电流、功率或扭矩的步骤，PLC将采集的直线电机的电流、功率或扭矩数据进行计算处理，并避让开直线电机启动时间段的数据(因直线电机启动时其电流、功率或扭矩也发生突然变化)，其余运动阶段，若电流、功率或扭矩突然增加， 则判断直线电机在运行过程中碰触到限位结构，已达到最大位移，并由PLC向变频器输出指令，控制直线电机改变运动方向。一般闭环控制系统中，变频器以位置控制模式运行时，都需要依靠编码器或传感器采集信号，并反馈回PLC，为其提供位置信号，以便PLC根据反馈回的信号判断电机是否运动到目标位置，并进一步控制电机运动方向。但是，对于石油开采领域，井下环境恶劣，编码器、传感器等在井下恶劣环境下难以准确采集、传递信号，使直线电机的控制难度增加。 本实施方式中，不需要传递电信号的编码器或传感器，只需由PLC采集变频器的输出，从而控制直线电机运动位移在机械的限位结构限定的范围内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种井下直线电机运动控制系统，其特征是，包含 PLC,通过RS232接口与所述PLC连接通讯、并接收外部输入的设置直线电机工作电源频率指令的输入装置，通过RS485接口与所述PLC连接通讯的变频器，所述变频器以PLC发出的工作电源频率、运行时间控制直线电机做上升、下降运动。
2.根据权利要求I所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，所述输入装置为触摸屏。
3.根据权利要求I所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，所述PLC经一控制电路与所述变频器连接。
4.根据权利要求I所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，所述PLC与一报警显示电路连接，所述报警显示电路将信息传递至所述PLC，由所述PLC控制将此报警信息发送至显示器或报警装置进行报警显示。
5.根据权利要求I所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，主电源输入进入主电路，经主电路连接至变频器，为变频器提供工作电源。
6.根据权利要求5所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，还包含对所述主电路进行保护的保护电路。
7.根据权利要求I所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，还包含对直线电机的输出电流或输出电压进行监视的电流或电压监视电路。
8.根据权利要求I所述的井下直线电机运动控制系统，其特征是，还包含用于补偿变频器输出的功率因数补偿电路。
9.一种基于权利要求I的井下直线电机运动控制方法，其特征是，包含以下步骤在输入装置上输入直线电机工作电源频率或直线电机运行时间的指令，所述输入装置通过RS232接口将指令传递至PLC，所述PLC经过运算处理的步骤，并通过RS485接口向变频器发出直线电机工作电源频率或运行时间指令，所述变频器以所述PLC发出的工作电源频率或运行时间控制直线电机做上升、下降运动。
10.根据权利要求9所述的井下直线电机运动控制方法，其特征是，所述PLC运算处理的步骤中至少包含以下任一步骤步骤a :根据需要控制的直线电机运动距离计算出运行时间或工作电源频率的步骤； 步骤b =PLC实时采集变频器对直线电机输出的控制电流、功率或扭矩，并对采集的数据进行分析，除直线电机启动阶段，其余运行阶段，若电流、功率或扭矩突然增加，则PLC向变频器输出指令，控制直线电机改变运动方向的步骤。
全文摘要
本发明的井下直线电机运动控制系统及其运动控制方法中，提出了一种全新的控制直线电机运动距离的控制系统和控制方法，取消限位开关、传感器等检测、传递直线电机运动位置信号的部件，仅通过控制直流电机工作电源频率或运动时间来实现对直线电机的位移精确控制，可实现对设在井下深度为1-3km位置处的直线电机的精确控制，直线电机有效驱动距离可达1.2m。井下直线电机运动控制系统不但可以采用380V工业用交流电，而且可以采用较大的660V-2000V交流电做为供电电源，减少电能损耗，实现对远距离的井下直线电机的供电需求。
文档编号H02P27/04GK102594256SQ201210044529
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者马建东 申请人:司捷易兰姆布斯控制科技(苏州)有限公司