本實用新型涉及油田開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種油田抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

抽油機是一種周期交變負(fù)載，帶有沖擊性，轉(zhuǎn)動慣量較大，并且是帶負(fù)載起動，因此所需起動轉(zhuǎn)矩較大，需求的電動機功率也較大。抽油機在一個周期內(nèi)負(fù)載波動很大，為了滿足起動要求，保證帶載起動時能克服抽油機較大的慣性扭矩，使得運行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩，要求在選擇驅(qū)動電機時留有足夠的余量，這就導(dǎo)致抽油機的驅(qū)動電機經(jīng)常處于“大馬拉小車”的運行狀況，驅(qū)動電機在抽油機運行過程中處于輕載狀態(tài)，負(fù)荷率很低，電機的運行效率很低。抽油機運行過程中，驅(qū)動電機電流的大小和相位在一個沖次內(nèi)也是不斷變化的，在一個沖次中存在兩個瞬間發(fā)電狀態(tài)。電動機屬于感性負(fù)載，電流滯后于電壓，導(dǎo)致產(chǎn)生無功電流，功率因數(shù)較小，也造成電能的浪費。另一方面，當(dāng)變頻器驅(qū)動抽油機的驅(qū)動電動機在制動或者下放位能性負(fù)載過程中,電動機處于再生制動狀態(tài)，傳動系統(tǒng)中的機械能通過電動機轉(zhuǎn)換成電能，變頻器中續(xù)流二極管將這種能量回饋到變頻器直流側(cè)電容C中，使直流側(cè)電壓升高，產(chǎn)生泵升電壓，若不及時釋放這部分能量，則勢必會引起變頻器過壓保護動作或造成主回路大功率器件的過壓損壞。泵升電壓經(jīng)過電阻耗散能量，不僅浪費了能源，有時也會產(chǎn)生某些副作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實用新型的目的在于提供一種抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效節(jié)能自動控制的目的。

本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種油田抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)，包括PLC模塊、變頻器、能量回饋單元和數(shù)據(jù)采集單元，所述PLC模塊、變頻器和能量回饋單元設(shè)于電控室的控制柜內(nèi)，所述變頻器通過RS485的方式與PLC模塊連接，所述PLC模塊通過變頻器控制抽油機驅(qū)動電機的啟停，所述能量回饋單元的輸入端與變頻器連接，其輸出端與電網(wǎng)電源連接，所述數(shù)據(jù)采集單元與PLC模塊連接。

進一步，所述數(shù)據(jù)采集單元包括稱重傳感器、載荷和角位移傳感器和智能電表，所述重傳感器和載荷和角位移傳感器設(shè)于抽油機運行現(xiàn)場，所述智能電表設(shè)于電控室的控制柜內(nèi)，所述稱重傳感器通過模擬量輸入模塊與PLC模塊連接，所述載荷和角位移傳感器通過Zigbee模塊與PLC模塊連接，所述智能電表通過RS485的方式與PLC模塊連接。

進一步，所述數(shù)據(jù)采集單元還包括稱重傳感器單井計量裝置，所述單井計量裝置設(shè)于抽油機運行現(xiàn)場，所述單井計量裝置均通過RS485的方式與PLC模塊連接。

進一步，還包括HMI，所述HMI設(shè)于電控室的控制柜內(nèi)，并通過RS485的方式與PLC模塊連接。

進一步，還包括上位監(jiān)控終端，所述上位監(jiān)控終端通過通信模塊與PLC模塊連接。

進一步，所述通信模塊包括GRM無線終端、工業(yè)級交換機和無線路由器。

進一步，所述上位監(jiān)控終端包括手機移動終端和PC終端。

本實用新型的有益效果是：

(1)本實用新型的一種油田抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)，PLC模塊根據(jù)稱重傳感器采集的油井出液梁和智能電表采集的抽油機驅(qū)動電機運行的電參數(shù)判斷是否需要啟動或停止抽油機，并通過變頻器控制抽油機驅(qū)動電機的啟動和停止，以抽油機驅(qū)動電機帶動抽油機運動，實現(xiàn)了抽油機自動間歇運行，達到了節(jié)能控制的目的。

(2)能量回饋單元的輸入端與變頻器連接，其輸出端與電網(wǎng)電源連接，當(dāng)抽油機下行時，變頻器將抽油機機械能產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，能量回饋單元則將直流電能通過PSG逆變技術(shù)轉(zhuǎn)換成同頻同相位的交流電能，進而把97.5％的再生電能回饋給局域電網(wǎng)，供附近設(shè)備使用，能量回饋單元完全取代電阻制動，效率更高，輸出純正弦波，始終回饋潔凈電能，節(jié)電率高達20％。

