付麗 （大慶油田有限責任公司第四采油廠）

便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀在油田中的應用

付麗 （大慶油田有限責任公司第四采油廠）

針對變頻器在油田應用過程中存在的維修技術不足和缺乏檢測設備的問題，通過便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀的研制，實現(xiàn)在有無數(shù)據(jù)通訊的2種情況下對變頻器故障點的準確定位，并提供可行的解決故障方法。通過使用該儀器，有效縮短了變頻器維修時間，提高了變頻器的修復率，總結(jié)了檢修變頻器常見故障的方法和流程，使之長久有效地發(fā)揮節(jié)能作用。

變頻器；故障分析；維護；節(jié)能

隨著變頻器在油田應用規(guī)模不斷擴大，變頻器在應用過程中發(fā)生故障的概率不斷增加，維修工作量越來越大，而目前維護主要依靠廠家及設計研究所儀表室，經(jīng)常發(fā)生維修不及時，造成設備待修時間長，而且造成成本的增加。經(jīng)統(tǒng)計，某礦共有各類變頻器432臺。2014年以來，因大部分螺桿泵變頻器過保修期，故障變頻器年累計達到125臺，且存在34臺老式螺桿泵變頻器無工頻啟動系統(tǒng)，如發(fā)生故障只能關井，影響了原油產(chǎn)量。變頻器型號以英威騰、ABB、西門子為主，兼有不常見或者已經(jīng)不生產(chǎn)的變頻器，共有12種品牌15個系列，種類較雜。從使用情況來看，一方面由于井上的自然環(huán)境惡劣，加之螺桿泵井負荷變化大，導致單井用變頻器故障率較高；另一方面大部分變頻器已經(jīng)使用3年以上，從排風，散熱，元器件的老化角度來說增加了故障的風險。

針對以上問題，2015年通過自主研制便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀，在變頻器檢修上取得了一定的效果，實現(xiàn)對變頻器的故障判斷和自主維修，使節(jié)能設備物盡其用，長久發(fā)揮節(jié)能效果。

1 技術原理及工藝設計

便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀以專用電流、電壓檢測組件、通用模擬量輸出模塊、通訊電纜及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件等集成檢測主機?？梢酝ㄟ^2種不同的方式對變頻器系統(tǒng)進行故障分析：方式一是應用數(shù)據(jù)通訊方式對故障變頻器進行分析，依據(jù)專家診斷數(shù)據(jù)庫，提供可行的解決故障方法；方式二是當變頻器通訊不能正常進行的情況下可以利用外接模塊對線路和變頻器的輸入和輸出進行實時顯示，相關數(shù)據(jù)（電流、電壓）以曲線形式顯示，并實時保存。方式一用于一般故障查看檢修，方式二用于按照方式一無法解決故障情況下的系統(tǒng)長期監(jiān)測診斷。便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀通過精確輸出工業(yè)標準的模擬量控制信號，現(xiàn)場直接調(diào)試修復后的故障變頻器。以電腦通訊診斷系統(tǒng)為核心，通過變頻器的通訊接口進行人機對話，利用專業(yè)的軟件進行測試、調(diào)試，可以完成對系統(tǒng)的在線實時操作，參數(shù)的分析與錄入。實現(xiàn)對變頻器外部（系統(tǒng)）的故障分析，對故障變頻器進行實時、在線的檢測，進行快速故障定位。通過配備大容量電池，提高設備野外長時間工作的能力，工作時間不低于8 h，具備通用性，目前油田公司在用的螺桿泵變頻器、輸油泵變頻器、注入泵變頻器等均可進行檢測。

1.1建立變頻器診斷數(shù)據(jù)庫

統(tǒng)計在用變頻器產(chǎn)品型號情況，以英威騰、ABB、西門子為主，兼有威能、星辰電子、普傳等不常見或者已經(jīng)不生產(chǎn)的變頻器，共有12種品牌15個系列，共有275臺，占變頻器總數(shù)的65.2%。建立專家數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠診斷的變頻器覆蓋現(xiàn)有變頻器的95%以上。表1為變頻器英威騰常用故障及代碼。

1.2 研究變頻器系列的通訊協(xié)議，建立完善的通訊接口

為實現(xiàn)良好的變頻器與電腦之間的數(shù)據(jù)通訊，進行了系統(tǒng)通訊接口的硬件開發(fā)。變頻器與電腦之間通訊接口的主要功能是在變頻器和上位機電腦之間建立1條安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通路。采用了專門的信號隔離和內(nèi)部濾波技術。這部分的通訊線路功能分為2部分，按照變頻器通訊信號要求設計相應的工業(yè)標準的485數(shù)據(jù)信號采集模塊；按照計算機通訊的要求設計了485轉(zhuǎn)常用USB的通訊模塊。對2部分功能模塊組合測試近2個月的時間，信號轉(zhuǎn)換硬件電路工作穩(wěn)定，抗干擾能力較強，達到了預計技術指標的要求。

