一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法
【專利摘要】一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，屬于潛油電機配電領域。為了解決現有配電方法中不能夠及時地可靠地對潛油電機實現調整和保護的問題。本發(fā)明是基于上位機和數據采集卡實現的，上位機采用LabVIEW實現的，它包括：建立與數據采集卡實時通訊的步驟；輸入采樣信號并存儲的步驟；根據采樣信號，運行狀態(tài)子VI對電機運行狀態(tài)進行監(jiān)控，將監(jiān)控到的溫度發(fā)送給控制信號子VI的步驟；當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度超出設定的閾值范圍，獲得此時潛油電機負載對應的頻率，并根據所述頻率，向數據采集卡發(fā)送相應的電壓控制信號及最佳壓頻比的步驟；實時顯示監(jiān)控的溫度并存儲的步驟。它用于潛油電機配電。
【專利說明】—種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于潛油電機配電領域。

【背景技術】
[0002]潛油電機一般在地下2km?3km深處工作，通過長線電纜與地面電源連接。由于潛油電機的工作空間極其狹小，散熱效果十分不好，因此電機的各方面運行情況監(jiān)測顯得尤其重要，但是現有技術不能夠及時地可靠地對潛油電機實現調整和保護。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現有配電方法中不能夠及時地可靠地對潛油電機實現調整和保護的問題，提供一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法。
[0004]本發(fā)明包括以下步驟:
[0005]所述方法是基于上位機和數據采集卡實現的，所述上位機采用LabVIEW實現的，它包括如下步驟:
[0006]建立與數據采集卡的實時通訊的步驟；
[0007]輸入采樣信號，并將所述采樣信號進行存儲的步驟；
[0008]根據采樣信號，運行狀態(tài)子VI對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并將監(jiān)控到的溫度信號發(fā)送給控制信號子VI的步驟；
[0009]當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度信號超出設定的閡值范圍，獲得此時潛油電機的負載對應的頻率，并根據所述頻率，向數據采集卡發(fā)送相應的電壓控制信號及最佳壓頻比的步驟；數據采集卡將電壓控制信號及最佳壓頻比輸入給變頻器進而控制潛油電機配電；
[0010]實時顯示監(jiān)控的溫度，同時將所述監(jiān)控的溫度進行存儲的步驟。
[0011 ] 運行狀態(tài)子VI包括參數辨識子V1、電感辨識子V1、轉速辨識子V1、溫度辨識子VI和溫度預測子VI。
[0012]所述參數辨識子VI參數辨識的過程為:
[0013]對采樣信號分別進行濾波和傅里葉變換，濾波后得到當前電壓和電流有效值，并將當前電壓和電流有效值發(fā)送給電感辨識子VI，對傅里葉變換的信號根據基頻選擇不同頻率范圍找出轉子槽諧波的位置，并將所述位置發(fā)送給轉速辨識子VI。
[0014]所述電感辨識子VI電感辨識的過程為:
[0015]由不同負載情況下對應的電壓和電流有效值，構成矩陣方程，結合LabVIEW自帶的偽逆矩陣函數塊求解構成的矩陣方程，最終獲得定轉子電感、互感和漏磁系數，并輸入給轉速辨識子VI。
[0016]轉速辨識子VI的轉速辨識過程為:
[0017]根據輸入的定轉子電感、互感和漏磁系數，再結合輸入的采樣信號中的定子電壓、電流，建立潛油電機的模型辨識出電機的參數，再結合輸入的轉子槽諧波的位置，通過轉子槽諧波方法進一步得到電機轉差率和電機轉速，并發(fā)送給溫度辨識子VI和溫度預測子VI。
[0018]溫度預測子VI溫度預測的過程為:
[0019]在公式節(jié)點中計算出電機狀態(tài)方程中的矩陣系數，所述狀態(tài)方程以字符串的形式送入LabVIEW的歐拉函數模塊中，用歐拉方法解微分方程，根據解出的微分方程計算200個點的迭代結果，根據所述結果和輸入的電機轉差率和電機轉速得出溫度預測曲線，根據所述溫度預測曲線得到溫度預測終值，將所述終值發(fā)送給控制信號子VI。
[0020]溫度辨識子VI的溫度辨識過程為:
