一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括變頻器、信號(hào)檢測(cè)模塊、控制量輸出模塊、DSP核心處理模塊、通信模塊和顯示與設(shè)置模塊。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)游梁式抽油機(jī)多種運(yùn)行模式，可根據(jù)不同的工況和生產(chǎn)需求選擇不同的運(yùn)行模式，以改變現(xiàn)有抽油機(jī)控制系統(tǒng)控制模式單一、不能適應(yīng)復(fù)雜工況的需求的現(xiàn)狀，以達(dá)到減少能耗、提高產(chǎn)液量、改善能效的目的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的無沖擊柔性啟動(dòng)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的抽油機(jī)運(yùn)行模式包括：工頻模式、變頻恒速運(yùn)行模式、上快下慢運(yùn)行模式、功率隨動(dòng)運(yùn)行模式和速度優(yōu)化運(yùn)行模式。
【專利說明】
一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，專用于油田游梁式抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)各大油田相繼進(jìn)入高含水開發(fā)期，采油工況也更加復(fù)雜。而油田采用的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制模式卻相對(duì)單一，往往只能實(shí)現(xiàn)一到兩種運(yùn)行模式，不能很好的適應(yīng)各種工況及不同生產(chǎn)的需求。游梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、適應(yīng)工況條件好等優(yōu)點(diǎn)在油田現(xiàn)場(chǎng)得到普遍應(yīng)用，但其使用過程中存在功率因數(shù)低、效率不高、負(fù)載率普遍偏低及啟動(dòng)過程電流沖擊大等弱點(diǎn)。而當(dāng)前市面上的針對(duì)游梁式抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并沒有相應(yīng)的運(yùn)行模式能夠很好的解決上述問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明目的在于提供一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)多種運(yùn)行模式，可根據(jù)不同的工況和生產(chǎn)需求選擇不同的運(yùn)行模式，改變現(xiàn)有抽油機(jī)控制系統(tǒng)控制模式單一、不能適應(yīng)復(fù)雜工況的需求的現(xiàn)狀，以達(dá)到減少能耗、提高產(chǎn)液量、改善能效的目的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的無沖擊柔性啟動(dòng)。
[0004]為了克服現(xiàn)有的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行模式單一的不足，且較好的改善游梁式抽油機(jī)運(yùn)行效果。本發(fā)明提供一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行的多種工作模式，尤其具有提高游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率，減小啟動(dòng)沖擊的運(yùn)行模式，而且能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)無沖擊柔性啟動(dòng)。該抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式包括:工頻運(yùn)行模式、變頻恒速運(yùn)行模式、上快下慢運(yùn)行模式、功率隨動(dòng)運(yùn)行模式和速度優(yōu)化運(yùn)行模式。
[0005]柔性啟動(dòng)是指抽油機(jī)井系統(tǒng)的無沖擊軟啟動(dòng)。抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制變頻器輸出頻率從零頻逐漸遞進(jìn)變化的電源，從而使電動(dòng)機(jī)保持較小的轉(zhuǎn)差率緩慢啟動(dòng)，保證抽油機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中無電能和機(jī)械沖擊，進(jìn)而可以降低抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量。
[0006]工頻模式為抽油機(jī)以50Hz運(yùn)行，抽油機(jī)沖次固定。
[0007 ]變頻恒速運(yùn)行模式為通過變頻器改變電源頻率到特定值，使抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)以恒定的速度運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到任意調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次的效果，從而適應(yīng)不同供液能力的油井工況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
