一种PLC控制的中频电加热采油装置的制作方法

本实用新型涉及一种PLC控制的中频电加热采油装置，尤其涉及一种用于空心杆抽油的中频电加热采油装置。

背景技术：

我国部分油田是属于稠油或高凝油。二十世纪90年代兴起的“空心抽油杆电加热技术”从某种程度上降低了稠油开采的难度。基本原理是通过向空心杆内孔下入整体专用电缆，经终端器使电缆和空心杆内壁构成回路，加单相工频交流电，加热电压350～700V分段可调，由于频率比较低，主要通过加热电缆和被加热的空心抽油杆对稠油和高凝油的热传导实现加热降粘。从生产的角度看，该项技术在当时起到了非常重要的作用，提高了采集稠油的效率，降低了开采成本。

但该技术在应用中存在着一些明显的不足：

(1)加热效率不高。空心抽油杆单相工频加热技术与其他各种物理加热技术相比，确实具有较高的效率。但是工频频率低，集肤效应差，实际上主要是利用阻抗加热稠油，感应的涡流效应并不显著，因此加热效率较低，耗电非常严重，每口井每天耗电在1500～2000kW·h。

(2)对电网造成的影响大。由于该项技术采用单相交流电加热，实用功率一般为抽油机实用功率的3～4倍。将比例如此悬殊的两种负载接在同一三相电网中运行，显然会导致三相配电系统的不平衡。

(3)设备有效容量的利用率低。设备有效容量利用率是指设备的额定容量的实际利用率。单相工频加热装置变压器至少为120kW，抽油机电机配电变压器为100kW，设备总容量为220kW。可见，单相工频加热装置的设备有效容量利用率仅为40％左右。

(4)操作不方便。工频加热电源是利用工频移相叠加的方式，通过改变变压器绕组抽头来调节输出功率，功率调节不能连续；电压等级分接头的更换必须由专门的人员操作。

综合上述缺点，需要一种能够提高加热效率，并且对电网没有不良影响的安全方式方法。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种PLC控制的中频电加热采油装置，提高加热效率，电网没有不良影响。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种PLC控制的中频电加热采油装置，包括交-直-交变频电路、检测与保护控制单元、PLC控制单元、隔离驱动单元、通讯单元、触摸屏显示操作单元，PLC控制单元为控制核心，PLC控制单元和检测与保护控制单元、隔离驱动单元、通讯单元、触摸屏显示操作单元相连接；

所述的交-直-交变频电路包括不控整流单元、滤波稳压单元、PWM逆变单元，不控整流单元、滤波稳压单元、PWM逆变单元依次连接后与隔离驱动单元相连接；

所述的检测与保护控制单元包括电压检测、电流检测、温度检测，电压检测对经滤波稳压单元后的直流侧进行实时监测，并将检测信号发送到PLC控制单元；电流检测对经滤波稳压单元后的直流侧与经PWM逆变单元后的交流侧均进行实时监测，并将检测信号发送到PLC控制单元；温度检测与负载相连接，对负载的温度进行监测，并将检测信号发送到PLC控制单元；

所述的隔离驱动单元前侧与交-直-交变频电路的PWM逆变单元相连接，后侧与负载相连接。

所述的通讯单元为有线通讯和无线通讯，PLC控制单元通过工业以太网或无线WIFI与上位机相连接。

所述的触摸屏显示操作单元通过RS485接口与PLC控制单元相连接。

所述的PLC控制单元的核心元件为S7-200SMART系列PLC控制器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

结构紧凑，集成度较高，提高了电源效率，节能降耗，降低了生产成本，安全性好，可靠性高，变频效率高，对电网无不良影响，充分提高设备有效利用率。西门子公司的S7-200SMART系列PLC控制器是具有高速脉冲功能、通讯功能、数字量模拟量输入输出功能、扩展功能的可编程逻辑控制器。中频加热电源采用交-直-交变频逆变技术，输入侧为三相不可控整流、LC滤波，克服了电源三相负载不平衡问题，提高了进线功率因数，对电网波形和平衡度均无不良影响。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是PLC脉冲发生图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型进行详细地描述，但是应该指出本实用新型的实施不限于以下的实施方式。

见图1，PLC控制的中频电加热采油装置，包括交-直-交变频电路、检测与保护控制单元、PLC控制单元、隔离驱动单元、通讯单元、触摸屏显示操作单元，PLC控制单元为控制核心，PLC控制单元和检测与保护控制单元、隔离驱动单元、通讯单元、触摸屏显示操作单元相连接；