[0021]根據輸入的電機轉差率和電機轉速，進行地面離線實驗，獲得潛油電機的轉速-溫度曲線，進而辨識出潛油電機唯一的溫度。
[0022]所述方法還包括:
[0023]當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度信號超出設定的閡值范圍，進行采用報警器進行聲光報警的步驟。
[0024]所述方法還包括:
[0025]根據存儲的數據，生成潛油電機運行狀態(tài)報告的步驟；
[0026]將存儲的數據和潛油電機運行狀態(tài)報告打印的步驟。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明實現數字化油井控制室內的遠端實時通訊、狀態(tài)監(jiān)控、定期測試、自動報警、數據統(tǒng)計等功能，用LabVIEW開發(fā)潛油電機遠程狀態(tài)監(jiān)控上位機組態(tài)。最終要達到的結果為在上位機中根據溫升預測趨勢實時監(jiān)測電機所處的運行狀態(tài)并根據穩(wěn)態(tài)溫度預測終值進行準確的故障診斷，進而開啟反饋控制算法，即針對不同的負載情況通過上位機發(fā)出相應電壓信號進行降頻調速，同時匹配最佳壓頻比，既預防電機因過熱而發(fā)生故障又使損耗降至最低，達到基于自適應智能配電分析的數字化油井狀態(tài)實時監(jiān)控，具有十分重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的工作原理示意圖。
[0028]圖2為【具體實施方式】一所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0029]【具體實施方式】一:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，所述方法是基于上位機和數據采集卡實現的，所述上位機采用LabVIEW實現的，它包括如下步驟:
[0030]建立與數據采集卡的實時通訊的步驟；
[0031]輸入采樣信號，并將所述采樣信號進行存儲的步驟；
[0032]根據采樣信號，運行狀態(tài)子VI對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并將監(jiān)控到的溫度信號發(fā)送給控制信號子VI的步驟；
[0033]當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度信號超出設定的閡值范圍，獲得此時潛油電機的負載對應的頻率，并根據所述頻率，向數據采集卡發(fā)送相應的電壓控制信號及最佳壓頻比的步驟；數據采集卡將電壓控制信號及最佳壓頻比輸入給變頻器進而控制潛油電機配電；
[0034]實時顯示監(jiān)控的溫度，同時將所述數據進行存儲的步驟。
[0035]本實施方式中的LabVIEW是一種用計算機硬件和操作系統(tǒng)模擬并替代各種傳統(tǒng)儀器功能的虛擬化平臺。這種虛擬儀器平臺可以模擬測量及控制過程中幾乎所有的軟硬件設備，不需要用實際的儀器前面板，也不受硬件測量電路與自帶軟件程序的限制，其功能完全由用戶自定義。因此采用這種虛擬儀器技術開發(fā)功能強大且性價比極高的軟件，能夠方便地實現數據的采集、分析、顯示、存儲、共享等功能。
[0036]本實施方式的數據采集卡采用的是研華公司PC1-1711型多功能采集卡。研華公司提供的PCI系列LabVIEW驅動為數據采集與控制提供了功能豐富函數模塊，用戶只需直接調用即可。
[0037]LabVIEW中的驅動函數以子VI的形式給出，在編程過程中直接調用這些子VI，SP可通過板卡完成數據的輸入輸出操作。因此，以PC1-1711數據采集卡為硬件平臺，借助LabVIEW驅動程序提供的子VI函數，可方便的進行信號采集與儀器控制。
[0038]研華PC1-1711數據采集卡包含16路單端模擬量輸入和2路模擬量輸出，由于本十實施方式想要實現的目標是將電壓電流傳感器采集到的信號通過數據采集卡輸入到上位機中，經過計算處理后輸出一個O?1V的電壓信號再通過數據采集卡送至變頻器的模擬量輸入端口，因此實時通訊部分的程序設計包括兩部分:一是多通道模擬量輸入信號的采樣部分；二是模擬量信號的輸出部分。
[0039]首先在后面板中研華公司的LabVIEW函數庫中，找到SelectDevicePop函數，置于程序框圖中，用于彈出對話框選擇合適的設備。如果無擴張板則返回O到條件結構，即“假”，同時輸出安裝在Device Manager下的硬件號。如果有擴張板，則返回“真”，并用SelectModulePop函數彈出對話框窗口安裝指定子設備,列表供用戶選擇并輸出子設備號。添加打開設備函數DeviceOpen,然后經DeviceOpen函數加載設備驅動程序到內存,完成數據采集設備的初始化，使其做好I/O準備工作。
