CN100572810C - 一种有杆泵抽油机抽油控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有杆泵抽油机抽油控制方法及其系统。该方法通过采集抽油机悬点载荷和位移数据生成地面示功图，由波动方程计算得出地下泵功图；根据泵功图图形特征，应用模糊逻辑进行游动阀漏失等泵工况分析及控制：若有严重故障则停机待检，否则根据分析得出的泵充满程度调整运行参数，若符合“间抽”条件则计算或调整停抽时间进行“间抽”控制，否则根据泵充满程度计算新的冲次参数。采用该方法的ARM嵌入式抽油控制器，可将泵功图诊断和实时抽油控制结合起来，实现故障保护、停抽、“间抽”或冲次参数调整，可显著提高工作效率。

Description

一种有杆泵抽油机抽油控制方法及其系统

技术领域

本发明属于抽油机控制领域，涉及一种有杆泵抽油机抽油控制方法及其系统，适用于有杆泵抽油机的实时故障诊断、保护和工作参数调整。

背景技术

在采用有杆泵的原油开采中，电能的大量浪费是导致采油成本过高的主要原因。特别是在油田开发的后期，产油量相对设计值已经严重不足，蓄油液面下降导致抽油机在工作中存在着严重的“空抽”或“半抽”现象，无效行程增加，载荷率低，造成能源的极大浪费，甚至造成抽油设施的损坏。

目前有杆泵抽油机控制多为以避免空抽为目的的间抽控制，通常采集的信号包括：出油的流量信号、抽油机载荷信号、抽油机电流信号、抽油机功耗信号。但这些信号只能间接反映抽油泵的工况状况，不能准确诊断抽油机的运行状况。地下泵功图是描述采油泵工作过程中位移和载荷的动态曲线，包含了采油泵工作状态的丰富信息。通过分析地下泵功图，不仅排除了抽油杆柱的变形、粘滞阻尼振动的影响，而且可以获知抽油机悬点负荷变化情况，抽油杆是否断脱，油层供液能力是否充足，以及游动阀、固定阀的漏失情况，因此以地下泵功图为控制依据将是很好的选择。

目前泵功图的应用还基本停留在离线故障诊断阶段，基本过程包括：采集抽油机的地上载荷信号和位移信号；PC离线运算，生成地上示功图和地下泵功图；通过程序或工作人员诊断出工况，确定抽油机合理的工作参数；人工或远程通讯调整抽油机工作参数。由于泵功图的应用没有和抽油机的实时控制结合起来，这样的操作流程实时性差，不能及时发现抽油机的故障，也不能根据工况及时调整抽油机冲次的工作参数，效果十分有限。

综上所述，有杆泵抽油机控制亟需一种以泵功图为基础的在线故障诊断及控制方法。

发明内容

本发明针对现有有杆泵抽油机控制技术的不足，提供一种有杆泵抽油机抽油控制方法，该方法可以在线实现故障报警、“间抽”、停抽和根据泵充满程度调整抽油冲次的无人值守智能控制；本发明还提供了实现该方法的控制系统。

本发明提供的有杆泵抽油机抽油控制方法，其步骤包括：

(1)采集抽油机悬点的载荷数据和位移数据，获得悬点位移-时间曲线和悬点载荷-时间曲线；

(2)根据采集的悬点载荷-时间曲线和悬点位移-时间曲线，以载荷为纵轴，位移为横轴，生成抽油机悬点载荷-位移曲线，即地上示功图；

(3)根据地上示功图计算地下泵功图；

(4)根据地下泵功图判断抽油机是否不出油，如果抽油机存在不出油故障，转入步骤(20)，否则进入步骤(5)；

(5)采用模糊逻辑方法，建立泵功图的图形特征到抽油机工作状况的对应关系，得到模糊评语集，由预定义的隶属函数确定每种图形特征反映的抽油机运行状况，再根据每种图形特征分配的权重综合评判出抽油机的工作状态，如果抽油机存在其他严重故障，转入步骤(20)，否则进入步骤(6)；

(6)分析泵的充满程度，得到评判结果；

(7)判断上一冲次是否是“间抽”且仍满足间抽条件，如果是且满足“间抽”条件，转入步骤(10)，否则进入步骤(8)；

(8)根据步骤(6)对泵充满程度的诊断结果判断是否需要调整抽油机的运行参数，当产油量相对设计值已经严重不足，进入步骤(9)，当当前冲次泵未充满时，进入步骤(13)，否则转入步骤(1)；