其中，交-直-交变频电路包括不控整流单元、滤波稳压单元、PWM逆变单元，不控整流单元、滤波稳压单元、PWM逆变单元依次连接后与隔离驱动单元相连接；

检测与保护控制单元包括电压检测、电流检测、温度检测，电压检测对经滤波稳压单元后的直流侧进行实时监测，并将检测信号发送到PLC控制单元；电流检测对经滤波稳压单元后的直流侧与经PWM逆变单元后的交流侧均进行实时监测，并将检测信号发送到PLC控制单元；温度检测与负载相连接，对负载的温度进行监测，并将检测信号发送到PLC控制单元；

隔离驱动单元前侧与交-直-交变频电路的PWM逆变单元相连接，后侧与负载相连接。

通讯单元为有线通讯和无线通讯，PLC控制单元通过工业以太网或无线WIFI与上位机相连接。触摸屏显示操作单元通过RS485接口与PLC控制单元相连接。

PLC控制单元的核心元件为S7-200SMART系列PLC控制器，优选S7-200ST40SMART，模拟量检测信号读取模块采用西门子公司的EM AI04。

电流检测的核心元件为霍尔电流传感器：A-CS200-B/4V。

隔离驱动单元采用电压隔离器HEC 800V-F3(保定霍尔电子有限公司)，也可由其他类似产品代替；温度检测主要采用温度传感器WZP-131进行检测，并相应的配置温度信号隔离器PA-1482(嘉兴福尔沃电子有限公司)，也可由其他类似产品代替。

见图1，PLC控制单元作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护控制单元进行系统的故障检测，对系统直流侧的电压、电流，交流侧的电流以及井口温度等参数进行实时监测，进而对系统的工作状态进行综合判断，并通过改变脉冲输出占空比来改变PWM逆变单元的工作状态，实现对其工作电压电流实施平滑控制。检测与保护控制单元实现对本装置的保护，以完成对设备运行状态的监测，在出现过流、欠压、缺相等异常情况下通过通讯单元自动发出声光报警，并通过触摸屏显示操作单元显示报警内容；反馈温度、电流等参数，由PLC控制单元进行PID运算，实现系统的闭环控制。

PLC控制单元的功能包括：系统启动前对参数的读取，启动时对系统状态进行诊断，判断是否满足系统运行条件。诊断正常的情况下，软启动运行。通过CPU内置的脉冲发生功能，产生PWM脉冲控制信号，经过脉冲调制控制板和IGBT驱动板使IGBT工作。依据油井井况，通过调节脉冲输出占空比，设置调节输出的频率和电压。根据检测电路提供的温度和电流信号，由PLC控制单元进行PID运算，实现系统的闭环控制。当系统发生故障后，迅速切断脉冲，以保护IGBT等硬件的安全，并再次持续检测系统状态，当满足再次启动条件时，可实现无人值守自启动。通过串行总线或工业以太网与上位机通讯，向上位机发送系统运行参数，接收并执行上位机发来的控制指令，实现系统的远程控制。

PLC脉冲输出逻辑：见图2。PLC输出2路脉冲，第1路是频率为设定频率、占空比50％的方波作为基准波，第2路是频率为设定频率2倍、占空比可调的方波。经脉冲调制控制板逻辑运算后分别输出IGBT的正反向触发脉冲，最终使PWM逆变单元的频率连续可调，占空比连续可调，实现调节输出频率和电压的要求(图2中以500Hz为例，实际可调)。

本实用新型提高了加热效率：中频加热电源提高了加热电源的输出频率。一方面，从涡流效应角度，频率越高，有效加热功率越高；另一方面，原油在中频强电磁场的作用下，稠油分子链结构和高凝油的晶格产生了物理变化，这种变化在客观上起到了加速分子运动的效果，与加热产生的热效果刚好吻合。多口稠油井现场生产试验也表明，在同种工况下比工频电加热采油节能效果明显。

对电网无不良影响：中频加热电源采用交-直-交变频逆变技术，输入侧为三相不可控整流、LC滤波，克服了电源三相负载不平衡问题，提高了进线功率因数，对电网波形和平衡度均无不良影响。

控制安全方便：通过PLC进行控制，运行速度快，反应灵敏，采用触摸屏操作简单方便，显示直观，并有各种故障报警、自动停机和自恢复启动功能，可靠性高。