多功能增油控制方法及控制器

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技术领域\n本发明涉及一种多功能增油控制方法及控制器，主要应用于油田抽油 机电机的智能增油控制。\n背景技术\n油田现采用的常规型抽油机普遍使用传统的控制方法，由于抽油机负 载运行的特殊性，造成使用中的几大缺点：①启动负载过高，冲击大，致 使配电变压器容量及电机等配套设施选型过大。②由于井下液面恢复期不 断变化，需调整冲次及冲程比才能提高产量，传统的办法是调整抽油机平 衡块及更换传动轮，需停产很长时间进行调整，且人工调整的准确性很差， 耗时费力，造成既减产又增加费用。\n发明内容\n本发明的目的在于克服以上弊端，而提供一种多功能增油控制方法 及控制器，该产品弥补了以往常规抽油机调速范围窄、机械磨损大、寿 命短、耗能高等不足，使采油设备的调整与控制及采油工作的整个过程 由手动转变为自动控制。\n本发明的目的是由下面两方面来实现的：\n第一方面，多功能增油控制方法(软件)，本控制器内置专家系统软件 包，工作时，专家系统主要依据液流比较器动态检测的出油情况信号，分 析计算抽油机的出油情况，逐渐逼近的找到动静态最大出油工作点，并且 自动把抽油机调整到最佳点运行，以实现在不停产的条件下把冲次数(冲 次数，即抽油机每分钟往复运动的次数)、冲程比(冲程比，抽油机运动时， 上冲程与下冲程的运行时间之比；冲程，即抽油杆向上或向下运动的一个 行程)自动调整到最佳点(即最大出油点)，对抽油机实现自适应自动调节 与控制，大幅提高了抽油效率，使抽油机的采油量自动达到最大。同时， 系统亦可根据人工的干预实现所有功能，即根据人为的参数设定，专家系 统软件包自动调节冲次、调整冲程比等，从而达到经验采油的最大出油量。\n专家系统软件运行时，首先进行系统初始化(包括各种采样时间间隔 的设定、平衡块位置信号的确定等)，接着检测是否有抽油机启动信号，如 果有抽油机启动信号，就启动抽油机；正常情况下，抽油机按历史数据以 时间间隔T1运行抽油；当系统满足试抽条件时，以系统分析确定的时间间 隔的试抽方式，首先在实际冲次数范转内以时间间隔T2连续改变冲次数， 比较各个冲次数的出油量，找到最大出油量的冲次数，并按此状态运行， 此时冲程比为1∶1；接着在最大出油量的冲次数下，在实际允许的冲程比 范围内以时间间隔T3连续改变冲程比τ，以各个冲程比的出油量和未改变 冲程比前的最大出油量的大小做比较，如果出油量变大，就按最大出油量 的冲程比做记录并实际改变冲程比，并按此状态运行，如果各个改变冲程 比后的出油量和未改变冲程比前的最大出油量的大小做比较都没有变大， 就按最大出油量的冲次数且1∶1的冲程比运行；正常情况下，抽油机按历 史数据以时间间隔T1进行抽油，当系统满足试抽条件时，重复以上连续改 变冲次数和冲程比的过程，以适应油井下液面改变而造成的抽油机工况的 变化，使抽油机的抽油量始终保持最大。\n第二方面，多功能增油控制器(硬件)，本发明包括置于地面的油量有 无及大小比较传感器(液流比较器)，抽油机运行至各特征点传感器(旋转 位置传感器)，高性能变频器(或复合智能模块)及刹车用的制动单元和制 动电阻，小环境控温器及温度传感器和加热管，强电控制模块，低压直流 电源模块，工况显示及声光警戒器，主控CPU模块、从控CPU模块等。液 流比较器，用于检测抽油机出油率及出油量的大小，其电信号输出端经放 大器及模数转换器与单片机的输入端相连，将出油信号输入给单片机进行 数据处理；旋转位置传感器，用于抽油机运行位置信息的取集，其输出端 经缓冲放大器阵列及反向驱动器或施密特触发器阵列与单片机的输入端相 连，将采集的抽油机位置信号由单片机进行处理；高性能变频器(或复合 智能模块)，其输入为工频动力电，输出为频率连续可调的动态可预知的电 源供给抽油机电机，高性能变频器(或复合智能模块)的控制端与从控CPU 模块相连；主控模块为整个控制器的核心部件，其外围连接工况显示、声 光警戒及存储器。