(9)计算“间抽”停抽时间，获得停抽时间，执行步骤(11)；

(10)调整“间抽”停抽时间；

(11)判断新的停抽时间T_next是否大于预设的最大“间抽”停抽时间T_max，如果T_next＞T_max，则执行步骤(12)，否则执行步骤(18)；

(12)将新的停抽时间T_next取为预设的最大停抽允许值；

(13)计算新的抽油机运行速度值；

(14)判断新速度值是否大于预设最大允许速度值，如果新速度值大于预设最大允许速度值，执行步骤(15)；否则，执行步骤(16)；

(15)将新速度值设置为最大允许速度值；然后执行步骤(18)；

(16)判断新速度值是否小于预设最小允许速度值，若计算出的新速度值小于最小允许速度值，执行步骤(17)，否则执行步骤(18)；

(17)将新速度值设置为最小允许速度值；

(18)调整抽油机控制参数，如果是“间抽”的停机指令，则调整控制系统参数使抽油机停机，待计算的停抽时间T_next结束，抽油机开机继续抽油作业；如果是普通调速指令，直接调整电机驱动器的参数来控制抽油机的运行；

(19)判断是否有结束指令，如果收到结束指令，执行步骤(20)，否则返回步骤(1)；

(20)抽油机停机。

本发明提供的有杆泵抽油机抽油控制系统，它包括嵌入式处理器，其特征在于：所述嵌入式处理器内设置有界面模块、串口通讯模块、远程通讯模块、泵功图分析处理模块和数据存储与转存模块；

界面模块用于为用户提供交互操作图形界面，用户提交控制参数通过串口通讯模块发送给电机驱动器，并存入数据存储与转存模块，还将泵功图分析处理模块提交的信息显示给用户；

泵功图分析处理模块用于泵功图生成、泵功图诊断识别和获得电力参数运行曲线，当泵功图诊断结果为故障时，通过远程通讯模块发送报警信息；将泵功图、泵功图诊断和电力参数运行曲线的相关数据送入数据存储与转存模块保存；并根据泵功图诊断识别的结果生成控制策略，通过串口通讯模块将控制信号发送给电机驱动器；

远程通讯模块还通过串口通讯模块将接收的远程控制信号发送给电机驱动器，并完成与数据存储与转存模块之间的远程数据交互。

本发明控制方法采用泵功图作为抽油泵工况诊断的对象，结合模糊自诊断的方法在线自动判断多种工况，并将诊断结果和控制策略结合起来，可实现故障报警、“间抽”、停抽和根据泵充满程度调整抽油冲次的无人值守智能控制，从而节省电能，提高抽油生产率，降低设备维护成本。

附图说明

图1为直线电机抽油机诊断与控制流程图；

图2为抽油机不出油时的地下泵功图；

图3为普通地下泵功图；

图4为抽油机控制器硬件框图；

图5为抽油机控制器软件功能模块图；

图6为抽油机控制器软件主要功能模块数据流图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

(1)采集抽油机悬点的载荷数据和位移数据，获得悬点位移-时间曲线和悬点载荷-时间曲线。

位移数据通常通过位移传感器获得。载荷数据可以采用多种方法获得，包括：通过载荷传感器直接获得载荷数据；根据电机功耗推算抽油机的载荷数据(参见U.S.Pat.No.3,3,409)。通过如上方法可以每隔一定时间间隔就采集一次悬点位移数据和载荷数据，当抽油机完成一个抽油冲次后，即可获得悬点位移-时间曲线和悬点载荷-时间曲线。

(2)根据采集的悬点载荷-时间曲线和悬点位移-时间曲线，以载荷为纵轴，位移为横轴，生成抽油机悬点载荷-位移曲线，即地上示功图。

(3)根据地上示功图计算地下泵功图。

采用如下文献的方法由地上示功图获得地下泵功图：

通常采用波动方程计算地下泵功图，该方法以抽油杆柱作为井下动态信号的传导线，抽油泵为发送器，抽油泵的工作状态以应力波的形式沿抽油杆柱传递到地面，采用带阻波动方程描述应力波在抽油杆柱中的传递过程，根据悬点载荷、位移边界条件可以求解波动方程，得到抽油杆柱任意截面处的位移和载荷信号，从而生成所需截面及采油泵的示功图。该方法的具体实现步骤可以参见Gibbs，S.G.：Predicting the Behavior of a Sucker RodPumping System，SPE of AIME，paper No.588，Denver，m Colo.，1963，和U.S.Pat.No.4,490,094。