(3)通過通信模塊連接上位監(jiān)控終端與PLC模塊，通信模塊包括GRM無線終端、工業(yè)級交換機和無線路由器，上位監(jiān)控終端包括手機移動終端和PC終端，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制操作，使該系統(tǒng)可用于無人值守、野外環(huán)境、定期巡井等的油田抽油機控制。

附圖說明

圖1為一種油田抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)的原理圖；

圖2為抽油機驅(qū)動電機主電路電氣原理圖；

圖3為抽油機驅(qū)動電機控制電路電氣原理圖；

圖4為電動抱閘控制電路電氣原理圖；

圖5為一種油田抽油機節(jié)能控制方法的流程圖；

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合本實用新型的附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，基于本申請中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護的范圍。

實施例一：

如圖1所示，一種油田抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)，包括PLC模塊、變頻器、能量回饋單元、數(shù)據(jù)采集單元、HMI和上位監(jiān)控終端，所述PLC模塊、變頻器、能量回饋單元和HMI設(shè)于電控室的控制柜內(nèi)，所述變頻器和HMI通過RS485的方式與PLC模塊連接；所述數(shù)據(jù)采集單元包括稱重傳感器、載荷和角位移傳感器、智能電表和單井計量裝置，所述稱重傳感器設(shè)于抽油機機旁，與進出油管連接，通過模擬量輸入模塊與PLC模塊連接，用于續(xù)液重量(即油井出液量)的檢測；所述載荷和角位移傳感器設(shè)于抽油機的游梁之上，通過Zigbee模塊與PLC模塊連接，用于抽油桿載荷和抽油機沖程中的角位移的檢測；所述單井力量單元設(shè)于抽油機機旁，與進出油管連接，通過RS485的方式與PLC模塊連接，用于抽油機實際續(xù)液量、續(xù)液時間、油和液的(日、月、總)產(chǎn)量、含油比等的檢測；所述智能電表設(shè)于電控室的控制柜內(nèi)，通過RS485的方式與PLC模塊連接，用于抽油機運行過程中電參數(shù)的檢測；所述上位監(jiān)控終端通過通信模塊與PLC模塊連接，所述通信模塊包括GRM無線終端、工業(yè)級交換機和無線路由器，所述上位監(jiān)控終端包括手機移動終端和PC終端，所述能量回饋單元的輸入端與變頻器連接，其輸出端與電網(wǎng)電源連接。

上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了抽油機運行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和抽油機的遠(yuǎn)程操作控制，使該系統(tǒng)可用于無人值守、野外環(huán)境、定期巡井等的油田抽油機控制。

如圖2所示，抽油機驅(qū)動電機主電路，所述抽油機驅(qū)動電機主電路包括智能電表、斷路器QF1、抽油機驅(qū)動電機工頻運行主電路、抽油機驅(qū)動電機變頻運行主電路和能量回饋單元，所述智能電表連接于AC380V進線端，所述智能電表通過RS485觸頭與PLC模塊連接，本實施例智能電表優(yōu)選為EDA9033AC三相工頻電采集模塊，所述斷路器QF1為主電路的主斷路器，控制整個主電路電源的通斷，其主觸頭進線端連接于智能電表之后，其主觸頭出線端連接抽油機驅(qū)動電機工頻運行主電路和抽油機驅(qū)動電機變頻運行主電路。

所述抽油機驅(qū)動電機工頻運行主電路包括斷路器QF2、接觸器KM2和熱繼電器FR，所述斷路器QF2主觸頭進線端與斷路器QF1主觸頭出線端連接，斷路器QF2主觸頭出線端與接觸器KM2主觸頭進線端連接，接觸器KM2主觸頭出線端通過熱繼電器FR與抽油機驅(qū)動電機電源進線端連接。