[0040]在前面板中添加兩個數值輸入控件，用于采樣通道信息的輸入，然后添加波形顯示控件和停止按鈕控件等，同時后面板中出現對應的函數圖標。然后在后面板中添加模擬量配置函數MAIConfig,通過MAIConfig函數以及所創(chuàng)建的輸入控件在前面板中輸入StartChannel及NumOfChans以確定輸入通道信息，此處分別設置為O和2，即采樣A1通道和All通道的信號。再添加一個While循環(huán)結構，在循環(huán)結構中添加時鐘函數和數值常量，用于軟件設定采樣頻率。添加多通道模擬量電壓輸入函數MAlVoltageIn，將采集到的數據不斷從設備緩存中讀出。輸出的VoltageList通過ArraySplit和前面板中所添加的波形顯示控件在虛擬儀器波形圖表中顯示出相應的波形。通過一個或非函數構造循環(huán)條件，當程序出現錯誤或人為按下Boolean型按鍵Stop時循環(huán)結束,最后經過設備關閉函數DeviceClose關閉設備，并釋放資源，為下一個DeviceOpen等操作做準備。
[0041]由于在溫度監(jiān)控的計算過程中需要單獨的電壓信號和電流信號，因此需要對多通道模擬量輸入信號進行分解，此處采用“信號拆分”這一功能函數。此時經過信號拆分以及數組重排等函數后的兩通道混合信號被拆分為電壓采樣信號和電流采樣信號。
[0042]模擬量輸出部分設備初始化的步驟與模擬量信號采樣過程類似。然后在前面板中添加兩個數值輸入控件，一個用于通道號輸入，一個用于模擬量電壓值輸入，再添加按鈕控件和波形顯示控件，將波形顯示控件的Y軸標尺范圍改為0-10。程序框圖中，設備初始化函數添加后，加入While循環(huán)結構，再在循環(huán)結構中添加模擬量電壓輸出函數AOVoltageOut，其他函數同信號采樣程序框圖，分別將數值輸入控件、按鈕控件、波形顯示控件拖入While循環(huán)結構中。
[0043]將前面板中的數值輸入控件替換為垂直指針滑動控件。在數據采集卡對應的輸出端口用萬用表測量輸出信號電壓值，與前面板中輸入信號一致，即可以輸出滿足數據采集卡需要的0-10V連續(xù)變化的電壓信號。
[0044]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法的進一步限定，運行狀態(tài)子VI包括參數辨識子V1、電感辨識子V1、轉速辨識子V1、溫度辨識子VI和溫度預測子VI。
[0045]當采樣信號被準確采入、分離后，需要對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，其中主要包括參數辨識、轉速辨識、溫度辨識、溫度預測、控制信號，由于程序算法比較復雜，運行過程中會占用較大的內存空間，因此將代碼封裝成子VI，通過調用子VI的方式實現程序的各種功能，同時也使程序更加簡潔，邏輯關系更加清晰。
[0046]將多通道模擬量輸入部分的程序代碼與模擬量輸出部分的程序代碼相結合，While循環(huán)外部關于設備打開、設備初始化與設備關閉的代碼共用，在While循環(huán)內部嵌套一個For循環(huán)，用于信號的采樣，采樣頻率設為5kHz，總數接線端N，即For循環(huán)內部的代碼執(zhí)行次數設置為10000，通過For循環(huán)索引隧道將得到電壓、電流信號每采樣10000個點構成的一位數組。在For循環(huán)外部添加狀態(tài)監(jiān)控子VI，然后將一維數組輸入到狀態(tài)監(jiān)控子VI中進行運算，在輸出轉速溫度的同時發(fā)出反饋信號VC，輸入到AOVoltageOut端口中，進而控制電機變頻調速。
[0047]主程序While循環(huán)每執(zhí)行一次，狀態(tài)監(jiān)控程序的輸入輸出更新一次，為實現相關參數的反饋，需要在主程序的While循環(huán)中添加移位寄存器，并對移位寄存器賦初值進行初始化，每次程序運行時調用前一次的運行結果，只要VI不退出，寄存器一直保持前一次的值。采用這種循環(huán)中的移位寄存器來實現各參量的循環(huán)反饋。
[0048]所述參數辨識子VI參數辨識的過程為:
[0049]對采樣信號分別進行濾波和傅里葉變換，濾波后得到當前電壓和電流有效值，并將當前電壓和電流有效值發(fā)送給電感辨識子VI，對傅里葉變換的信號根據基頻選擇不同頻率范圍找出轉子槽諧波的位置，并將所述位置發(fā)送給轉速辨識子VI。
