抽油机电机保护与自启动控制器设计方案

针对采油厂抽油机实际运行中容易出现的故障，设计了一种以STC15F204EA芯片为核心的智能控制器，能够实现对抽油机电机的保护和自启动控制，具有很好的经济效益与应用前景。

0 引言

抽油机是油田中基础、常见的设备，被采油厂大规模的使用，但由于雷击、负荷不平衡、电网电压过低等原因经常发生停机和烧毁电机的现象，频繁需要人工去重启和维修。由于分布分散，距离中心站远，人工重启与维修比较费时、费力，不仅影响生产而且维修成本也比较高。鉴于此种情况，设计一款具有保护和重启功能的控制器具有很大的实际意义。

1设计方案与工作原理

本控制器采用以STC15F204EA为核心的单片机控制系统，由电源、报警、启动、暂停及检测等单元组成。图1为系统结构框图。

图1 整体结构框图

控制器通过检测单元实时监视抽油机的工作状态，当发生电网波动、雷击、人为损坏等情况，造成抽油机工作不正常时，通过检测比较三相电机的工作电流，来判断电机是否缺相或过载，如有缺相或过载情况发生，则使电机停止运行，从而起到保护电机的作用。如果电网恢复正常供电、电机负载正常，则通过启动单元自动完成重启工作。抽油机开始运转前，通过声音进行报警，提示附近人员远离，保证安全。

2 硬件系统设计

2.1 系统电源设计

控制器的工作电源是2 2 0 V 、5 0 H z 交流电， 但主控芯片STC15F204EA单片机、键盘电路、LED等，需要提供+5V电压;报警电路需要提供+12V电压。故本设计中又以TOP Switch系列开关电源集成芯片构建一辅助电源。其输入交流电压220V±10%，输出为直流，给单片机提供要求的5V/1A电源。整个电路可主要分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、变压器、输出整流滤波电路及反馈电路部分。电源系统电路，如图2所示。

图2 系统电源电路

2.2 报警电路设计

图3为电网断电又恢复供电后，重新开机的预警装置，三极管Q1为NPN型三极管。通电后，电阻R36输出高电平，三极管Q1导通，继电器K1使常开开关闭合，使电路导通，驱动预警电动喇叭开始提示电网恢复供电，人员请远离;二极管D13起到保护电路的作用。开机前预警电动喇叭提示时间长短，可自由设定，防止多台抽油机同时开机造成电网启动负荷过重。

图3 报警电路

2.3 启动暂停电路设计

如图4所示，图中所表示的为来电启动电路和故障暂停电路。原理同图4，三极管为NPN型三极管。通电后，电阻输出高电平，三极管导通，继电器把开关闭合，使电路导通，启动整个控制器，二极管起到保护电路的作用。

图4 启动暂停电路

暂停电路原理与启动电路相同，电机转动出现故障后，继电器把常闭开关断开，使电路断路，暂停整个系统的运行。

2.4 检测电路设计

检测电路用来检测三相电机工作电流，判断整个三相电源电路中是否产生缺相，并能检测出电机是否过载。

通过电流互感器T2、T3、T4检测三相电机工作电流大小，串连一个0.1的电阻，将电流信号变换为电压信号，再通过精密整流电路和RC滤波电路，将电压平均值稳定在5V，直接接入单片机。单片机控制AD进行高速采样，然后对采样结果进行运算即可得到被测电流的有效值。

2.5 键盘指示灯设计

图5为控制器的键盘指示灯电路。

图5 键盘指示灯电路

智能抽油机控制器前面板有一个指示灯和一个按键，当按键按下时，指示灯为黄色闪动，长时间连续按下时，指示灯变成黄色常亮，同时驱动外接预警电动喇叭发出提示音，提示音播放时间长短由按键按下时间决定，这个时间也是预警启动时间。按键释放，预警电动喇叭停止播放，完成预警时间设定，智能抽油机控制器自动转入正常工作状态或报警工作状态。

抽油机有三种工作状态。正常工作状态：绿色指示灯闪烁，电网供电正常，抽油机工作正常;报警工作状态：红色指示灯闪烁，电网供电正常，抽油机停机;设定工作状态：黄色指示灯闪烁;黄色指示灯瞬间闪烁一次：存储当前工作状态。

3 系统软件设计

本设计的主控芯片采用STC15F204EA单片机，系统软件采用C语言编程。系统的主程序包含A/D采集子程序、读写存储器子程序等。当电网恢复供电时，首先读取存储器状态，判断是人为停机还是电网停机，若是人为停机，系统则不采取任何动作;若为电网停机，将启动喇叭和电机。然后扫描键盘，判断键盘动作;读取电机状态，判断电机状态是否改变。检测电流，判断三相电流是否平衡，若不平衡，将电机暂停。

4.安科瑞智能电动机保护器介绍

4.1产品介绍

智能电动机保护器（以下简称保护器），采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。

4.2技术参数

4.2.1数字式电动机保护器

4.2.2模块式电动机保护器

4.3产品选型

说明：“√”表示具备，“■”表示可选。

5结束语

本文设计的基于STC15F204EA单片机的智能控制器，采用一种简单、实用、低成本的方案，能够在超载时保护电机并实现电机停机后的自启动控制，在现代工业生产中具有重要的作用，用它来对油田使用的抽油机恢复供电和保护电机，给采油厂带来极大的方便，节约大量的人力和物力。

责任编辑：tzh