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双作用三直线电机往复泵试验装置研究 张培志，等

双作用三直线电机往复泵试验装置研究

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｅｓｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ａｃｔｉｎｇ Ｔｒｉｐｌｅ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒ Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ＰｕｍＯ

倍志 侯勇傻 罄斜满２ 龙 磊。

（西南石油大学电气信息学院 ，四川成都６１０５００；

西南石油大学机电工程学院 ，四川成都６１０５００；青海油田天然气开发公司 ，青海格尔木８１６０００）

摘要：针对传统往复泵结构复杂、效率低、输出流量和压力波动大、维修不方便等缺点，提出并研制了一种双作用三直线电机往复

泵试验装置。该装置以计算机为核心，具体由通用变频器、三相圆筒型感应直线电机、ＰＣＩ数据采集卡和传感器等设备组成。通过系

统软件编程，实现了单直线电机驱动往复泵试验和三直线电机协调控制往复泵试验。试验结果验证了理论研究的正确性。

关键词：往复泵三直线电机传感器数据采集稳定性

中图分类号：ＴＰ２７３＋．５ 文献标志码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｐｕｍｐｓ，ｅ．ｇ．，ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌａｒｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ

ｆｌｏｗ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ａｃｔｉｎｇ ｔｒｉｐｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．

Ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｋｅｍｅｌ，ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ，ＰＣＩ ｄａｔａ

ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｒｄ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒｓ，ｅｔｃ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ疙瘩汤的家常做法 ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓｉｎ￣ｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｒｉｐｌｅ

ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ ａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｅｓｔｓ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ Ｔｒｉｐｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ

０引言

往复泵可在高压下输送高黏度、大密度和高含砂

量的液体，具有效率高、排出压力大等优点，在石油钻

井、酸化压裂、注水等石油矿场生产过程中得到了广泛

的应用 。

随着石油工业的发展，其对往复泵的要求也越来

越高。传统的往复泵在技术日益成熟的同时也存在一

些问题，如流量压力波动大、易损件寿命短、质量大等

缺点；为了使排量均匀，并提高泵的吸人性能，往复泵

需要加装排出、吸人空气包等。针对传统往复泵的上

述缺点，国内学者提出了一种三直线电机往复泵 。

研究表明，三直线电机往复泵具有输出压力大、制

造维修方便、流量压力脉动小等特点；三直线电机往复

泵不需设置排出空气包，就可以使排量均匀度达到高

性能水平 。为了验证理论研究的正确性，本文研制

了一种以计算机为核心的双作用三直线电机驱动往复

泵试验装置。

四川省应用基金资助项目（编号：０５ＪＹ０２９－０９７）；

四川省教育厅自然科学重点基金资助项目（编号：２００５Ｄ００８）。

修改稿收到日期：２０１１—０５—１６。

第一作者张培志（１９６４一），男，１９８５年毕业于重庆大学自动化专业

获学士学位，副教授；主要从事仪表智能化与过程控制方面的研究。

《自动化仪表》第３３卷第５期２０１２年５月

１往复泵装置工作原理

双作用三直线电机往复泵结构示意图如图１

所示。

活塞总成

图１ 三直线电机往复泵结构示意图

Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｉｐｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｒｅｃｉｐｒｏｃ春砂 ａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ

通过控制该装置的阀门，不但可以进行单直线电

机和三直线电机驱动往复泵控制技术研究；同时也可

以分别进行单作用输送和双作用输送稳定性

研究 一 。

通过改变直线电机工作电源的频率，直线电机驱

动往复泵可以调节直线运动速度，从而达到调节往复

９

双作用三直线电机往复泵试验装置研究张培志，等

泵冲次、调节排量的目的。

单作用是指直线电机只驱动１个往复泵。该试验

装置的每台直线电机可以驱动２个左右的往复泵。．当

直线电机的动子－活塞组件从左向右运动时，左边的往

复泵工作于吸人状态，而右边的往复泵工作于排出状

态；当直线电机的动子一活塞组件从右向左运动时，左

边的往复泵工作于排出状态，而右边的往复泵工作于

吸入状态。显然，双作用比单作用的效率更高、稳定性

更好。

三直线电机往复泵的三个直线电机都可以单独控

制，并进行单电机试验。单电机试验的主要目的是为

了测试系统中各个环节的参数，建立动子－活塞组件冲

程和冲次与直线电机速度控制的关系，从而为三直线

电机协调控制打下基础。

三直线电机动子一活塞组件的速度与位置呈一一

对应的关系 。设ｓ为一个往复泵内部活塞的冲程，

控制３个电机之间的行程差各为Ｓ／３，以１号直线电机

为参考，它超前２号直线电机和３号直线电机的行程

分别为Ｓ／３行程和２Ｓ／３行程。因此，通过控制三个直

线电机动子一活塞组件的位置，就可以实现三直线电机

协调控制。

２控制系统设计

２．１系统硬件

直线电机驱动往复泵控制系统硬件框图如图２

所示。

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Ｉ ＲＳ通－２信３２转／Ｒ换Ｓ－器４８ １ ．④ ，－Ｑ

