針對(duì)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(duì)抽油機(jī)電機(jī)的保護(hù)和自啟動(dòng)控制,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景。

0 引言

抽油機(jī)是油田中基礎(chǔ)、常見(jiàn)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(guò)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。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的作用是給電機(jī)保護(hù)控制，在電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流、欠流、斷相、堵轉(zhuǎn)、短路、過(guò)壓、欠壓、漏電、三相不平衡、過(guò)熱、接地、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心時(shí)、繞組老化予以報(bào)警或保護(hù)控制。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(電機(jī)保護(hù)器)是以檢測(cè)線電流的變化(包括采取、正序、負(fù)序、零序和過(guò)流)為原則，可檢測(cè)斷相或過(guò)載信號(hào)。除具有斷相保護(hù)功能外，還具有過(guò)負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。

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(dòng)、暫停及檢測(cè)等單元組成。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

控制器通過(guò)檢測(cè)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(dòng)、雷擊、人為損壞等情況,造成抽油機(jī)工作不正常時(shí),通過(guò)檢測(cè)比較三相電機(jī)的工作電流,來(lái)判斷電機(jī)是否缺相或過(guò)載,如有缺相或過(guò)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(guò)啟動(dòng)單元自動(dòng)完成重啟工作。抽油機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)前,通過(guò)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(pán)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(kāi)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。

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(kāi)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(kāi)開(kāi)關(guān)閉合,使電路導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)預(yù)警電動(dòng)喇叭開(kāi)始提示電網(wǎng)恢復(fù)供電,人員請(qǐng)遠(yuǎn)離;二極管D13起到保護(hù)電路的作用。開(kāi)機(jī)前預(yù)警電動(dòng)喇叭提示時(shí)間長(zhǎng)短,可自由設(shè)定,防止多臺(tái)抽油機(jī)同時(shí)開(kāi)機(jī)造成電網(wǎng)啟動(dòng)負(fù)荷過(guò)重。

2.3 啟動(dòng)暫停電路設(shè)計(jì)

如圖4所示,圖中所表示的為來(lái)電啟動(dòng)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(kāi)關(guān)閉合,使電路導(dǎo)通,啟動(dòng)整個(gè)控制器,二極管起到保護(hù)電路的作用。

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

2.4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)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(cè)出電機(jī)是否過(guò)載。

通過(guò)電流互感器T2、T3、T4檢測(cè)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(hào)變換為電壓信號(hào),再通過(guò)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(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算即可得到被測(cè)電流的有效值。

2.5 鍵盤(pán)指示燈設(shè)計(jì)

圖5為控制器的鍵盤(pán)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(dòng),長(zhǎng)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(dòng)外接預(yù)警電動(dòng)喇叭發(fā)出提示音,提示音播放時(shí)間長(zhǎng)短由按鍵按下時(shí)間決定,這個(gè)時(shí)間也是預(yù)警啟動(dòng)時(shí)間。按鍵釋放,預(yù)警電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(yǔ)言編程。系統(tǒng)的主程序包含A/D采集子程序、讀寫(xiě)存儲(chǔ)器子程序等。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí),首先讀取存儲(chǔ)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(dòng)作;若為電網(wǎng)停機(jī),將啟動(dòng)喇叭和電機(jī)。然后掃描鍵盤(pán),判斷鍵盤(pán)動(dòng)作;讀取電機(jī)狀態(tài),判斷電機(jī)狀態(tài)是否改變。檢測(cè)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(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹

4.1產(chǎn)品介紹

智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)保護(hù)器

4.2.2模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

4.3產(chǎn)品選型

如今，市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，型號(hào)規(guī)格五花八門(mén)。制造廠商為了滿(mǎn)足用戶(hù)不同的使用需求派生出很多的系列產(chǎn)品，種類(lèi)繁多給廣大用戶(hù)選型帶來(lái)諸多不便，用戶(hù)在選型時(shí)應(yīng)充分考慮電動(dòng)機(jī)保護(hù)實(shí)際需求，合理選擇保護(hù)功能和保護(hù)方式，才能達(dá)到良好的保護(hù)效果，達(dá)到提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，減少非計(jì)劃停車(chē)，減少事故損失的目的。

說(shuō)明：“√”表示具備，“■”表示可選。

5結(jié)束語(yǔ)

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(jiǎn)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(dòng)控制,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用,用它來(lái)對(duì)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(lái)方便,節(jié)約大量的人力和物力。電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(電機(jī)保護(hù)器)是發(fā)電、供電、用電系統(tǒng)的重要器件。是跨行業(yè)、量大面廣、節(jié)能效果顯著的節(jié)能機(jī)電產(chǎn)品。幾乎滲透到所有用電領(lǐng)域;是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防建設(shè)及人民生活正常生產(chǎn)和安全工作的重要保證，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和節(jié)能事業(yè)中有著不可替代的重要地位和作用。

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