表1 常見故障及代碼

1.3研制變頻器故障代碼綜合分析軟件系統(tǒng)及設備開發(fā)

綜合分析軟件系統(tǒng)由軟件接口編制和系統(tǒng)組態(tài)及診斷專家數(shù)據(jù)庫3部分組成。

1.3.1 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)接口編制

由于研發(fā)上位機和變頻器系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊檢測方式系統(tǒng)軟件工作量較大，主要是不同型號變頻器數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的研究和編制不同型號變頻器的數(shù)據(jù)通訊接口軟件。本文主要闡述針對幾種常見系列的變頻器進行的開發(fā)研究，包括西門子430系列、440系列、ACS510系列、ACS550系列和英威騰CHF100A系列、英威騰200系列。

根據(jù)系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)接口軟件需求，首先，進行通訊接口標準分析，現(xiàn)行的工業(yè)標注變頻器主要標配的標注串行通訊接口，文中針對3類變頻器使用標準的485通訊接口；其次，進行接口協(xié)議標準分析。ABB系列采用MODBUS協(xié)議標準，但內(nèi)部有部分ABB自己定義的協(xié)議內(nèi)容，此部分是接口編制中的難點和重點部分，通過使用VC編程和長時間的調(diào)試，解決了這一問題，系統(tǒng)接口程序穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準確。

西門子400系列采用西門子USS協(xié)議標準，沒有專用的接口程序，不同系列之間還有區(qū)別，因此需要進行長時間的實驗和開發(fā)。西門子串行接口協(xié)議（USS）按照串行總線的主-從通訊原理來確定訪問方法。總線上可以連接1個主站和最多31個從站。主站根據(jù)通訊報文中的地址字符來選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站。在主站未要求它進行通訊時，從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)，各個從站之間也不能直接進行信息的傳輸。數(shù)據(jù)和指令的每條報文都是以字符STX（=02hex）開始，接著是長度的說明（LGE）和地址字節(jié)（ADR），然后是采用的數(shù)據(jù)字符，報文以數(shù)據(jù)塊的檢驗符（BCC）結(jié)束。報文有效的數(shù)據(jù)塊分成2個區(qū)域，即PKW區(qū)（參數(shù)識別ID-數(shù)值區(qū)）和PZD區(qū)（過程數(shù)據(jù)）。PKW區(qū)說明參數(shù)識別ID-數(shù)值（PKW）接口的處理方式。PKW區(qū)前2個字（PKE和IND）的信息是關于主站請求的任務（任務識別標記ID）或應答報文的類型（應答識別標記ID）。PKW區(qū)的第3、第4個字規(guī)定報文中要訪問的變頻器的參數(shù)號（PNU）。依據(jù)對系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)格式的研究，使用VC進行接口程序編制，經(jīng)過近1個月的系統(tǒng)調(diào)試，接口調(diào)試成功，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確。

英威騰CHF100A系列采用標準的MODBUS協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定；但由于英威騰不同型號之間上下兼容性較差，數(shù)據(jù)資料不完善，系統(tǒng)調(diào)試較困難。

1.3.2 系統(tǒng)軟件組態(tài)

通過對系統(tǒng)進行需求分析，最終系統(tǒng)軟件分為4個部分：ABB故障診斷(方式一)、西門子故障診斷(方式一)、英威騰故障診斷(方式一)、通用故障診斷(方式二)，分別進行組態(tài)。

第1部分，數(shù)據(jù)庫組態(tài)。利用實時數(shù)據(jù)庫技術將采集的通訊數(shù)據(jù)關聯(lián)到上位機實時數(shù)據(jù)庫，并在實時數(shù)據(jù)庫中建立相應的數(shù)據(jù)點，方便系統(tǒng)調(diào)用。

第2部分，界面組態(tài)。利用繪圖控件建立相應的操作和顯示界面。通過研究分析系統(tǒng)需求，對于方式一分別組態(tài)了系統(tǒng)主界面、故障診斷界面、報警分析界面、輸出實時分析界面、退出界面。對于方式二分別組態(tài)了三相電壓電流界面、電壓界面、電流界面、歷史數(shù)據(jù)界面、輸出調(diào)試界面、退出界面等。

第3部分，利用編程語言。在組態(tài)軟件的基礎上書寫腳本運行部分特殊功能。對于歷史數(shù)據(jù)的處理，本系統(tǒng)采用2種方式：一種是以曲線圖的形式顯示歷史數(shù)據(jù)，此種方式較為直觀；另一種方式對數(shù)據(jù)進行編輯，采用報表的形式呈現(xiàn)，此種方式比較具體，數(shù)據(jù)保存較為方便。第1種方式為系統(tǒng)自帶，第2種方式需要編制程序，通過內(nèi)部腳本實現(xiàn)。