[0008]上快下慢運(yùn)行模式為抽油機(jī)在上沖程過程中以較高速度運(yùn)行，而在下沖程以較低速度運(yùn)行。DSP核心控制模塊實(shí)時(shí)對(duì)變頻器進(jìn)行控制，在上沖程和下沖程分別輸出不同的電源頻率，使上快下慢運(yùn)行模式能夠任意調(diào)節(jié)抽油桿上行下行速度及抽油機(jī)沖次，從而適應(yīng)不同油井工況，并達(dá)到提高產(chǎn)液量的目的。
[0009]功率隨動(dòng)運(yùn)行模式為使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與抽油機(jī)載荷變化相匹配，基本原則為載荷越大，轉(zhuǎn)速越低，載荷越小，轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)而使抽油機(jī)整體功率趨于平穩(wěn)。功率隨動(dòng)運(yùn)行模式能夠任意調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)的柔性運(yùn)行，能夠動(dòng)態(tài)跟蹤載荷變化，避免啟動(dòng)沖擊、減小功率波動(dòng)，消除抽油機(jī)運(yùn)行過程中的“倒發(fā)電”現(xiàn)象，同時(shí)減小由于載荷劇烈變化引起的機(jī)械沖擊，程序運(yùn)行于此模式，實(shí)時(shí)進(jìn)行PID算法計(jì)算，并實(shí)時(shí)控制DA模塊輸出步進(jìn)DA值來控制抽油機(jī)，改善抽油機(jī)的運(yùn)行狀況，提高抽油機(jī)能效。
[0010]速度優(yōu)化運(yùn)行模式為從抽油栗栗效分析，將栗效最優(yōu)狀態(tài)反演至電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，在抽油機(jī)功率隨動(dòng)運(yùn)行模式基礎(chǔ)上進(jìn)行PID算法計(jì)算和對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行周期內(nèi)特定區(qū)間進(jìn)行的速度再調(diào)整。速度優(yōu)化運(yùn)行模式能夠任意調(diào)整抽油機(jī)沖次，優(yōu)化抽油機(jī)周期內(nèi)的速度分布，使其能夠在柔性運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)速度優(yōu)化，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率，達(dá)到改善抽油機(jī)運(yùn)行狀況、提高能效和產(chǎn)液量的目的。提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括:變頻器、信號(hào)檢測(cè)模塊、控制量輸出模塊、DSP核心處理模塊、通信模塊和顯示與設(shè)置模塊。
[0012]變頻器，實(shí)現(xiàn)將網(wǎng)側(cè)電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要頻率的電源，且能實(shí)現(xiàn)頻率的快速響應(yīng)，0-50Hz響應(yīng)時(shí)間不超過3s。
[0013]信號(hào)檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)電壓、電流信號(hào)的采集，并通過傾角傳感器和速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)游梁角度和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)的更新速度達(dá)到20ms/次。通過對(duì)電壓、電流的采集計(jì)算出抽油機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的功率、功率因數(shù)等參數(shù)，作為控制系統(tǒng)算法計(jì)算及系統(tǒng)控制的重要參考量。傾角傳感器垂直安裝在游梁轉(zhuǎn)動(dòng)軸的正上方，用于獲取抽油機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息，并確定上下死點(diǎn)的位置。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電動(dòng)機(jī)的尾端，用于實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的一個(gè)反饋量。
[0014]控制量輸出模塊通過高速DA芯片將DSP核心處理模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成-10-1OV的模擬信號(hào)，再經(jīng)過隔離芯片后將模擬信號(hào)接在變頻器的模擬信號(hào)控制端，通過模擬信號(hào)控制變頻器輸出合適的電源頻率。
[0015]DSP核心處理模塊，采用具有32位浮點(diǎn)處理能力的DSP處理器TMS320F28335，集成抽油機(jī)5種工作模式的控制算法，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的抽油機(jī)運(yùn)行模式。該DSP核心處理模塊接收信號(hào)檢測(cè)模塊輸入的信息，通過不同運(yùn)行模式的算法計(jì)算出控制變頻器的數(shù)字量輸出給控制量輸出模塊，并與通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，主要包括當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)、模式選擇命令和參數(shù)設(shè)置命令的交互。
