游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统设计

机胶带传动参数实时监测、张紧力自动调节的控制系统。以STM32单片机为核心控制器，针对系

统检测、主控及电机驱动输出等环节进行分模块设计，根据系统传递函数绘制了 Bode图和单位阶

跃响应曲线并判定系统的稳定性。由霍尔传感器和钮铁硼磁铁组成的检测模块获得带轮张紧的参 数，LCD显示模块显示由STM32单片机处理后的参数，控制器将参数比较后控制电磁继电器的正

反转和固态继电器的供电，调整张紧机构三相永磁电机正反转及启停状态，从而实现抽油机电机 位置调整，进而调整胶带张紧状态。现场试验中，胶带滑差率处于1.00%-2. 35%范围内。这说 明系统能够更快速地使抽油机胶带传动调整为最佳使用条件，可有效避免胶带打滑。关键词：游梁式抽油机；STM32单片机；自动张紧控制；模块设计中图分类号：TE938 文献标识码：A DOI： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2019. 08. 016Design of Automatic Tension Control System for Beam Pumping Unit BeltXu Guotai Li Jianwei Sun Fengyao Cao Lianmin(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology)Abstract: To address the slipping problem in the working process of the beam pumping unit belt, a control

system which can real-time monitor the belt transmission parameters and automatically adjust the tensioning force is designed. Taking the STM32 single chip microcomputer as the core controller, the sub-module design is carried out for the system detection, main control and motor drive output. The Bode diagram, un让 step response curve are drawn based on the system transfer function and the stability of the system is determined. The Hall sensor and the

neodymium-iron-boron magnet constitute a detection module to obtain the parameters of the belt pulley tensioning. The LCD display module displays the parameters processed by the STM32 single chip microcomputer. The controller

compares the parameters to control the positive and negative rotation of the electromagnetic relay and the power sup­

ply of the solid state relay. By adjusting the forward and reverse and start and stop state of the three-phase perma­nent magnet motor of the tensioning mechanism, the pumping unit motor position could be adjusted to adjust the belt tension state. In the field test, the slip ratio of the belt was in the range of 1. 00% to 2・ 35%. This indicates

that the system can adjust the pumping unit belt drive to the optimum conditions more quickly, which can effective­ly prevent the belt from slipping.Keywords： beam pumping unit； STM32 single chip microcomputer； automatic tension control; module design

0 引言

工作一段时间后胶带会产生一定范围的塑性变形, 出现打滑现象。打滑现象会使胶带在轮槽内左右跑偏，电动机空转、不能及时准确地输出由电动机输

游梁式抽油机胶带大都有良好的延展性，连续 入的动力，从而直接影响油井抽油效率⑴。针对*基金项目：国家青年基金项目“搅拌摩擦加工镰铝青铜合金耐腐蚀疲劳组织优化及机理研究” (51801115)；山东省自然科学基金项

目“海洋环境下镰铝青铜合金抗腐蚀疲劳裂纹扩展组织优化及机理研究” (ZR201709220253) 02019年第47卷第8期徐国泰，等：游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统设计—101 —游梁式抽油机胶带工作中所存在的打滑问题，过去 翻转，产生一次脉冲，霍尔传感器将感应到的磁场

