孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對采油廠抽油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中容易出現(xiàn)的故障,設(shè)計(jì)了一種以STC15F204EA芯片為核心的智能控制器,能夠?qū)崿F(xiàn)對抽油機(jī)電機(jī)的保護(hù)和自啟動控制,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞: 抽油機(jī)；電機(jī)保護(hù)；自啟動；單片機(jī)

0 引言
  抽油機(jī)是油田中基礎(chǔ)、常見的設(shè)備,被采油廠大規(guī)模的使用,但由于雷擊、負(fù)荷不平衡、電網(wǎng)電壓過低等原因經(jīng)常發(fā)生停機(jī)和燒毀電機(jī)的現(xiàn)象,頻繁需要人工去重啟和維修。由于分布分散,距離中心站遠(yuǎn),人工重啟與維修比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,不僅影響生產(chǎn)而且維修成本也比較高。鑒于此種情況,設(shè)計(jì)一款具有保護(hù)和重啟功能的控制器具有很大的實(shí)際意義。

1設(shè)計(jì)方案與工作原理
  本控制器采用以STC15F204EA為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng),由電源、報(bào)警、啟動、暫停及檢測等單元組成。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

  控制器通過檢測單元實(shí)時(shí)監(jiān)視抽油機(jī)的工作狀態(tài),當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)波動、雷擊、人為損壞等情況,造成抽油機(jī)工作不正常時(shí),通過檢測比較三相電機(jī)的工作電流,來判斷電機(jī)是否缺相或過載,如有缺相或過載情況發(fā)生,則使電機(jī)停止運(yùn)行,從而起到保護(hù)電機(jī)的作用。如果電網(wǎng)恢復(fù)正常供電、電機(jī)負(fù)載正常,則通過啟動單元自動完成重啟工作。抽油機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)前,通過聲音進(jìn)行報(bào)警,提示附近人員遠(yuǎn)離,保證安全。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)
  控制器的工作電源是2 2 0 V 、5 0 H z 交流電, 但主控芯片STC15F204EA單片機(jī)、鍵盤電路、LED等,需要提供+5V電壓;報(bào)警電路需要提供+12V電壓。故本設(shè)計(jì)中又以TOP Switch系列開關(guān)電源集成芯片構(gòu)建一輔助電源。其輸入交流電壓220V±10%,輸出為直流,給單片機(jī)提供要求的5V/1A電源。整個(gè)電路可主要分為輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路部分。電源系統(tǒng)電路,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源電路

2.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)
  圖3為電網(wǎng)斷電又恢復(fù)供電后,重新開機(jī)的預(yù)警裝置,三極管Q1為NPN型三極管。通電后,電阻R36輸出高電平,三極管Q1導(dǎo)通,繼電器K1使常開開關(guān)閉合,使電路導(dǎo)通,驅(qū)動預(yù)警電動喇叭開始提示電網(wǎng)恢復(fù)供電,人員請遠(yuǎn)離;二極管D13起到保護(hù)電路的作用。開機(jī)前預(yù)警電動喇叭提示時(shí)間長短,可自由設(shè)定,防止多臺抽油機(jī)同時(shí)開機(jī)造成電網(wǎng)啟動負(fù)荷過重。

圖3 報(bào)警電路

2.3 啟動暫停電路設(shè)計(jì)
  如圖4所示,圖中所表示的為來電啟動電路和故障暫停電路。原理同圖4,三極管為NPN型三極管。通電后,電阻輸出高電平,三極管導(dǎo)通,繼電器把開關(guān)閉合,使電路導(dǎo)通,啟動整個(gè)控制器,二極管起到保護(hù)電路的作用。

圖4 啟動暫停電路

  暫停電路原理與啟動電路相同,電機(jī)轉(zhuǎn)動出現(xiàn)故障后,繼電器把常閉開關(guān)斷開,使電路斷路,暫停整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.4 檢測電路設(shè)計(jì)
  檢測電路用來檢測三相電機(jī)工作電流,判斷整個(gè)三相電源電路中是否產(chǎn)生缺相,并能檢測出電機(jī)是否過載。
  通過電流互感器T2、T3、T4檢測三相電機(jī)工作電流大小,串連一個(gè)0.1的電阻,將電流信號變換為電壓信號,再通過精密整流電路和RC濾波電路,將電壓平均值穩(wěn)定在5V,直接接入單片機(jī)。單片機(jī)控制AD進(jìn)行高速采樣,然后對采樣結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算即可得到被測電流的有效值。

2.5 鍵盤指示燈設(shè)計(jì)

  圖5為控制器的鍵盤指示燈電路。

圖5 鍵盤指示燈電路

  智能抽油機(jī)控制器前面板有一個(gè)指示燈和一個(gè)按鍵,當(dāng)按鍵按下時(shí),指示燈為黃色閃動,長時(shí)間連續(xù)按下時(shí),指示燈變成黃色常亮,同時(shí)驅(qū)動外接預(yù)警電動喇叭發(fā)出提示音,提示音播放時(shí)間長短由按鍵按下時(shí)間決定,這個(gè)時(shí)間也是預(yù)警啟動時(shí)間。按鍵釋放,預(yù)警電動喇叭停止播放,完成預(yù)警時(shí)間設(shè)定,智能抽油機(jī)控制器自動轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)或報(bào)警工作狀態(tài)。
  抽油機(jī)有三種工作狀態(tài)。正常工作狀態(tài):綠色指示燈閃爍,電網(wǎng)供電正常,抽油機(jī)工作正常;報(bào)警工作狀態(tài):紅色指示燈閃爍,電網(wǎng)供電正常,抽油機(jī)停機(jī);設(shè)定工作狀態(tài):黃色指示燈閃爍;黃色指示燈瞬間閃爍一次:存儲當(dāng)前工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
  本設(shè)計(jì)的主控芯片采用STC15F204EA單片機(jī),系統(tǒng)軟件采用C語言編程。系統(tǒng)的主程序包含A/D采集子程序、讀寫存儲器子程序等。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí),首先讀取存儲器狀態(tài),判斷是人為停機(jī)還是電網(wǎng)停機(jī),若是人為停機(jī),系統(tǒng)則不采取任何動作;若為電網(wǎng)停機(jī),將啟動喇叭和電機(jī)。然后掃描鍵盤,判斷鍵盤動作;讀取電機(jī)狀態(tài),判斷電機(jī)狀態(tài)是否改變。檢測電流,判斷三相電流是否平衡,若不平衡,將電機(jī)暫停。

4.安科瑞智能電動機(jī)保護(hù)器介紹
4.1產(chǎn)品介紹
  智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對電動機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
 

4.2技術(shù)參數(shù)
4.2.1數(shù)字式電動機(jī)保護(hù)器

4.2.2模塊式電動機(jī)保護(hù)器

4.3產(chǎn)品選型

說明：“√”表示具備，“■”表示可選。

5結(jié)束語
  本文設(shè)計(jì)的基于STC15F204EA單片機(jī)的智能控制器,采用一種簡單、實(shí)用、低成本的方案,能夠在超載時(shí)保護(hù)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)電機(jī)停機(jī)后的自啟動控制,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用,用它來對油田使用的抽油機(jī)恢復(fù)供電和保護(hù)電機(jī),給采油廠帶來極大的方便,節(jié)約大量的人力和物力。

參考文獻(xiàn)
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