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图２控制系统硬件框图

Ｆｉｇ．２ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ

根据直线电机往复泵试验装置工作原理，设计了

双作用三直线电机往复泵试验装置的计算机直接控制

系统。

系统硬件部食疗 分主要由以下几个部分组成：３个三

相圆筒型直线异步电动机、３个位移传感器、１个压力

传感器、１个流量传感器、３台变频器、１个ＰＣＩ信号采

集卡、１个ＲＳ－２３２／ＲＳ．４８５通信转换器。

系统每台电机的控制回路由检测单元、运算单元

和控制单元组成，３台电机共有３个控制回路。作为

核心控制单元的计算机，负责采集位移信号。通过控

制算法运算后，再通过通信接口，把控制信号发送给变

频器；由变频器控制直线电机驱动往复泵工作，从而实

现对直线电机速度、位移等的协调控制；最终实现对往

复泵冲程和冲次的控制，使汇管流量和压力稳定在一

定的数值。

在系统汇管出口安装有１只压力变送器和１只流

量变送器，负责采集各种控制模式下的液体输送出口

工况。

２．２系统软件

系统软件采用ＶＢ程序编写，主程序流程框图如 描写乡愁的诗句

图３所示。

图３主程序框图

Ｆｉｇ．３ Ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ

在测控系统硬件电路确定之后，其主要功能由软

件来实现。

为了达到实时、灵活、可靠、有效等要求，将测控应

用软件进行模块化设计。系统主要模块及其相应的功

能分别介绍如下。

①实时数据采集及处理模块。实时数据采集程

序主要完成５路模拟信号的采样、输入变换、存储等；

数据处理程序主要完成标度变换和实时曲线绘制。其

中，标度变换是把采集到的数字量转换成操作人员熟

悉的工程量，实时曲线绘制是把采集的数据通过曲线

直观地表达给操作者。

②控制模块。控制模块主要控制直线电机按照

一定的速度曲线实现往复运动，最终三直线电机按照

１ ０ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｋ ３３ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１２

双作用三直线电机往复泵试验装置研究 张培志，等

给定的运动规律实现主从同步协调控制。因此，对控

制结构的研究是该测控系统的重点。

③监控报警模块。该模块针对系统可能出现的

毁坏情况进行自动检测，当系统出现异常情况时，立刻

报警并自动停止工作。

④系统管理模块。该模块首先将各个功能模块

组成一个程序系统，并管理调用各个功能模块运行；其

次是管拉住妈妈的手简谱 理数据文件的存储和输出。

⑤数据通信模块。该模块主要完成计算机与变

频器之间、计算机与ＰＣＩ数据采集卡之间的信息传递

和交换。其具体任务是设置数据传送的波特率、向数

据采集卡和变频器发送机号、接收和判断采集发回的

机号、命令数据采集卡传送数据、接收数据采集卡传来

的数据以及发送相关数据到变频器等。

２．２．１单直线电机试验程序设计

单直线电机试验程序主要由参数设定模块、速度

控制模块、报警与数据处理模块和通信模块等组成。

其程序框图如图４所示 。

开始

参数设置等初始化

试验开始？

速度控制器 ｌ

三三三二ｊＥ三 一

运算结果发送变频嚣ｌ

＝二二二Ｅ＝＝＝＝二＝

读取压力、流量测量值ｌ

————１－—

＜

＜ 磊 『；岁

图４试验程序框图

Ｆｉｇ．４ Ｔｅｓｔ ｐｒｏｇｒａｍｓ

单电机动子一活塞组件的冲程Ｊｓ与某一速度之间

的实测速度曲线如图５所示。在一个吸入冲程Ｊｓ或排

出冲程ｓ内，电机都有一个速度上升阶段、速度恒定阶

段和速度下降阶段。通过控制直线电机的速度，就可

以得到需要的动子．活塞组件冲次。需要注意的是，在

吸人冲程与排出冲程之间，需预留有一定的死区，以克

服电机反向时的惯性。

《自动化仪表》第３３卷第５期２０１２年５月

图５单直线电机试验实测速度曲线

Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｐｅｅｄ ｅｕｒｖｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｔｅｓｔ

２．２．２三直线电机试验程序设计

三直线电机试验程序框图与单直线电机试验程序

框图类似。它与单直线电机控制的主要区别在于虚框

内的速度控制器不同，单直线电机只有１个速度控制

器，而三直线电机需要３个速度控制器。为了实现三直

线电机协调控制往复泵，三直线电机速度控制器软件编

程采用了主从同步结构。速度控制器结构如图６所示。

只需设定１号直线电机的给定信号，２号和３号直线电

机的给定信号程序按主从同步规律自动马拉松赛跑 生成。该速度

控制器结构还可以补偿机械传动系统的误差以及反馈

回路的系统误差。速度控制器结构既控制了速度，又控

制了相位，达到了速度相位协调控制的目的。

主从同步控制器 ；ｒ‘ ‘—— —— 一 ｌ 位移传感器ｌ —］

变频器－Ｈ 赣瑟

噩圜 匾 豁

厂— 面 卜＿］

受圈 匾 ＋匾

图６速度控制器结构图

Ｆｉｇ．６ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

三直线电男牛女猪婚姻相配吗 机动子．活塞组件的实测速度曲线如图７

所示 引。

图７三直线试验实测速度曲线

Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｐｅｅｄ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍｐｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｔｅｓｔ

（下转第１４页）

１１

液体流量标准装置中调节阀后流速分布研究马龙博，等

③在距离调节阀１０倍管径处，管道中的水流流速

分布与距离调节阀５倍管径处的水流流速分布相比，其

分布变得均匀、规则，并且其分布的对称性（指以管道中

心线为中心上下对称分布）较５倍管径距离下的对称性

略佳。该分布情况是由于水流经过了长度为１０倍管径

距离的直管段整流，水流的脉动已基本消除，因而水流

流速变得均匀、规则，流速的对称性也略有增加。

④在距离调节阀１０倍管径处，流速分布并非以中

心线为中心呈上下对称分布（相同开度下，流速越大，流

体在管道中的流速分布愈不对称），而是随皮托管深入

管道内距离的增加，其流速逐渐增大，在０．３ｄ～０．４ｄ附

近，其流速达到最大，随后随皮托管深入管道内的距离

增大，流速逐渐较小。上述流速分布尽管变得均匀规

则，但其分布与正常状态下的流速分布（正常状态下的

流速分布是在管道中心线附近，流速最大，距离中心线

越远流速越小，并且以中心线为中心呈对称分布）相比

仍然具有较大改善。

调节阀对管道中的水流流场扰动以后，会产生较

大桑叶茶的作用 的水流脉动及流速分布不对称现象。经过１０倍管

径长度的直管段整流，水流脉动基本可以消除，使得水

流变得均匀、规则；但１Ｏ倍管径长度的直管段整流使

得水流流速分布的对称性相对较好，但与正常状态下

的水流流速分布相比仍有一定差异。

４结束语

利用皮托管可以测量管道中水流流速的优点，并

通过改变皮托管深入管道内距离的方式，得到了距离

调节阀１倍、５倍及１Ｏ倍管径处的水流流速分布图；

同时，对上述流速分布图进行了详细分析，得出了ｌ０

倍管径长度的直管段还不能够完全将调节阀扰动后的 膘肥体壮

水流流速分布转变成以管道中心线为中心的对称流速

分布的结果。上述研究结果为深入了解调节阀对管道

内流体的扰动现象，进一步揭示调节阀流场扰动对流

量计量和检测带来的问题提供了有力的参考，从而为

提出有效控制流场干扰的方法奠定了坚实的基础。

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（上接第１１页）

３ 结束语

本文所研制的双作用三直线电机往复泵试验装置

可减少中间过程中的能量损耗，克服传统往复泵传动

链长、系统柔性差、效率低、压力波动大、冲程不便调节

以及维修不方便等缺点。各缸间无机械耦合，完全依

靠控制系统实现要求的运动相位和运动速度，可方便

实现无级调节。因此，该装置的成功研制对直线电机

在往复泵中的应用具有重要的理论意义和工程应用

价值。

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１４ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｋ ３３ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１２