1.3.3 專家故障診斷數(shù)據(jù)庫

本數(shù)據(jù)庫采用動態(tài)鏈接技術和紫金橋關系數(shù)據(jù)庫連接。專家數(shù)據(jù)庫是在相關專業(yè)技術人員的多年變頻器應用和維修經(jīng)歷的基礎上，結(jié)合相關廠家的故障和報警診斷技術支持文檔而建立的專家故障診斷數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫主要包括相應的故障描述和可能導致故障的原因以及可行的解決方案。在通訊成功的情況下，該數(shù)據(jù)庫提供的解決方案能解決常見的所有故障。該數(shù)據(jù)庫采用較為通用的數(shù)據(jù)存儲格式，可以較方便地依據(jù)實際情況及時修正相關內(nèi)容，為進一步優(yōu)化診斷方案提供了方便。

1.4裝置組成

該裝置以專用電流、電壓檢測組件、通用模擬量輸出模塊、通訊電纜及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件集成檢測主機（圖1）。攜帶方便，所有功能和配件均可裝在1個鋁合金箱中。便攜式箱體采用直角鋁合金骨架、鉆石紋鋁合金表面、多層板結(jié)構，確保箱子結(jié)實美觀、經(jīng)久耐用。檢測儀信號輸入上設有多重保護，分別在電源輸入、電壓檢測輸入、電流檢測輸入處設有保護熔斷器（FU）。三相電壓檢測輸入接線使用高質(zhì)量的硅膠線和絕緣鱷魚夾，確保帶電檢測操作的安全。電流檢測環(huán)節(jié)采用40∶1變比的鉗形交流電流互感器，確保電流檢測的方便和診斷儀接入信號控制較為安全的范圍。

圖1 便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀實物及應用

2 現(xiàn)場應用

2.1螺桿泵井變頻器修復效果分析

某礦螺桿泵變頻、直驅(qū)螺桿泵共計341臺，占采出井總數(shù)25.5%，其中325口井安裝了螺桿泵變頻器。因設備老化、過保修期等原因?qū)е鹿收献冾l器最多時累計102臺。通過應用便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀，已修復各型號螺桿泵變頻器59臺，均正常運行，且各項指標均符合使用要求（表2）。

通過統(tǒng)計已維修故障變頻器情況，無法啟動、啟動后停機為主要故障現(xiàn)象，而造成這兩種現(xiàn)象最主要的原因是整流模塊損壞、逆變模塊損壞及過流、過壓、欠壓等。

以井1井修復過程為例：該井變頻器型號為英威騰100-37G型，2015年3月出現(xiàn)上電就跳閘現(xiàn)象，詳細信息見表3。

現(xiàn)場檢查情況：打開機蓋沒有發(fā)現(xiàn)任何燒壞跡象，在線測量IGBT（逆變模塊）判斷沒有問題。

檢修情況：為準確找出故障原因，將故障變頻器接入便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀進行進一步檢測，上電后依然跳閘；將IGBT拆下測量各個驅(qū)動單元的大功率晶體管開通與關閉，未發(fā)現(xiàn)問題；測量上半橋的驅(qū)動電路時發(fā)現(xiàn)有一路與其他兩路電阻值有明顯區(qū)別，仔細檢查發(fā)現(xiàn)1只光耦輸出腳與電源負極短路，將光耦更換后再測電阻值，三路基本一樣。IGBT安裝后，上電運行一切良好，輸入電流與輸出電流波形完全對應，帶載運行也正常。

表2 變頻器修復統(tǒng)計

表3 井1基礎信息

分析認為，引起這類故障的主要原因是逆變模塊損壞、驅(qū)動電路損壞、電流檢測電路損壞等。

2.2 聚驅(qū)注入站注入泵變頻器修復效果分析

注入泵變頻器經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要是過流保護等，通過應用檢測儀，摸清了發(fā)生該故障的原因，解決了該問題。

以某站1號注入泵變頻器為例：該變頻器型號為西門子430，故障現(xiàn)象是上電顯示正常，啟動也正常，但是一加負載就跳閘，顯示代碼是過流保護。過流保護的故障有多種可能出現(xiàn)：變頻器內(nèi)部設置參數(shù)不合理；功率檢測元件有故障；逆變模塊性能變差；電源濾波電容容量下降；負載電動機或泵有問題。以上問題都會出現(xiàn)過流保護代碼，所以很難判斷問題所在，通過分析儀便可確定是變頻器問題，還是機泵問題。

