孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對采油廠抽油機實際運行中容易出現的故障,設計了一種以STC15F204EA芯片為核心的智能控制器,能夠實現對抽油機電機的保護和自啟動控制,具有很好的經濟效益與應用前景。

關鍵詞: 抽油機；電機保護；自啟動；單片機

0 引言
  抽油機是油田中基礎、常見的設備,被采油廠大規模的使用,但由于雷擊、負荷不平衡、電網電壓過低等原因經常發生停機和燒毀電機的現象,頻繁需要人工去重啟和維修。由于分布分散,距離中心站遠,人工重啟與維修比較費時、費力,不僅影響生產而且維修成本也比較高。鑒于此種情況,設計一款具有保護和重啟功能的控制器具有很大的實際意義。

1設計方案與工作原理
  本控制器采用以STC15F204EA為核心的單片機控制系統,由電源、報警、啟動、暫停及檢測等單元組成。圖1為系統結構框圖。

圖1 整體結構框圖

  控制器通過檢測單元實時監視抽油機的工作狀態,當發生電網波動、雷擊、人為損壞等情況,造成抽油機工作不正常時,通過檢測比較三相電機的工作電流,來判斷電機是否缺相或過載,如有缺相或過載情況發生,則使電機停止運行,從而起到保護電機的作用。如果電網恢復正常供電、電機負載正常,則通過啟動單元自動完成重啟工作。抽油機開始運轉前,通過聲音進行報警,提示附近人員遠離,保證安全。

2 硬件系統設計
2.1 系統電源設計
  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、鍵盤電路、LED等,需要提供+5V電壓;報警電路需要提供+12V電壓。故本設計中又以TOP Switch系列開關電源集成芯片構建一輔助電源。其輸入交流電壓220V±10%,輸出為直流,給單片機提供要求的5V/1A電源。整個電路可主要分為輸入整流濾波電路、鉗位保護電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路部分。電源系統電路,如圖2所示。

圖2 系統電源電路

2.2 報警電路設計
  圖3為電網斷電又恢復供電后,重新開機的預警裝置,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導通,繼電器K1使常開開關閉合,使電路導通,驅動預警電動喇叭開始提示電網恢復供電,人員請遠離;二極管D13起到保護電路的作用。開機前預警電動喇叭提示時間長短,可自由設定,防止多臺抽油機同時開機造成電網啟動負荷過重。

圖3 報警電路

2.3 啟動暫停電路設計
  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,三極管導通,繼電器把開關閉合,使電路導通,啟動整個控制器,二極管起到保護電路的作用。

圖4 啟動暫停電路

  暫停電路原理與啟動電路相同,電機轉動出現故障后,繼電器把常閉開關斷開,使電路斷路,暫停整個系統的運行。

2.4 檢測電路設計
  檢測電路用來檢測三相電機工作電流,判斷整個三相電源電路中是否產生缺相,并能檢測出電機是否過載。
  通過電流互感器T2、T3、T4檢測三相電機工作電流大小,串連一個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,將電壓平均值穩定在5V,直接接入單片機。單片機控制AD進行高速采樣,然后對采樣結果進行運算即可得到被測電流的有效值。

2.5 鍵盤指示燈設計

  圖5為控制器的鍵盤指示燈電路。

圖5 鍵盤指示燈電路

  智能抽油機控制器前面板有一個指示燈和一個按鍵,當按鍵按下時,指示燈為黃色閃動,長時間連續按下時,指示燈變成黃色常亮,同時驅動外接預警電動喇叭發出提示音,提示音播放時間長短由按鍵按下時間決定,這個時間也是預警啟動時間。按鍵釋放,預警電動喇叭停止播放,完成預警時間設定,智能抽油機控制器自動轉入正常工作狀態或報警工作狀態。
  抽油機有三種工作狀態。正常工作狀態:綠色指示燈閃爍,電網供電正常,抽油機工作正常;報警工作狀態:紅色指示燈閃爍,電網供電正常,抽油機停機;設定工作狀態:黃色指示燈閃爍;黃色指示燈瞬間閃爍一次:存儲當前工作狀態。

3 系統軟件設計
  本設計的主控芯片采用STC15F204EA單片機,系統軟件采用C語言編程。系統的主程序包含A/D采集子程序、讀寫存儲器子程序等。當電網恢復供電時,首先讀取存儲器狀態,判斷是人為停機還是電網停機,若是人為停機,系統則不采取任何動作;若為電網停機,將啟動喇叭和電機。然后掃描鍵盤,判斷鍵盤動作;讀取電機狀態,判斷電機狀態是否改變。檢測電流,判斷三相電流是否平衡,若不平衡,將電機暫停。

4.安科瑞智能電動機保護器介紹
4.1產品介紹
  智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。
 

4.2技術參數
4.2.1數字式電動機保護器

4.2.2模塊式電動機保護器

4.3產品選型

說明：“√”表示具備，“■”表示可選。

5結束語
  本文設計的基于STC15F204EA單片機的智能控制器,采用一種簡單、實用、低成本的方案,能夠在超載時保護電機并實現電機停機后的自啟動控制,在現代工業生產中具有重要的作用,用它來對油田使用的抽油機恢復供電和保護電機,給采油廠帶來極大的方便,節約大量的人力和物力。

參考文獻
[1]杜豫平,莊乾成,周西峰.三相電機智能監控器設計[J].電子質量,2013,7(3):47-50.
[2]張曉東，童少為.抽油機電機保護與自啟動控制器設計
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版