(4)根据地下泵功图判断抽油机是否不出油，如果抽油机存在不出油故障，转入步骤(20)，否则进入步骤(5)；

现有技术存在各种判断方法，为了减少数据处理量，可以选用如下方法进行典型不出油故障工况判断，附图2为七种典型抽油井不出油工况的地下泵功图，包括：抽油杆断脱；游动阀卡死常开或柱塞未进泵筒；固定阀卡住常开；衬套松动串漏；柱塞卡死；气锁，且泵的衬套错乱；普通气锁等。不出油工况泵功图曲线所围面积通常小于正常功图面积的一半，可据此进行判断。预先根据经验或在抽油井试抽时确定泵充满时泵功图所围面积值S_normal；在抽油机工作时，根据步骤3获得的泵功图，计算其面积S_total，和S_normal进行比较得到比值α＝S_total/S_normal，与预先设定的判断阈值(如取α_threshold＝0.3)比较，若α＜α_threshold，即可断定抽油机处于不出油状态；当不出油状态连续出现次数大于设定阈值时，表明抽油机存在不出油故障需要停机检修，需由工作人员根据泵功图作出详细的故障诊断。

(5)判断是否抽油机存在其他严重故障，如果存在，转入步骤(20)，否则进入步骤(6)；

其他严重故障主要包括抽油机游动阀故障、固定阀故障、柱塞与衬套的间隙故障。泵功图的图形特征能反映抽油机井下泵、阀工作状况，如附图3，泵功图的左半部分图形特征用于诊断游动阀(上阀)、固定阀(下阀)是否漏失，当与外包围矩形接近，左侧边呈垂直或近似垂直时，上下阀不漏；上阀漏失时，则泵功图左上角呈圆弧形缺损；下阀漏失时，泵功图左下角呈圆弧形缺损。泵功图右下角图形特征用于诊断泵充满程度，图形缺损越严重，说明泵的充满程度越低。泵功图右上角图形特征用于诊断柱塞和衬套之间的间隙大小，图形缺损越大，说明间隙越大，漏失越严重。

本发明采用模糊逻辑方法分析地下泵功图特征，进行抽油机井下工况的诊断。建立泵功图的图形特征(评判对象元素集)到抽油机工作状况(模糊评语集)的对应关系(模糊映射)。再根据预定义的评判规则(隶属函数)确定每种图形特征反映的抽油机运行状况，并根据每种图形特征分配的权重综合评判出抽油机的工作状态。

本发明中采用相同的方法不同的参数值对抽油机游动阀、固定阀、柱塞与衬套的间隙分别进行诊断，具体参数值如表1所示，诊断步骤如下：

(5.1)选择泵功图图形特征单因素集合，定义模糊诊断的评语集合

选定泵功图总面积、泵功图缺损面积、泵功图包围矩形边长构成反映泵功图图形特征的单因素集合，即{泵功图总面积S_total，泵功图缺损面积S_lost，线段L}。

定义评价抽油机工作状况好坏的单因素评语集合为{很好，好，较好，中等，较差，差，很差}，也可稍粗略的定义为{好，较好，中等，较差，差}。

(5.2)确定各模糊评语的隶属函数

由于故障因素特征一般呈正态规律分布，故将隶属函数选为正态函数形式。

泵功图总面积S_total单因素评语中的各模糊评语隶属函数定义为：

$f_i\left(x\right)=e^{-A{(x-a_i)}^2},$ i＝1，2，...，7

将缺损面积S_lost单因素评语中的各模糊评语隶属函数定义为：

$g_i\left(y\right)=e^{-B{(y-b_i)}^2},$ i＝1，2，...，7

将线段L的单因素评语中的各模糊评语隶属函数定义为：

$w_i\left(z\right)=e^{-C{(z-c_i)}^2},$ i＝1，2，...，7

其中，f_i(i＝1，2，...，7)、g_i(i＝1，2，...，7)和w_i(i＝1，2，...，7)依次是步骤(5.1)单因素评语集中的七个评语的隶属函数；A、B和C是常量，由具体的抽油系统参数决定，一般取A，B，C＝100～300；x、y和z是自变量，具体表达式见表一；a_i(i＝1，2，...，7)、b_i(i＝1，2，...，7)和c_i(i＝1，2，...，7)是常量，根据经验和历史数据确定，一般0＜a_i，b_i，c_i＜1。