[0016]通信模塊包括串口通信和網(wǎng)口通信兩部分，串口通信實(shí)現(xiàn)DSP核心處理模塊與顯示與設(shè)置模塊的通信，網(wǎng)口通信實(shí)現(xiàn)DSP核心處理模塊與上位機(jī)的通信。
[0017]顯示與設(shè)置模塊，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)當(dāng)前狀態(tài)及模式參數(shù)的顯示，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)行模式選擇與控制參數(shù)的更改設(shè)置。
[0018]上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)顯示與設(shè)置模塊的全部功能，并可以實(shí)現(xiàn)與DSP核心處理模塊更全面的信息交互，包括獲取實(shí)時(shí)采集的電參數(shù)、角度、速度等數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。
[0019]另外，抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。
[0020]本發(fā)明的有益效果是，可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的多種運(yùn)行模式，以適應(yīng)不同的抽油機(jī)井工況和生產(chǎn)需求。功率隨動(dòng)運(yùn)行模式能夠改善抽油機(jī)的運(yùn)行效果，提高能效，減小運(yùn)行過程中的機(jī)械沖擊。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是抽油機(jī)變頻恒速運(yùn)行模式下的流程圖
[0023]圖3是抽油機(jī)上快下慢運(yùn)行模式下的流程圖
[0024]圖4是抽油機(jī)功率隨動(dòng)運(yùn)行模式下的流程圖
[0025]圖5是抽油機(jī)速度優(yōu)化運(yùn)行模式下的流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合附圖所示，作詳細(xì)說明如下。
[0027]如圖1所示，電網(wǎng)I連接變頻器9的電源輸入端，電動(dòng)機(jī)3連接變頻器9的輸出端，信號(hào)檢測(cè)模塊8連接變頻器9和DSP核心處理模塊6，控制量輸出模塊7連接DSP核心處理模塊6和變頻器9的模擬量控制端，通信模塊5分別連接顯示與設(shè)置模塊4和DSP核心處理模塊6，另外通信模塊5還可與上位機(jī)10相連。
[0028]信號(hào)檢測(cè)模塊8連接變頻器9的輸入端實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電參數(shù)的采集，并連接傾角傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)游梁角度及電動(dòng)機(jī)速度的采集。通過對(duì)電壓、電流的采集計(jì)算出抽油機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的功率、功率因數(shù)等參數(shù)，作為控制系統(tǒng)算法計(jì)算及系統(tǒng)控制的重要參考量。傾角傳感器垂直安裝在游梁轉(zhuǎn)動(dòng)軸的正上方，用于獲取抽油機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息，并確定上下死點(diǎn)的位置。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電動(dòng)機(jī)3的尾端，用于實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的一個(gè)反饋量。
[0029]DSP核心控制模塊6將抽油機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行模式及參數(shù)信息通過通信模塊5發(fā)送到顯示與設(shè)置模塊4，顯示與設(shè)置模塊4將這些參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出來。DSP核心控制模塊6接收到顯示與設(shè)置模塊4下達(dá)的柔性啟動(dòng)、模式切換或參數(shù)更改等命令后，DSP核心控制模塊6接收信號(hào)檢測(cè)模塊8采集的數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)算法融合抽油機(jī)所有的電參數(shù)、位置、轉(zhuǎn)速等信息，計(jì)算分析后輸出相應(yīng)的控制數(shù)字信號(hào)給控制量輸出模塊7。控制量輸出模塊7將接收到的數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為-10-10V范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，再經(jīng)過隔離芯片后將模擬信號(hào)接在變頻器9的模擬量控制端，進(jìn)而輸出合理的電源頻率給電動(dòng)機(jī)3，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