所述抽油機驅(qū)動電機變頻運行主電路包括變頻器、接觸器KM1、接觸器KM3、中間繼電器KA1和中間繼電器KA2，所述接觸器KM1主觸頭進線端與斷路器QF1主觸頭出線端連接，接觸器KM1主觸頭出線端與變頻器R、S、T觸頭連接，變頻器U、V、W觸頭與抽油機驅(qū)動電機電源進線端連接，所述變頻器X1觸頭和COM觸頭之間連接有接觸器KM3的常開輔助觸頭，用于控制變頻器的啟動和關(guān)閉，所述變頻器TA觸頭和+24v觸頭之間連接有中間繼電器KA1的線圈，用于輸出變頻器運行指示信息，所述變頻器Y1觸頭和+24v觸頭之間連接有中間繼電器KA2的線圈，用于輸出抽油機主電路故障信息，所述變頻器通過RS485觸頭與PLC模塊連接，本實施例變頻器優(yōu)選為四象限運行變頻器，并選擇無速度傳感器質(zhì)量控制方式來控制抽油機驅(qū)動電機運行，這樣可保證無抽油機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速反饋的情況下，轉(zhuǎn)矩也能快速響應(yīng)，并且在抽油機驅(qū)動電機低速運行時也能獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩。

所述能量回饋單元的進線端與變頻器的DC+觸頭和DC-觸頭連接，其出線端與斷路器QF1主觸頭的出線端連接，當(dāng)沖程進行到某一程度出現(xiàn)抽油機帶動驅(qū)動電機的情況時，則關(guān)閉驅(qū)動電機，利用抽油機滑行達到節(jié)能的目的，即調(diào)不調(diào)速都節(jié)能，此時變頻器將驅(qū)動電機機械能產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，能量回饋單元則將直流電能通過PSG逆變技術(shù)轉(zhuǎn)換成同頻同相位的交流電能，進而把97.5％的再生電能回饋給局域電網(wǎng)，供附近設(shè)備使用，能量回饋單元可完全取代電阻制動，效率更高，輸出純正弦波，始終回饋潔凈電能，節(jié)電率高達20％。

如圖3所述，抽油機驅(qū)動電機控制電路，所述抽油機驅(qū)動電機控制電路包括并聯(lián)連接于AC220V電源線之間抽油機驅(qū)動電機變頻運行第一控制電路、抽油機驅(qū)動電機變頻運行第二控制電路、抽油機驅(qū)動電機工頻運行控制電路、變頻器電源指示電路、變頻運行指示電路、工頻運行指示電路和故障指示電路，所述抽油機驅(qū)動電機控制電路還包括串接于AC220V電源火線一端的熔斷器FU1。

所述抽油機驅(qū)動電機變頻運行第一控制電路包括依次串聯(lián)連接的旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA0和接觸器KM1的線圈，本實施例旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA0優(yōu)選為無自動復(fù)位的旋轉(zhuǎn)開關(guān)，所述抽油機驅(qū)動電機變頻運行第二控制電路包括依次串聯(lián)連接的旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA1的3、4觸頭、第一PLC輸出點1、接觸器KM2的常閉輔助觸頭和接觸器KM3的線圈，所述旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA1的3、4觸頭還通過數(shù)字量輸入模塊與PLC模塊的連接，所述抽油機驅(qū)動電機工頻運行控制電路包括依次串聯(lián)連接的旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA1的1、2觸頭，常閉按鈕SB2、常開按鈕SB1、接觸器KM3的常閉輔助觸頭、接觸器KM2的線圈和熱繼電器FR1的常閉輔助觸頭，所述常開按鈕SB1還并聯(lián)有接觸器KM2的常開輔助觸頭，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)，本實施例旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA1優(yōu)選為萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)。

抽油機驅(qū)動電機運行首先需要閉合斷路器QF1，若需要抽油機驅(qū)動電機工頻運行，則閉合斷路器QF2，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1轉(zhuǎn)到1、2觸頭一端將其接通，按下按鈕SB1時接觸器KM2的線圈得電，其主觸頭閉合，抽油機驅(qū)動電機得電，開始工頻運行，按下按鈕SB2時接觸器KM2的線圈失電，其主觸頭斷開，抽油機驅(qū)動電機停止，接觸器KM2的常開輔助觸頭用于自鎖，接觸器KM3的常閉輔助觸頭用于互鎖；若需要抽油機驅(qū)動電機變頻運行，則首先閉合旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA0，接觸器KM1的線圈得電，其主觸頭閉合，變頻器得電，然后將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1轉(zhuǎn)到3、4觸頭一端將其接通，PLC模塊通過數(shù)字量輸入模塊讀取其狀態(tài)并控制所述第一PLC輸出點1閉合，接觸器KM3的線圈得電，其常開輔助觸頭閉合，啟動變頻器，這是變頻器通過RS485總線與PLC模塊通信，其U、V、W觸頭控制抽油機驅(qū)動電機變頻運行。