表一  各种工况对应的参数表达式

(5.3)根据单因素评语中各模糊概念的隶属函数可得到各因素的单独评判结果

根据计算的参数值，求得隶属函数值，可得知每个单因素的各个评语的概率，若f_i(x)＝(0.1，0.1，0.2，0.1，0.3，0.1，0.1)，(i＝1，2，...，7)，则该项单因素诊断为“较差”的概率最大，为0.3(％)。依次获得所有单因素的评判结果，得到评判结果矩阵：

$R_{3\×7}=\left(\begin{array}{c}{f}_i\left(x\right)\\ g_i\left(y\right)\\ w_i\left(z\right)\end{array}\right),$ (i＝1，2，...，7)

其中，R是3行7列的评判结果矩阵。

(5.4)分配三个单因素在最终评判中的权重值

根据单因素集合中的三个因素对抽油机运行工况的反映程度不同，为其分配评判权重值，得到权重分配的行矩阵

Q＝(q₁q₂q₃)

其中，Q是权重分配的行矩阵，q₁、q₂、q₃分别是泵功图总面积S_total、泵功图缺损面积S_lost和线段L三个单因素在模糊评判中所占的权重，且q₁+q₂+q₃＝1。

如分析泵的充满程度时，泵功图缺损面积S_EIGH与泵功图总面积S_total的比值能较好反映泵的充满程度，应分配最大的权重值，可取权重值得行矩阵为Q＝(0.10.30.6)。

(5.5)获得综合评判结果

根据步骤(5.3)获得的单个因素的评判结果和步骤(5.4)确定的因素权重值，采用“最大-最小合成法”模糊合成运算规则计算得到综合评判结果的初始值，计算公式为：

(i＝1，2，3；j＝1，2，...，7)

其中，“∨”是并运算，“∧”是交运算，h_j(j＝1，2，...，7)是模糊评判结果的行矩阵H的第j个元素。r_ij是步骤(5.3)获得的矩阵R_3×7的第i行第j列元素。

然后再对得到的综合评判结果初始值进行去模糊化处理。因为行矩阵H中的七个元素依次表示获得步骤(5.1)中模糊评语集中的七个模糊评语的概率大小，通过比较获得元素h₁，h₂，h₃，h₄，h₅，h₆，h₇中的最大值，即可以获得单项工况的综合评判结果。例如如果H＝(0.04 0.1 0.3 0.2 0.2 0.1 0.06)，那么参照单因素评语集合{很好，好，较好，中等，较差，差，很差}，可知出现“较好”工作状况的概率最大，这样就把“较好”作为最终的综合评判结果。

如果游动阀、固定阀、柱塞和套筒间隙的任一综合评判结果是“很差”或“差”，则表明需要停机检修，需发送结束指令，执行步骤(20)，否则执行步骤(6)。

(6)分析泵的充满程度，得到评判结果；

采用步骤(5)相同的方法诊断分析抽油泵的充满程度，参量取值如表一所示。

(7)判断上一冲次是否是“间抽”且仍满足间抽条件，如果是且满足“间抽”条件，转入步骤(10)，否则进入步骤(8)。

在根据诊断结果对抽油机工作参数进行调整前，首先进行一个“间抽”条件判断。如果上一冲次是“间抽”，且满足继续“间抽”条件T_stop-T_step≥T_threshold，则执行步骤(10)，否则顺序执行步骤(8)。上式中，T_stop是上一冲次的“间抽”停机时间，T_step是预设的时间调整值，T_sthreshold是判断进入调速控制还是“间抽”控制的“间抽”停机时间阈值，当停机时间值小于阈值时，说明油井蓄液能力增强，不再需要“间抽”。