本控制器还设有控温模块及与其相连的温度传感器和加 热管，用于温度信号的采集及加热的控制。\n主控CPU模块和从控CPU模块首先进行系统初始化，接着检测是否有 抽油机启动信号，如果有抽油机启动信号，从控CPU模块发出信号，就启 动抽油机；正常情况下，抽油机按历史数据以时间间隔T1运行抽油；从控 CPU模块实时检测液流比较器的输出信号并对其比较，将变化趋势传送给主 控CPU模块，由主控CPU模块里的专家系统进行分析，当系统满足试抽条 件时，以系统分析确定的时间间隔的试抽方式，从控CPU模块按照专家系 统给出的指令，首先在实际冲次数范围内以时间间隔T2连续改变冲次数， 比较各个冲次数的出油量，找到最大出油量的冲次数，从控CPU模块记住 此时的冲次数，并按此状态运行，此时冲程比为1∶1；接着在最大出油量 的冲次数下，在实际允许的冲程比范围内以时间间隔T3连续改变冲程比τ， 以各个冲程比的出油量和未改变冲程比前的最大出油量的大小做比较，如 果出油量变大，就按最大出油的冲程比做记录并实际改变冲程比，并按此 状态运行，如果各个改变冲程比后的出油量和未改变冲程比前的最大出油 量大小做比较都没有变大，就按最大出油量的冲次数且1∶1的冲程比运行； 正常情况下，抽油机按历史数据以时间间隔T1进行抽油，当系统满足试抽 条件时，重复以上连续改变冲次数和冲程比的过程，以适应油井下液面改 变而造成的抽油机工况的变化，使抽油机的抽油量始终保持最大。\n本发明的优点在于：本控制器集信息技术、控制技术、计算机技术、 变频调速技术(或复合智能模块技术)、传感器技术等现代高科技技术于一 身。为油田找到了一种切实可行的使抽油机采量达到最大的方法，提高了 采油设备的有效利用率；减少了空耗，节省了能源。\n本发明的最大特点为：能够自整定，适应较恶劣的工作环境，尤其低 温下可正常工作。另外本发明还具有以下特点：(1)使用方便，操作简单， (2)对电网无冲击，(3)16位工业级微电脑主控，稳定、可靠，(4)技术 先进，设计新颖，多重保险，外部电气特性均符合国家安全标准，(5)过 载能力强，(6)智能化程度高，自动处理系统故障。\n本发明实现的主要功能有：(1)实现了抽油机的软启动，(2)使抽油 机的冲次按最大出油点自动调节，(3)按最大出油点，自动调节抽油机为 上(下)快(上)下慢及均衡运行，(4)提高了抽油机泵效，(5)延长了 抽油机的使用寿命，(6)节约了电能，(7)实现了遥控启停。\n附图说明\n附图1为本发明的原理框图。\n附图2为本发明的实现方法软件流程图。\n附图3为本发明的中央处理部分主板电路原理图。\n附图4为本发明的小环境控温器电路原理图。\n附图5为液流比较器的传感信号处理电路原理图。\n具体实施方式\n下面结合附图对本发明作以说明。\n如附图1所示，本发明的主要部分有：置于地面的油量有无及大小比 较传感器(液流比较器)，抽油机运行至各特征点传感器(旋转位置传感器)， 变频器(或复合智能模块)，小环境控温器，主控CPU模块、从控CPU模块。\n本发明的一个重要部分为变频器，该变频器部分可以由复合智能模块A 代换；主控模块为8位单片机；液流传感器为一个，把液流量大小及出油 率信息及时准确的传输给从控CPU模块；旋转位置传感器为一个，把抽油 机特征运行状态传给从控CPU模块。