現(xiàn)場檢查情況：首先，采用方式一進行通訊檢查，檢查內(nèi)部參數(shù)設置未發(fā)現(xiàn)問題。然后，采用方式二進行檢查，在變頻器啟動后，觀察電流、電壓變化情況，負載逐漸加大，發(fā)現(xiàn)在負載不斷增加的情況下，輸出電流也在不斷地加大；當泵的輸出壓力達到4 MPa左右時，電流明顯突變，已經(jīng)超出了電動機工作上限電流值，變頻器出現(xiàn)保護停機，通過檢測儀可以斷定是柱塞泵有問題，排除了變頻器故障（圖2）。

通過對柱塞泵的維修后，故障不再出現(xiàn)。由此可以看出，應用該儀器可以有效地判斷出故障變頻器系統(tǒng)的故障點，大幅度減少檢修時間，提高變頻器運行時率。

通過該儀器對某注入站9臺故障變頻器進行了檢測，其中變頻器自身故障的有5臺，機泵問題的有5臺。

2.3 常見故障分析

變頻器在使用過程中常見的故障主要有電動機運行但不能調(diào)速，電動機不能啟動，欠壓保護、過壓保護、過流保護，上電無顯示、上電接觸器不吸合等。統(tǒng)計66臺修復的變頻器故障如表4所示。

為了快速查找故障原因和縮短維修時間，通過應用自主研制變頻器維護及檢修平臺，總結(jié)了10種常見故障分析與維修方法，并且編制了檢修流程及管理方法（表5、圖3）。

圖2 某站46#注入泵變頻器電流變化曲線

表4 常見故障修復數(shù)量統(tǒng)計

3 效益分析

3.1經(jīng)濟效益

以某油礦2015年維修變頻器122臺為例：1臺變頻器拆卸判定故障并維修，大約需要15 d，使用該便攜式變頻器系統(tǒng)綜合信息分析儀，平均判定故障及維修時間為2 d，平均單臺變頻器維修時間減少了13 d；按每臺螺桿泵變頻器變頻（工頻可運轉(zhuǎn)）運轉(zhuǎn)比工頻運轉(zhuǎn)每小時節(jié)電3 kWh計算，約節(jié)電10.02×104kWh，以電價0.6381元/kWh計算，節(jié)約電費6.39萬元；設備投入費用7.02萬元；配件投入費用10萬元；按每口井減少原油損失2 t/d，以原油（扣除成本）2904元/t計算，實現(xiàn)經(jīng)濟效益134.73萬元。

3.2社會效益

改變了維修變頻器不能自主的現(xiàn)象，減少了變頻器維修對廠家的依賴，節(jié)約了維修成本，提高了工作效率，降低了變頻器停機時間，保障了油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。

表5 10種常見故障及其處理方法

圖3 變頻器檢修流程與管理法

4 實現(xiàn)主要技術指標

通過應用便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀達到以下技術指標：

1）通過2種不同的方式對變頻器系統(tǒng)進行故障分析，提高了在用變頻器故障判斷準確率，由47.3%上升至98%以上，上升50百分點。

2）隨著變頻器故障判斷準確率的提高，故障變頻器成功修復臺數(shù)大幅增加，修復率由45%上升至96.7%。

5 結(jié)論及認識

1） 便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀以專用電流、電壓檢測組件、通用模擬量輸出模塊、通訊電纜及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件集成檢測主機，實現(xiàn)了對所有通用型變頻器的檢測、維修和調(diào)試工作，為變頻器實時、在線的檢測及維修提供了完善的外部條件。

2） 系統(tǒng)設計人性化，使用方便，操作安全。軟件界面設置模仿常見的顯示儀表顯示屏界面，界面布置簡潔明了，通過筆記本鼠標或觸摸板就可以完成所有操作，人機交互方便；系統(tǒng)大量采用光電隔離技術，為系統(tǒng)的安全操作提供支持。

3） 根據(jù)便攜式多功能變頻系統(tǒng)檢修儀應用實際，總結(jié)分析故障原因和檢修過程，編制常見故障的檢修流程，實現(xiàn)了快速查找故障原因，縮短維修時間，保證了變頻器節(jié)態(tài)運行率，使變頻器長久有效地發(fā)揮節(jié)能作用。

4） 在今后的變頻器選用過程中，建議采用統(tǒng)一型號，減小維修難度和增加配件的通用性。另外，應加強變頻器的日常管理，減少故障率。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.013

2015-11-27

（編輯 李發(fā)榮）

付麗，2010年畢業(yè)于大慶石油學院（石油工程專業(yè)），從事機采節(jié)能工作，E-mail：dqfuli@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)第四采油廠第五油礦，163511。