(8)判断是否需要调整抽油机的运行参数，根据诊断结果，分别进行处理：

根据步骤(6)对泵充满程度的诊断结果进行参数调整判断，当泵充满程度的诊断结果是“好”或“很好”，说明当前冲次适当无需调整，返回步骤(1)。

当泵充满程度的诊断结果是“很差”，则产油量相对设计值已经严重不足，蓄油液面下降导致抽油机存在严重的“空抽”或“半抽”现象，已不能仅通过降低冲次增加蓄油时间来获得足够的蓄油，需要停机一段时间再开机，实行“间抽”，则进入步骤(9)。

当泵充满程度的诊断结果是“较好”、“中等”、“较差”或“差”，说明当前冲次泵未充满，需要减小冲次，则进入步骤(13)。

(9)计算“间抽”停抽时间

当步骤(7)、步骤(8)确定需要“间抽”，则需要计算确定停抽时间长度。本发明根据统计数据计算停抽时间，具体方法为：存储最近n个冲次的耗时T_i(i＝1～n)和抽油泵的出油量M_i(i＝1～n)数据，得到n组数据对(T_i，M_i)(i＝1～n)；应用最小二乘法拟合得到出油量和时间的二次函数W＝f(T)；根据拟合得到的函数可以计算泵达到充满需要的时间T_full，该时间再加上一个附加的时间余量T₀即可作为抽油机“间抽”时的停机时间T_next＝T_full+T₀，控制器检测到该停机时间结束时，再开机运行，开始新的抽油冲次。获得停抽时间后，执行步骤(11)。

(10)调整“间抽”停抽时间

当步骤(9)计算获得的停抽时间足够长时，随着抽油井蓄油能力的恢复，需要减少“间抽”停抽时间，即适当减少步骤(9)计算的停抽时间，本发明采用试探法减少停抽时间，使得停机时间保持动态以适应油井蓄油能力的恢复，具体方法为：

当上一个“间抽”的泵充满程度的诊断结果是“好”或“很好”，则由式T_next＝T_stop-T_step计算调整后的停机时间T_next，T_step为预设时间调整步长。一旦油井恢复良好的蓄液能力，那么在能保证良好泵充满程度的情况下间抽时间T_next将逐渐减小，当它小于预设的停抽最小值，即T_next≤T_threshold，就应该进入连续抽油的调速控制，参见本发明步骤(7)。

如果泵的充满程度是“较好”、“中等”、“较差”、“差”或“很差”，则由式T_next＝T_stop+T_step作为“间抽”停机时间。

(11)判断新的停抽时间是否大于预设的最大停抽允许值

T_next不能大于预设的最大“间抽”停抽时间T_max(由工作人员根据油井的具体情况预设置)，如果计算的T_next＞T_max，则执行步骤(12)，否则执行步骤(18)。

(12)将新的停抽时间取为预设的最大停抽允许值

(13)计算新的抽油机运行速度值

当步骤(8)确定进行冲次调整，需要计算新的运行冲次(速度)。新的抽油机运行速度计算如下：

V_a＝V_p·E

式中，V_a为新的冲次值，V_p为当前冲次值，E为与油井泵充满程度相关的调整系数，获得方法如下：

E＝q₁·S_total/S_normal+q₂·L_void/L_stroke +q₃·4S_lost/S_total

其中，S_total为泵功图总面积，在附图三中为S_BEGD，S_normal为泵充满时泵功图所围面积值，L_stroke为泵功图上光杆的冲程线段长度，在附图三中为线段FH的长度，L_void为泵功图上光杆冲程线段长度和泵充满部分线段长度之差，在附图三中为线段GH的长度，S_lost为泵功图相对外接矩形在右下角的缺损面积，在附图三中为S_EIGH，q₁、q₂、q₃分别是泵功图总面积S_total、泵功图缺损面积S_lost和线段L三个单因素在模糊评判中所占的权重。

(14)判断新速度值是否大于预设最大允许速度值

获得新的速度值后，还要考虑该速度值不能大于预存在控制器记忆单元中的系统最大允许速度值V_max。

如果新速度值大于预设最大允许速度值，执行步骤(15)；否则，执行步骤(16)。

(15)将新速度值设置为最大允许速度值

若计算出的新速度值大于最大允许速度值(最大允许速度值是由电机参数和系统机械参数决定的)，则把最大允许速度值作为新的速度值V_a＝V_max，然后执行步骤(18)。