[0050]所述電感辨識子VI電感辨識的過程為:
[0051]由不同負載情況下對應的電壓和電流有效值，構成矩陣方程，結合LabVIEW自帶的偽逆矩陣函數塊求解構成的矩陣方程，最終獲得定轉子電感、互感和漏磁系數，并輸入給轉速辨識子VI。
[0052]所述轉速辨識子VI的轉速辨識過程為:
[0053]根據輸入的定轉子電感、互感和漏磁系數，再結合輸入的采樣信號中的定子電壓、電流，建立潛油電機的模型辨識出電機的參數，再結合輸入的轉子槽諧波的位置，通過轉子槽諧波方法進一步得到電機轉差率和電機轉速，并發(fā)送給溫度辨識子VI和溫度預測子VI。
[0054]所述溫度預測子VI溫度預測的過程為:
[0055]在公式節(jié)點中計算出電機狀態(tài)方程中的矩陣系數，所述狀態(tài)方程以字符串的形式送入LabVIEW的歐拉函數模塊中，用歐拉方法解微分方程，根據解出的微分方程計算200個點的迭代結果，根據所述結果和輸入的電機轉差率和電機轉速得出溫度預測曲線，根據所述溫度預測曲線得到溫度預測終值，將所述終值發(fā)送給控制信號子VI。
[0056]在子VI程序中，均用到了公式節(jié)點，用這種與C語言類似的表達式代替部分計算程序，可以簡化程序代碼。
[0057]所述溫度辨識子VI的溫度辨識過程為:
[0058]根據輸入的電機轉差率和電機轉速，進行地面離線實驗，獲得潛油電機的轉速-溫度曲線，進而辨識出潛油電機唯一的溫度。
[0059]控制信號子VI整個控制過程將信號頻率控制在20Hz到50Hz之間，并通過移位寄存器反饋到下一次循環(huán)中。最后將頻率信號轉化為對應的電壓信號VC送入主程序的AOVoltageOut端口中，實現電機的變頻調速控制。
[0060]綜上所述，用LabVIEW圖形化的編程語言編寫不同功能的子VI程序代碼，并結合實時通訊的建立，最終實現了電機狀態(tài)的實時監(jiān)測、故障診斷與在線控制。
[0061]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法的進一步限定，
[0062]當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度信號超出設定的閡值范圍，進行采用報警器進行聲光報警的步驟。
[0063]溫度報警包括報警和預警兩部分，在前面板中加入兩個圓形指示燈控件，當辨識溫度超過設定閡值時，報警燈亮，需要人為檢查或停機維修。當溫度預測終值超過設定閡值時，預警燈亮，提示電機即將溫度過高發(fā)生故障，此時所開發(fā)的上位機程序會發(fā)送相應的信號進行自適應智能控制，也可以人為采取相應的措施。
[0064]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】三所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法的進一步限定，
[0065]所述方法還包括:
[0066]根據存儲的數據，生成潛油電機運行狀態(tài)報告的步驟；
[0067]將存儲的數據和潛油電機運行狀態(tài)報告打印的步驟。
[0068]存儲數據工用于生成潛油電機運行狀態(tài)報告，當系統(tǒng)出現問題時，通過記錄數據的信息可以方便尋找并排查故障點，利于系統(tǒng)的維護；另外在線的圖像顯示并不能給出精確的結果，有時工程技術人員需要針對特定的工況對數據進行進一步的分析、比對和研究，甚至需要修正程序代碼，因此有必要對采集到的信號數據以及當前算法得出的結果進行存儲。在程序框圖中添加“寫入測量文件Express VI”模塊，在彈出的配置框中輸入數據存入地址和文件名，文件格式可以選文本測量文件、二進制測量文件或Microsoft Excel文件。如選擇將采樣電壓信號存入文本文件，存入數據的相關信息描述為voltage。從存入文件中可以清楚的看到該測量數據的具體信息，如日期、時間、通道及采樣個數、測量值、描述信息坐寸ο
[0069]基于上述LabVIEW的監(jiān)控系統(tǒng)上位機組態(tài)，即圖形化語言編程建立了軟硬件之間的實時通訊，實現了模擬量信號的采樣和輸出，并在LabVIEW的程序框圖中完成了電機運行狀態(tài)的監(jiān)控程序編寫，同時實現了附加的溫度告警以及數據存入的功能。
[0070]在上位機界面中實時觀測到電機當前及未來的溫度狀態(tài)，并提前做出自適應控制，完整地實現了控制室內的在線狀態(tài)監(jiān)控全過程。