所述變頻器電源指示電路包括依次串聯(lián)連接的接觸器KM1的常開輔助觸頭和指示燈HG，當(dāng)抽油機驅(qū)動電機變頻運行時，變頻器得電，指示燈HG亮；所述變頻運行指示電路包括依次串聯(lián)連接的中間繼電器KA1的常開輔助觸頭和指示燈HR1，變頻器啟動后其TA觸頭輸出控制中間繼電器KA1的線圈得電，中間繼電器KA1的常開輔助觸頭閉合，指示燈HR1亮；所述工頻運行指示電路包括依次串聯(lián)連接的KM2的常開輔助觸頭和指示燈HR2，當(dāng)抽油機驅(qū)動電機工頻運行時，指示燈HG亮；所述故障指示電路包括依次串聯(lián)連接的中間繼電器KA2的常開輔助觸點和指示燈HY2，所述中間繼電器KA2的常開輔助觸點還并聯(lián)后熱繼電器FR1的常開輔助觸點，當(dāng)抽油機驅(qū)動電機工頻運行時，電機過熱時，繼電器FR1的常開輔助觸點閉合，指示燈HY1亮，當(dāng)抽油機驅(qū)動電機變頻運行時，發(fā)生故障時，變頻器Y1觸頭輸出控制中間繼電器KA2的線圈得電，指示燈HY1亮。

如圖4所示，電動抱閘控制電路，所述電動抱閘控制電路包括依次串聯(lián)連接于AC220v電源線之間的抱閘線圈控制電路和抱閘線圈，抱閘線圈控制電路包括相互并聯(lián)的抱閘線圈工頻控制電路和抱閘線圈變頻控制電路，所述抱閘線圈工頻控制電路設(shè)有接觸器KM2的常閉輔助觸點，所述抱閘線圈變頻控制電路設(shè)有依次串聯(lián)連接的接觸器KM3常閉輔助觸點和第二PLC輸出點。

抽油機驅(qū)動電機工頻運行時，關(guān)閉抽油機驅(qū)動電機，接觸器KM2線圈失電，其常閉輔助觸點閉合，抱閘線圈得電，啟動電動抱閘；抽油機驅(qū)動電機變頻運行時，關(guān)閉抽油機驅(qū)動電機，PLC模塊首先控制第一PLC輸出點斷開，接觸器KM3線圈失電，其常閉輔助觸點閉合，PLC模塊再控制第二PLC輸出點閉合，抱閘線圈得電，啟動電動抱閘。

PLC模塊控制第二PLC輸出點閉合的條件為2.5m<X<4.36m，所述X表示選點相對下死點位移，的計算公式如下：X＝a(θ-θ₀)，公式中a表示抽油機游梁前臂長，本實施例中a＝3m，θ表示游梁與垂直方向的夾角，通過載荷和角位移傳感器檢測獲得，θ₀表示下死點時游梁與垂直方向的夾角。

通過電動抱閘的方式進行停機操作，實現(xiàn)了抽油機停機時的精確定位控制。

如圖1～5所示，一種油田抽油機節(jié)能控制方法，包括如下步驟：

閉合旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA0，并將旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA1轉(zhuǎn)到3、4觸頭一端將其接通，PLC模塊通過數(shù)字量輸入模塊讀取到旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA1的3、4觸頭一端接通的狀態(tài)，系統(tǒng)進入節(jié)能控制模式；在一個預(yù)熱周期后(預(yù)熱周期為系統(tǒng)自檢時間和警示用報警時間之和，本實施例中預(yù)熱周期為5min)，PLC模塊通過模擬量輸入模塊讀取稱重傳感器采集的續(xù)液重量值，此時，續(xù)液重量值為20kg，然后將該值與預(yù)熱稱重(預(yù)熱稱重根據(jù)油井實際產(chǎn)液量確定，本實施例中預(yù)熱稱重為10kg)比較，大于預(yù)熱稱重，PLC模塊通過變頻器啟動抽油機驅(qū)動電機，帶動抽油機開始工作；