[0030]上位機(jī)10為方便抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)，可以完全代替顯示與設(shè)置模塊4，并具有更全面的功能。在連接顯示與設(shè)置模塊4的情況下，抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠脫離上位機(jī)10運(yùn)行。上位機(jī)10與通信模塊5連接后，能夠根據(jù)需要獲取抽油機(jī)參數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)曲線顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，從而方便系統(tǒng)調(diào)試及抽油機(jī)數(shù)據(jù)分析。
[0031]在一實(shí)施例中，抽油機(jī)系統(tǒng)以工頻狀態(tài)運(yùn)行，能量波動(dòng)劇烈。出于電網(wǎng)穩(wěn)定、沖擊最小的目的，切換抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行模式為功率隨動(dòng)運(yùn)行模式，DSP核心控制模塊接收命令后切換運(yùn)行模式控制算法，如果未設(shè)定控制參數(shù)則在默認(rèn)控制參數(shù)下執(zhí)行功率隨動(dòng)控制算法，運(yùn)行過程中也可根據(jù)需要通過顯示與設(shè)置模塊人為更改控制參數(shù)，如提高抽油機(jī)沖次。DSP核心控制模塊獲取信號(hào)檢測(cè)模塊采集的實(shí)時(shí)信息，通過與功率隨動(dòng)控制目標(biāo)的比較運(yùn)算，再經(jīng)過控制量輸出模塊輸出合適電壓值，實(shí)時(shí)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在功率隨動(dòng)控制模式下運(yùn)行，使得電動(dòng)機(jī)功率維持相對(duì)平穩(wěn)，減小抽油機(jī)井系統(tǒng)的沖擊。
[0032]以上該僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，非用以限定本發(fā)明的專利范圍，其他運(yùn)用本發(fā)明的專利精神的等效變化，均應(yīng)倶屬本發(fā)明的專利范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于包括:變頻器、信號(hào)檢測(cè)模塊、控制量輸出模塊、DSP核心處理模塊、通信模塊和顯示與設(shè)置模塊，可實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)工頻運(yùn)行模式、變頻恒速運(yùn)行模式、上快下慢運(yùn)行模式、功率隨動(dòng)運(yùn)行模式和速度優(yōu)化運(yùn)行模式5種運(yùn)行模式，可根據(jù)不同的工況和生產(chǎn)需求進(jìn)行運(yùn)行模式的選擇。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)的無沖擊柔性啟動(dòng)，使系統(tǒng)的輸入電流、電機(jī)的輸出功率均從零平滑上升至工頻運(yùn)行狀態(tài)，消除沖擊性啟動(dòng)峰值。其中所述的功率隨動(dòng)運(yùn)行模式，其特征在于使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與抽油機(jī)載荷變化相匹配，載荷越大，轉(zhuǎn)速越低，載荷越小，轉(zhuǎn)速越高，減小機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械沖擊，并且消除“倒發(fā)電”，減少系統(tǒng)的能耗。其中所述的速度優(yōu)化運(yùn)行模式，其特征在于從抽油栗栗效分析，在抽油機(jī)功率隨動(dòng)運(yùn)行模式基礎(chǔ)上對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行周期內(nèi)特定區(qū)間進(jìn)行的速度再調(diào)整，優(yōu)化抽油機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的速度分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于電網(wǎng)連接變頻器的電源輸入端，電動(dòng)機(jī)連接變頻器的輸出端，信號(hào)檢測(cè)模塊連接變頻器和DSP核心處理模塊，控制量輸出模塊連接DSP核心處理模塊和變頻器的模擬量控制端，通信模塊分別連接顯示與設(shè)置模塊和DSP核心處理模塊，另外通信模塊還可與上位機(jī)相連。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抽油機(jī)多模式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于DSP核心處理模塊采用具有32位浮點(diǎn)處理能力的DSP處理器TMS320F28335，集成抽油機(jī)5種工作模式的控制算法;控制量輸出模塊通過高速DA芯片將DSP核心處理模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成-10-10V的模擬信號(hào)，再經(jīng)過隔離芯片后將模擬信號(hào)接在變頻器的模擬信號(hào)控制端。
【文檔編號(hào)】H02P23/00GK106026836SQ201610344720
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】任旭虎, 李旭, 秦炳坤, 李德文, 蘇建楠, 艾潔, 呂正陽
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油大學(xué)(華東)