【權利要求】
1.一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于:所述方法是基于上位機和數據采集卡實現的，所述上位機采用LabVIEW實現的，它包括如下步驟: 建立與數據采集卡的實時通訊的步驟； 輸入采樣信號，并將所述采樣信號進行存儲的步驟； 根據采樣信號，運行狀態(tài)子VI對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并將監(jiān)控到的溫度信號發(fā)送給控制信號子VI的步驟； 當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度信號超出設定的閾值范圍，獲得此時潛油電機的負載對應的頻率，并根據所述頻率，向數據采集卡發(fā)送相應的電壓控制信號及最佳壓頻比的步驟；數據采集卡將電壓控制信號及最佳壓頻比輸入給變頻器進而控制潛油電機配電； 實時顯示監(jiān)控的溫度，同時將所述監(jiān)控的溫度進行存儲的步驟。
2.根據權利要求1所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于: 運行狀態(tài)子VI包括參數辨識子V1、電感辨識子V1、轉速辨識子V1、溫度辨識子VI和溫度預測子VI。
3.根據權利要求2所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于: 所述參數辨識子VI參數辨識的過程為: 對采樣信號分別進行濾波和傅里葉變換，濾波后得到當前電壓和電流有效值，并將當前電壓和電流有效值發(fā)送給電感辨識子VI，對傅里葉變換的信號根據基頻選擇不同頻率范圍找出轉子槽諧波的位置，并將所述位置發(fā)送給轉速辨識子VI。
4.根據權利要求3所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于: 所述電感辨識子VI電感辨識的過程為: 由不同負載情況下對應的電壓和電流有效值，構成矩陣方程，結合LabVIEW自帶的偽逆矩陣函數塊求解構成的矩陣方程，最終獲得定轉子電感、互感和漏磁系數，并輸入給轉速辨識子VI。
5.根據權利要求4所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于:轉速辨識子VI的轉速辨識過程為: 根據輸入的定轉子電感、互感和漏磁系數，再結合輸入的采樣信號中的定子電壓、電流，建立潛油電機的模型辨識出電機的參數，再結合輸入的轉子槽諧波的位置，通過轉子槽諧波方法進一步得到電機轉差率和電機轉速，并發(fā)送給溫度辨識子VI和溫度預測子VI。
6.根據權利要求5所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法,其特征在于:溫度預測子VI溫度預測的過程為: 在公式節(jié)點中計算出電機狀態(tài)方程中的矩陣系數，所述狀態(tài)方程以字符串的形式送入LabVIEff的歐拉函數模塊中，用歐拉方法解微分方程，根據解出的微分方程計算200個點的迭代結果，根據所述結果和輸入的電機轉差率和電機轉速得出溫度預測曲線，根據所述溫度預測曲線得到溫度預測終值，將所述終值發(fā)送給控制信號子VI。
7.根據權利要求5所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于:溫度辨識子VI的溫度辨識過程為: 根據輸入的電機轉差率和電機轉速，進行地面離線實驗，獲得潛油電機的轉速-溫度曲線，進而辨識出潛油電機唯一的溫度。
8.根據權利要求1所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于:所述方法還包括: 當控制信號子VI判斷出監(jiān)控的溫度信號超出設定的閾值范圍，進行采用報警器進行聲光報警的步驟。
9.根據權利要求8所述的一種基于LabVIEW的潛油電機智能配電方法，其特征在于:所述方法還包括: 根據存儲的數據，生成潛油電機運行狀態(tài)報告的步驟； 將存儲的數據和潛油電機運行狀態(tài)報告打印的步驟。
【文檔編號】H02P21/14GK104393810SQ201410538283
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權日:2014年10月13日
【發(fā)明者】王立國, 張淋, 張希月, 徐殿國, 蔣清月, 張海聰, 李振宇, 李雪云, 于健雄 申請人:哈爾濱工業(yè)大學