变化信号输入至主控制器来记录产生的脉冲个数,

主要采用人工干预的方法。人工干预的形式不能及 时发现抽油机胶带是否有打滑趋势，对巡检工人经

验的依赖性太大；缺乏标准张紧准则，不能准确地

并根据单位时间内的脉冲个数取平均值，即可反映 一段采样时间的带轮平均转速⑶。实现胶带松紧状态定量调整。本文以解决游梁式抽油机胶带打滑问题为切入

霍尔开关型传感器UGN3019的测量接线原理

如图2所示。将一非磁性圆盘固定装在带轮上，周

点，开展抽油机胶带自动张紧控制系统技术研究,

确保抽油机胶带传动的节能高效和胶带张紧状态的

围用环氧树脂粘贴擲铁硼磁铁，霍尔元件固定在距

离钿铁硼磁3〜10 urn处⑷。传感器采用+ 12 V直

流电源，输出端接300 Q上拉电阻。霍尔开关型传

自动调节，同时丰富油田生产节能增效技术的研究

内容⑵。1系统方案设计抽油机胶带张紧自动控制系统的结构如图1所

示。系统包括四个功能单元：参数设定模块、转速

检测模块、LCD显示模块和具有继电器的执行模块。图1控制系统方案图 Fig. 1 Control system plan参数设定模块通过外部键盘将系统所应用主从

带轮的直径输入控制程序中；输入的轮径将作为计

算胶带转速及传动滑差率、判断胶带张力是否需要

调节的原始参数。转速检测模块通过霍尔传感器感

应磁铁产生脉冲，通过在控制器单位时间内产生的

计数次数计算主从动轮转速，进而计算胶带实时滑 差率与预设值比较，判断出抽油机胶带传动工作是

否正常。LCD显示模块用于显示设定转速、实时 滑差率、抽油机当前的工作状态、调节次数以及胶

带使用时间等，方便现场工作人员使用与调试。控 制输出模块根据控制器的计算、比较结果确定控制

正反转电磁继电器模块和固态继电器的线圈吸合,

进而对系统驱动电机的工作状态准确控制，配合减

速张紧机构完成胶带张紧的调整。2硬件设计2.1检测电路设计根据霍尔效应原理，当外加磁场靠近传感器 时，触发器翻转，使传感器输出高电平；当外加磁

场远离传感器时，差动信号接近0V,触发器发生

感器的检测电路如图3所示。输出脉冲图2霍尔开关传感器示意图Fig. 2 Schematic diagram of the Hall switch sensor图3霍尔开关型传感器检测电路示意图Fig. 3 Schematic diagram of the Hall switchsensor detection circuit2.2控制电路设计张紧机构电机采用的是三相永磁电机。为了满

足抽油机电机位置双向调整的需求（即当检测到

的胶带张力过小时继电器控制电机正转，使得胶带 变紧；反之继电器控制电机反转，使得胶带变

松），确定正反转电磁继电器控制模块串联SSR继

电器缓冲控制的方法控制执行机构⑸。控制器输出电流大小仅为几毫安到十几毫安,

无法驱动继电器线圈吸合，电磁继电器的驱动电路

采用了 NPN型三极管S9011结合光耦TLP521进行 驱动电路电流放大来驱动继电器，电路原理图如图

4所示。在SSR继电器控制电路中考虑继电器的开合 时间和惯性负载的响应时间，设计此RC延时控制

电路⑹，可通过电容的充电时间来获得延迟时间,—102 —石油机械2019年第47卷第8期图4单个继电器驱动电路Fig. 4 Single relay drive circuit固态继电器控制

使电磁继电器控制模块与SSR间产生时间差。延

时控制电路如图5所示。驱动电路仿真分析图如图

6所示。计算依据为：T = RCln E-^

V

V； V为电压，vo(1)')图5延时控制电路Fig. 5 Delay control circuit式中：人为电阻，Q; C为电容，F； E为电动势,

通过计算和仿真分析，确定了延时时间约为

500 ms的延时电路，即该电路可使SSR继电器接

的电压隔离。选取10 mH的电感以提高电源性 能⑺。采用LM78XX系列三端稳压器件作为集成

稳压器件，稳定工作电流可达1 Ao稳压芯片两侧

通时间相对于电磁继电器模块滞后500 ms,对应

的延时电路仿真图如图7所示。2.3辅助电路设计加滤波电容和退耦电容，可保证其输出具有较高的

精度和较小的纹波，为包括数字系统的电路供电。 稳压电源采用AMS1117-3. 3V,其输出电压为

3. 267〜3.333 V,最大负载调节为15 mV,最大静

辅助电路如图8所示。DC/DC2412电源模块

作为开关电源器件，输入电压为+24 V,输出电压 为+12 V,额定功率为2 W,实现输入端和输出端态电流为10 mA⑻。2019年第47卷第8期徐国泰，等：游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统设计—103 —Fig. 7 Simulation diagram of the delay circuitAGND图8辅助电路Fig. 8 Auxiliary circuit按键设置张力的大小并且采集信号。LCD显示当3 软件设计