(16)判断新速度值是否小于预设最小允许速度值

由于电机和机械参数的限制，应设置系统最小允许速度值，该值应同时保证有足够的速度调整范围，若计算出的新速度值小于最小允许速度值，执行步骤(17)，否则执行步骤(18)。

(17)将新速度值设置为最小允许速度值，即V_a＝V_min。

(18)调整抽油机控制参数

如果是“间抽”的停机指令，则调整控制系统参数使抽油机停机，待计算的停抽时间T_next结束，抽油机开机继续抽油作业。

如果是普通调速指令，直接调整电机驱动器的参数来控制抽油机的运行。

(19)判断是否有结束指令

结束指令的来源有两个：一个是工作人员人为发出的停机结束指令，比如设备定期检修需要停机；一个是控制系统自身发出的结束指令，比如某项故障被诊断出来，发出结束指令。

如果没有收到结束指令，则返回步骤(1)开始新的控制循环。

如果收到了结束指令，则执行步骤(20)。

(20)抽油机停机。

实现本发明的抽油机诊断与控制方法的控制器结构如附图4所示。控制芯片采用位ARM嵌入式处理器，配置uCLinux操作系统和图形用户界面GUI。外围扩展大容量内存和输入控制电路、液晶显示屏控制电路、电平转换电路、IDE硬盘控制电路、蜂鸣报警电路、时钟电路、系统复位电路、系统电源电路。无线通信模块通过电平转换电路与处理器进行数据交换。电机驱动器通过串口连接到ARM处理器。载荷传感器信号经信号调理电路连接到控制器的ADC转换器引脚。位移传感器信号同样经信号调理电路后送给控制芯片的另一路ADC转换器引脚。控制器的控制信号通过串口发送给电机驱动器来控制抽油机运行。

实例：

参看附图4，有杆泵抽油机控制器采用ARM嵌入式处理器1为内核，软件平台为uCLinux操作系统和图形用户界面GUI。该控制器的输入控制电路2一端连接输入装置3，一端连接处理器1；TFT液晶屏5通过液晶屏控制电路4连于处理器1；无线通信模块7通过串口连接到电平转换电路6，6连接到处理器1的UART0；电机驱动器8一端连接于杆式抽油机12，一端通过串口与电平转换电路6相连，6连接于处理器1的UART1；在抽油机12上安装有载荷传感器10，10连接到信号调理电路9，9连接到处理器1的一路ADC转换器；12上还装有位移传感器11，11同样连接到信号调理电路9，9连接到处理器1的另一路ADC转换器；IDE硬盘控制电路13、存储电路包括PSRAM、NANDFLASH和NORFLASH14、蜂鸣报警器15、时钟电路16、复位电路17与处理器1直接相连；电源电路18给控制芯片1和其他电路模块提供电压。

载荷传感器10安装在抽油机12的悬点处，载荷信号经信号调理电路9与处理器1的其中一路ADC转换器相连，ADC转换器可将模拟载荷信号转换为数字信号，再送到1的内存进行诊断分析或送到数据存储电路存储；位移传感器11安装在12上采集位移信号，经信号调理电路9与1的另一路ADC转换器相连，ADC转换器可将模拟位移信号转换为数字信号，再送到1的内存进行诊断分析或送到存储电路存储。

电机驱动器控制指令由微控制器产生，通过电平转换电路6和串口发送给电机驱动器8，8根据指令调整电机的运行参数，从而调整抽油机12的运行状态。

处理器1通过数据总线把采集到的载荷和位移两路数据存储在PSRAM中，需要长期存储的数据，1通过数据总线经由IDE硬盘控制电路13存储到外接IDE硬盘中；由于使用uCLinux操作系统，NOR FLASH用来存放BootLoader程序，以便于加载并引导存放在NAND FLASH中的uCLinux操作系统。

本发明的控制器具有2种控制方式。一是：通过输入装置3经由输入控制电路2进行控制。该控制器采用键盘作为输入设备，使用I²C接口的键盘与LED驱动芯片进行键盘扫描。当有按键按下时，键盘控制器将输出中断信号给处理器1；另一中控制方式为：通过无线通信模块7远程控制，控制信号经过串口、电平转换电路6送给处理器1，抽油机控制器检测出的故障、油井参数等信息也可发送给远端系统。