在一個運行周期(本實施例中抽油機第一次運行的運行周期為5，并從抽油機第二次運行開始，每次運行結(jié)束后，運行周期的時長均進行優(yōu)化學(xué)習(xí))后，PLC模塊通過模擬量輸入模塊讀取稱重傳感器采集的續(xù)液重量值，此時，續(xù)液重量值為14kg，然后將該值與停機稱重(停機稱重根據(jù)油井實際產(chǎn)液量確定，本實施例中停機稱重為10kg)比較，大于停機稱重；然后PLC模塊通過RS485總線讀取智能電表采集的抽油機驅(qū)動電機的相電流、功率因數(shù)、下沖程最大電流和上沖程最大電流，其中相電流的值為10A，功率因數(shù)的值為0.4，并計算平衡度的值為105(平衡度的計算公式為：平衡度＝下沖程最大電流/上沖程最大電流*100％)，然后根據(jù)上述參數(shù)判斷抽油機是否處于輕載狀態(tài)(判斷抽油機處于輕載運行狀態(tài)需同時滿足以下三個條件：平衡度<85％或平衡度>115％，抽油機相電流<9A，抽油機功率因數(shù)<0.3)，85％<平衡度<115％，相電流為>9A，功率因數(shù)>0.3，判斷抽油機未處于輕載狀態(tài)；

抽油機繼續(xù)運行一個運行周期后，判斷續(xù)液重量和抽油機驅(qū)動電機運載狀態(tài)是否滿足上述條件，若滿足上述條件則抽油機繼續(xù)運行一個運行周期后繼續(xù)重復(fù)上述判斷，若不滿足上述條件則PLC模塊通過變頻器關(guān)閉抽油機驅(qū)動電機，并使用電動抱閘的方式進行制動，然后在一個停機周期(停機稱重根據(jù)油井實際產(chǎn)液量確定，本實施例中停機周期為10min)后，PLC模塊通過模擬量輸入模塊讀取稱重傳感器采集的續(xù)液重量值，然后將續(xù)液重量值與預(yù)熱稱重比較，并重復(fù)上述步驟。

本實施例中抽油機第一次總共運行了3個運行周期，第二次總共運行了4個運行周期，抽油機第二次運行結(jié)束后，運行周期的時長進行優(yōu)化學(xué)習(xí)計算，計算公式為：T″＝T(nT)/(mT')，公式中T″表示此次抽油機運行結(jié)束運行周期優(yōu)化學(xué)習(xí)后的時長(本實施例中T″為抽油機第二次運行結(jié)束運行周期優(yōu)化學(xué)習(xí)后的時長)，n表示抽油機此次運行總共運行的周期數(shù)(本實施例中n為抽油機第二次運行總共運行的周期數(shù)，即n為4)，T表示抽油機此次運行的運行周期的時長(本實施例中T為抽油機第二次運行的運行周期的時長，即T為5min)，m表示抽油機上一次運行總共運行的周期數(shù)(本實施例中m為抽油機上一次運行總共運行的周期數(shù)，即m為3)，T'表示抽油機上一次運行的運行周期的時長(本實施例中T'為抽油機第一次運行的運行周期的時長，即T'為5min)，根據(jù)上述公式及參數(shù)計算T″(本實施例中T″為抽油機第二次運行結(jié)束運行周期優(yōu)化學(xué)習(xí)后的時長)為6.7min。

若在抽油機運行過程中，斷開旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA0或?qū)⑿D(zhuǎn)開關(guān)SA1轉(zhuǎn)到1、2觸頭一端斷開3、4觸頭一端則抽油機直接跳出節(jié)能控制模式，若通過HMI或上位監(jiān)控終端關(guān)閉抽油機，則抽油機在運行完當(dāng)前運行周期后跳出節(jié)能控制模式。

本實施例的一種油田抽油機節(jié)能控制方法，通過判斷續(xù)液重量是否大于預(yù)熱稱重確定是否啟動抽油機，在抽油機工作一個運行周期后，依次判斷續(xù)液重量是否大于停機稱重和抽油機是否處于輕載狀態(tài)，若續(xù)液重量不大于停機稱重或抽油機處于輕載狀態(tài)則關(guān)閉抽油機，并在一個停機周期后啟動抽油機，在關(guān)閉抽油機后進行運行周期的優(yōu)化學(xué)習(xí)，反之若續(xù)液重量大于停機稱重且抽油機不處于輕載狀態(tài)，且系統(tǒng)未結(jié)束運行，則抽油機繼續(xù)工作一個運行周期重復(fù)上述判斷，實現(xiàn)了抽油機自動間歇自尋優(yōu)的運行，達到了節(jié)能控制的目的。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。