3.1主程序设计

前的状态，系统将设定值与当前张力值比较产生控制信号，控制SSR继电器的通断，校正胶带张力。系统始终处于LCD显示、判断、数据存储的无限循环中，信号检测和输入作为中断程序⑼。主程在程序开始时，先进行系统初始化，然后通过

—104 —石油机械2019年第47卷第8期序流程如图9所示。图9主程序流程图Fig. 9 Flow chart of the main program3. 2执行单元程序设计控制程序的设计主要由两部分组成，一部分是

控制器内部算法，另一部分是控制信号输出。控制

器内部算法涉及到可表示滑动效果的滑动率抽 油机胶带传动弹性滑动产生的滑差率根据经验可控

制在0.01〜0.02,即£二0.01〜0.02时胶带张紧处

于正常水平。胶带张紧自动调整系统需要实现精准

张紧还需进行现场试验分析。3.2. 1控制器内部算法控制器内部算法主要指的是比较运算，比较运

算指的是滑差率设定值与滑差率检测值的比较。即 将检测的主从动轮转速运算转化为滑差率检测值

6,当0.01 ＜巧＜ 0.02时，表示胶带张紧处于正 常水平，只进行数据收集；当6 ＞ 0.02即胶带过

松时，控制器控制电机正转；当鬥＜ 0.01即胶带

过紧时，控制器控制电机反转。控制比较程序流程 如图10所示。3.2.2控制信号输出在本系统程序设计中，控制信号输出时间为外 部定时器确定的10 s, 10 s后控制信号自动关断。

经严格的计算与测试，10 s控制信号的输出，张紧 装置移动6 mm,在多次循环矫正后，最终检测到 张力符合要求，主从动轮的自动张紧过程完成。本

系统设计控制信号的输出时间间隔为10 s,即每隔

10 s的时间控制器就会根据正反转控制模块使能控图10控制比较程序流程图Fig. 10 Flow chart of the control and comparison program

制要求输出一个或高或低的控制信号，本部分为定

时器中断服务程序。4系统特性分析4.1放大环节数学模型系统中，功率放大功能主要由含有两个电磁继

电器的正反转模块与一个普通固态继电器串联完

成。该串联组中单个继电器可视为比例环节，其数

学模型表示为3 :（2）

式中\"。为放大环节输出电流，取决于负载需要的 输入电流，A ；Ka为单个放大环节放大增益，A/V；

E为放大环节输入电压，V。对应的传递函数为：已知控制系统中放大环节控制的驱动电机输入 电流为1 = 10 =0. 13 A,各继电器输入电压为〃：二

12 V,代入式（3）可得单个放大环节的放大增益

Ka -0.010 8 A/V。该环节由两个电磁继电器并联

后串联一个固态继电器组成，总的传递函数为

Ga（s） = 2心-2.4 x 10\"。4.2系统传递函数确定从系统控制信号相关连的比较点开始，根据系

统结构确定的信号流向及各单元传递函数，建立系 统各环节方框图［⑴；以各单元间信号流关系为基

础，从系统输入量（给定信号E）出发至系统输 出量（抽油机电机位移叫），连接包含系统传动结

构及反馈环节在内的各环节方框图，得到不考虑干

扰情况下，抽油机胶带张紧自动调整系统传递函数

方框图，如图11所示。图11中，瓦为蜗轮传动副的增益，Kx为螺旋

传动的增益，Km为电动机电磁力矩常数，为电动2019年第47卷第8期徐国泰，等：游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统设计—105 —50. 1° ,相位穿越频率叫=2. 24 rad/s，幅值穿越