\n本发明的工作原理是这样的：该控制器内置专家系统软件包，工作时， 专家系统主要依据液流比较器动态检测的出油量情况信号，分析计算抽油 机的出油量大小，逐渐逼近的找到动静态最大出油工作点，并且自动把抽 油机调整到最佳点运行，以实现在不停产的条件下自动调冲次、调冲程比， 对抽油机实现自适应自动调节与控制，提高了抽油效率，使抽油机的采油 量达到最大。并可使抽油机运行于上快下慢(或上慢下快)、从而提高泵效。 本发明采用高性能变频器(或复合智能模块)，将380V/50HZ交流电变为 380V、0～65HZ动态可预知调节的智能电源供给抽油机电机，输出匹配于负 载的驱动电源，从而实现本发明的各项功能要求。\n其中抑波电抗器和静止无功发生器(ASVG)为可选件，可以解决复合 智能模块对电网的谐波干扰等轻重度污染问题。\n如附图2所示，为本发明的实现方法软件流程图。专家系统软件运行 时，首先进行系统初始化(包括各种采样时间间隔的设定、平衡块位置信 号的确定等)，接着检测是否有抽油机启动信号，如果有抽油机启动信号， 就启动抽油机；正常情况下，抽油机按历史数据以时间间隔T1进行抽油； 当系统满足试抽条件时，以系统分析确定的时间间隔的试抽方式，首先在 实际冲次数范围内以时间间隔T2连续改变冲次数，比较各个冲次数的出油 量，找到最大出油量的冲次数，并按此状态运行，此时冲程比为1∶1；接 着在最大出油量的冲次数下，在实际允许的冲程比范围内以时间间隔T3连 续改变冲程比τ，以各个冲程比的出油量和未改变冲程比前的最大出油量 的大小做比较，如果出油量变大，就按最大出油量的冲程比做记录并实际 改变冲程比，并按此状态运行，如果各个改变冲程比后的出油量和未改变 冲程比前的最大出油量大小做比较都没有变大，就按最大出油量的冲次数 且1∶1的冲程比运行；正常情况下，抽油机按历史数据以时间间隔T1进 行抽油，当系统满足试抽条件时，重复以上连续改变冲次数和冲程比的过 程，以适应油井下液面改变而造成的抽油机工况的变化，使抽油机的的抽 油量始终保持最大。\n如附图3所示，IC1为PHILPS公司的P89C54高性能单片机，完成本发 明的核心处理；IC3(8279)为键盘及显示驱动模块，IC4～IC9、IC16配合 IC3完成键盘按键处理及显示驱动，其中IC4(74HC138)为三—八译码器， IC5、IC6、IC7、IC8、IC9、IC16为驱动器；IC12(DA0832)为数模转换 器，与IC13共同完成数字量到模拟量的转换，提供给变频器(或复合智能 模块)的模拟控制信号即由此而来；IC14B、IC14C为位置传感器的施密特 反向驱动器，完成位置信号的输入转换；IC15为继电器输出驱动器，控制 电机启停的信号即由此而来；IC10为复位芯片；IC11为参量存储芯片；其 它芯片为辅助处理芯片。J1为键盘接口，J2为显示器接口。M1、M2、M3、 M4，B1、J4为本发明的直流电源部分。\n如附图4所示，IC19为小环境控温器的核心处理芯片，是PHILPS公司 的P87LPC767高性能单片机；IC17、IC18、IC22、IC23为温度信号的放大 处理芯片，完成温度信号的采集、处理及交付给CPU；N1、N2为驱动继电 器的三极管，JD3、JD4为继电器，控制加热管的通电与断电。POW为本发 明提供给小环境的低压直流电源接口。\n如附图5所示，IC24为W78E54单片机，完成液流信号的核心处理；IC25 (AD0809)为模数转换芯片，完成模拟量到数字量的转换；IC29、IC30、 IC31均为放大器，共同配合完成液流信号的采集与处理，其它芯片及元件 起辅助功能。液流比较器的工作原理是这样的：因为抽油机的出油是脉动 的，所以液流比较器不但能检测出出油次数的多少即出油率，而且能检测 出每次出油的大小，电路中的AD0809模数转换器就用来完成这个功能，出 油信号的有无及大小通过它都能准确地反应到单片机，单片机即根据它转 换来的数字信号进行有关处理。