1 引言
随着我国经济的高速发展，日益激烈的市场和越来越严格的环境保护要求，已经对能源生产自动化水平的提高和管理水平的进步提出了更高的要求。都需要建立现代化的自动化监控系统。可编程控制器（plc）、监视控制和数据采集系统（scada）、变频器、传感器与仪表、调节器等自动化产品在我国能源工业现代化进程中扮演了不可或缺的角色。
我国的油田绝大部分为低能、低产油田，大部分油田靠抽油机(磕头机)把油从地层中提升上来。耗电费用在我国的石油开采成本中占了相当大的比例。所以，石油行业十分重视节约电能，节省电耗就是直接降低石油的开采成本。
变频器从上个世纪80年代在中国推出以后，在国民经济和日常生活中发挥着日益重要作用，已经被广泛的应用于企业的工业生产以及人们的日常生活中。变频器广泛应用,主要得益于其优良的节能特性和调速特性。中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特殊行业，有其独特的背景，在油田中以风机、泵类负载为主，因而决定了变频器在油田中的应用，以节能为第一目标。油田中变频器的应用主要集中在游梁式抽油机控制、潜泵控制、注水井控制和油气集输控制等几个场合。
针对抽油机的特点，芬兰vacon公司专门基于nx系列变频器开发了一款抽油机软件，实现了抽油机变频控制。
2 游梁式抽油机的工作原理
游梁式抽油机系统包括电机、抽油机、抽油杆、油管、深井泵等。抽油机为四连杆机构，将电机的旋转运动转化为抽油杆的垂直直线运动，抽油杆带动深井泵，在下行时靠油层压力向泵内渗油，上行时将油提升，如此往复运动，使石油在一定的动压力下被抽到地面以上，送往储油管。
抽油机动力配重杆每旋转一周，抽油杆完成一个上冲程和一个下冲程；抽油机动力配重杆每分钟旋转的圈数即为冲次。一般地，在工频电机拖动下，抽油机及抽油杆理论上是匀速运动，按照电机的转速和传动比很容易计算出抽油机系统的冲次，并结合传动轮直径和连杆尺寸可方便地计算出上下冲程。
根据抽油机的抽油原理和地下液体运动规律，抽油杆上行（上冲程）应较快，这样做可减少上行时间油泵泄漏；下行（下冲程）速度较慢，则可以增加渗油量从而提高产量，并且显著节省电能。
当游梁式抽油机工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要输出很大的转矩。在下冲程时，抽油机杆柱对电动机作功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的载荷极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，如图1所示。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动机输出一定的转矩。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电动机在上冲程时所需给出的转矩。

图1 复合平衡式游梁式抽油机

目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式。当平衡配重调节较好时，其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。
3 抽油机控制算法设计原理
vacon变频器具有可编程功能。编程工具vacon nc1131-3 engineering是一个符合iec1131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计vacon nx特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，pi控制器和积分器。nc1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。在本系统中，如采用普通变频器，为防止变频器过压报警，必须加制动电阻，制动电阻消耗能量，达不到系统节能要求，同时还要有其它微机控制器等，系统复杂。利用vacon变频器具有可编程功能，利用抽油机工作时，驴头悬点载荷是非线性变化的。设计变频器应用程序，根据电动机负载转矩的变化情况，变频器将实时计算抽油机适合运行的速度，实时计算上、下冲程的时间，使上冲程速度加快，而下冲程速度变慢，达到增产的目的，同时当抽油机处于发电机运行状态时，变频器将控制电机采用抽油机的惯性运行，而不输出任何的转矩。采用智能控制算法后，抽油机工作所需的转矩和电流将明显减小，由于抽油机速度大时，其输出的转矩小；速度慢时，其输出的转矩也比工频时小，从而达到节能的目的，同时也避免了变频器过压故障。
3.1 vacon变频器算法设计
●电动机起动时采用专用抽油机变频起动程序
根据抽油机起动转矩和电流较大的情况，采用了特殊的起动和运行方式，减小其起动时的电流冲击，并确保抽油机在任何位置都能很好地起动。
●电动机工作时实时计算修改上、下冲程速度，保持恒定的冲次。
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油机的运行时间的长短都不一致，所以在设计的抽油机专用程序中，将实时计算上、下冲程的速度，保持恒定的冲次。
平衡负载模式控制方式如图2，此模式下，电动机会有很短的发电时间。
根据电机转矩变化规律，控制系统结构框图如图2所示，设计智能控制算法，控制变频器输出频率。控制算法的输入信号是与冲程次数对应的电压信号，反馈信号为变频器输出转矩、变频器输出频率信号。

图2 控制系统结构框图

智能控制算法程序设计规则：如图3

图3 平衡模式控制方式

位置1为第一计数起始点。此参数定义为转矩的百分数，当转矩高于这一参考转矩极限时允许计数器开始计数。
时间2 低参考值允许时间。转矩必须高于位置1的转矩。此时间采用低频率参考值。
位置3 第一转矩中间点。转矩小于位置3且当时间2到后采用高参考频率值。
时间4 高参考值最小时间。给定高参考值后直到允许低参考值的最小时间。
时间5 高参考值最小循环时间。高参考值后直到再次为高参考值的最小时间。
位置6 第二计数起始点。此参数定义为转矩的百分数，当转矩高于低参考极限时允许计数器开始计数。
时间7 高参考频率值允许时间。转矩必须高于位置6的时间。此间采用高参考值。
位置8 第二转矩中间点。转矩小于位置6且当时间7到后采用低参考值。
3.2 控制系统特点
本系统充分利用了vacon变频器具有可编程功能。实现了其它普通变频器无法实现的功能。本系统如下优点：
(1) 人机界面友好，安装方便，操作简单
控制柜上有变频器的操作面板和各种操作运行按钮，操作方便。
变频器的显示面板可以显示变频器的输出电压，输出电流，输出频率，电机运行消耗的能量，运行时间，抽油次数等。变频器的运行参考可直接设置抽油机的抽油次数，改变传统的设置电机运行频率的操作方式，具有良好的人机界面。
(2) 运行安全，性能可靠
实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。该控制柜内没有任何的plc，而是基于变频器的特殊控制程序进行控制，并且具有工频和变频的工作方式，且这两种工作方式互锁，并相互独立，控制柜所采用的变频器也具有宽广的输入电压范围，因此使系统运行更安全、可靠。
(3) 高效节能，增产
提高了功率因数(可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上)，减小了供电电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损。控制器内无任何的制动电阻，当抽油机处于发电机运行状态时，变频器自动提高电机的运行速度，并储存发电机状态的能量，比传统的设计方式，减少了不必要的能量损失。
变频器的控制程序是根据油田实际情况，特殊开发的控制程序，它能自主判断抽油机运行的上下冲程，根据油井的实际情况，实时调节上下冲程的速度，提高抽油机的产量。
(4) 具有网络功能
系统有对监视控制和数据采集系统（scada）的接口。对实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性和加强现场事故应急处理等具有重要的意义。