频率叫=0. 639 rad/s ,即系统幅值和相位裕度均 为正值，由Bode判据可知该系统稳定。系统的幅

值裕度Kg>6dB,相位裕度在30。〜60。之间，能

图11系统传递函数方框图Fig. 11 Block diagram of the system transfer function够满足工程控制要求，说明系统具有满意的稳定性

储备。由图13可知，单位阶跃相应为一衰减振荡曲

机轴上折算到的总转动惯量。由图11可求得抽油机胶带张紧自动调整系统

线，随时间的增加，逐渐趋于稳定，也能反映该系

的开环传递函数。分别将系统各子单元的传递函数

参数带入，可得：G(s)3.825二54(1. 123 x 10_45 + 1)⑷4. 3系统稳定性分析在MATLAB中，利用4.2中得到的系统开环

传递函数计算得到抽油机胶带张紧自动调整系统

Bode图及单位阶跃响应曲线，分别如图12和图13

所示。图12 系统Bode图Fig. 12 System Bode diagram图13系统单位阶跃响应图Fig. 13 Unit step response diagram of the system由图12可得到系统开环对数幅频和相频特性,

即该系统的幅值裕度电二17. 9 dB ,相位裕度y二统稳定。5试验及现场应用游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统在试验中

的测量频率精度为1 Hz,该精度对于转速在1 000

r/min左右的抽油机带轮转速测量来讲已经足够,

通过试验选取计数时间为500 ms。为保证抽油机 胶带张紧自动调整系统的实用性，在冀东油田进行

系统现场安装。为研究常规游梁式抽油机胶带滑差率的变化范 围及规律，根据抽油机型号和冲次不同，分别在初

张紧力（大于计算的理论最小初张力）为2.4 kN

（67号井）的情况下进行试验，检测两带轮实时转

速，分析计算不同调整距离（带轮中心距不同,

胶带包角不同）时，胶带滑差率的变化情况。其

中，初张力2.4 kN为设计依据的CYJ8-3-48HB 型抽油机胶带初调张紧力；试验中，所有胶带初张

紧力的设定均在开抽前使用手持式张紧力测试仪确 定。试验结果表明，抽油机胶带传动在弹性滑动区

工作时，滑差率上限为2.35%,即抽油机胶带张

紧自动调整系统应控制胶带实时滑差率£处于

1.00% ~ 2. 35%范围内。此时胶带传动处于正常

工作状态，无明显打滑现象，胶带传动平稳。抽油

机胶带自动张紧控制系统调试中所确定的抽油机胶

带能够安全使用的滑差率范围确定合理，能够更快

速地使抽油机胶带传动调整为最佳使用条件，可有

效避免胶带打滑。6结论（1） 设计了一套基于STM32为核心控制器的

游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统，系统将胶带 张紧情况的信息进行显示，实现了显示控制模块功

能，能够根据胶带松紧状态定量调整。（2） 硬件设计中，检测电路通过霍尔传感器

—106 —石油机械2019年第47卷第8期检测胶带主动轮和从动轮的转速，确定胶带张紧程

度。控制电路采用正反转电磁继电器控制模块串联

SSR继电器缓冲控制的方法控制执行机构。系统满

[6]

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紧功能。(3) 通过建立系统放大环节，进而推导出抽

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油机胶带张紧自动调整系统的开环传递函数，利用

MATLAB得到系统的Bode图和单位阶跃响应曲线，

5-8.[7]

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常，可按照输入参数准确计算胶带滑差率，实现了 胶带张紧力的自动调整。参考文献[1] 王庆华.浅谈抽油机井皮带易断原因及防治措施

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ing model of combined pumping unit [ J ]. Science & Technology Vision, 2018 (29): 53-54.第一作者简介：徐国泰，生于1995年，现为在读硕士 研究生，研究方向为机电液一体化。地址：(266590)山东 省青岛市o E-mail: 1354851976@qq.com。收稿日期：2019-04-24

(本文编辑刘峰)