控制芯片从数据存储器中提取所需数据进行计算，通过数据总线送到液晶屏控制电路4，进而由液晶屏5显示输出。液晶模块内含液晶控制驱动器，使用时插入控制板。

当软件系统分析发现故障时，控制芯片控制相应输出管脚输出电平0，驱动控制蜂鸣器15的PNP三极管导通，蜂鸣器报警；当输出电平1时，三极管截至，蜂鸣器停止蜂鸣。

在系统复位电路17中，采用带有I²C存储器的电源监控芯片，提高系统的可靠性。

在电源管理电路18中，电源接口接入9V直流电源，经5V电源电路稳压至5V，再经1.8V电源电路和3.3V电源电路输出1.8V和3.3V电压，分别供控制器I/O口、内核及片内外设。

附图5所示是本发明有杆泵抽油机控制器的主要软件功能模块图。采用uCLinux操作系统和图形用户界面GUI软件平台，共包括五个核心功能模块：界面模块19(具有人工参数输入和屏幕显示输出两个功能)为用户提供了一个友好的交互操作图形界面，通过该界面，用户可以由输入设备输入控制指令或参数，又可通过菜单和按钮选择进入所有子功能模块，并通过该模块显示的地上示功图、地下泵功图和电机电力参数曲线了解相关信息；串口通讯模块20(具有串口参数设置和驱动器控制与监测两个功能)主要实现程序调试过程中控制器与PC机之间的串口参数设置和在控制、监测驱动器时的串口设置与串口通讯；远程通讯模块21(具有自动报警和远程数据管理两个功能)主要实现接受远程控制指令，在需要时发送油井工况数据给远程油井工作站，并在发生故障时发送故障报警信息；泵功图分析处理模块22实现三个功能：一是泵功图生成，实现根据传感器采集的地上载荷-时间数据和悬点位移-时间数据生成地上示功图，再根据波动方程由地上示功图求取地下泵功图。二是泵功图诊断识别，实现泵功图的诊断分析，识别出抽油井的“空抽”、泵阀漏失等故障，分析泵的充满程度，并相应的生成控制程序。三是获得电力参数运行曲线，主要生成直线电机若干主要电力参数随时间的变化曲线，通过界面模块显示输出；数据存储与转存模块23(具有数据存储和数据转存两个功能)负责对各种采集到的数据和计算过程产生的数据的管理和向扩展存储设备(如U盘)的数据转存。在核心功能之外，还有附加功能模块24(具有版权信息和用户操作指南两个功能)主要提供操作帮助信息和软件版本信息。

附图6所示是本发明抽油机控制器软件主要功能模块数据流图。泵功图分析处理模块22接收载荷-时间数据和位移-时间数据输入，生成的地上示功图、地下泵功图和电力参数曲线通过界面模块19显示输出。同时，采集到的数据、工况分析等过程中产生的有用数据由数据存储与转存模块23进行管理，必要时转存至外部存储器。根据泵功图生成的控制指令要通过串口通讯模块20输出给电机驱动器。当泵功图分析处理模块22发现存在故障时，故障信息经由远程通讯模块21发送给远程工作站，同时也把故障信息发送给界面模块19。

远程通讯模块21可以接收远程工作站的控制指令，经串口通讯模块20把控制指令发送给电机驱动器。在必要时，将接收到的数据送到数据存储与转存模块23存储。远程通讯模块21也可以根据需要对数据存储与转存模块23的数据进行读取，远程发送给工作站。

界面模块19除了显示输出图形，还可以接受用户输入，包括设置参数和控制指令，有用的数据要发送到数据存储与转存模块23存储。控制指令要经由串口通讯模块20发送给电机驱动器。

Claims (6)

1、一种有杆泵抽油机抽油控制方法，其步骤包括：

(1)采集抽油机悬点的载荷数据和位移数据，获得悬点位移-时间曲线和悬点载荷-时间曲线；

(2)根据采集的悬点载荷-时间曲线和悬点位移-时间曲线，以载荷为纵轴，位移为横轴，生成抽油机悬点载荷-位移曲线，即地上示功图；

(3)根据地上示功图计算地下泵功图；

(4)根据地下泵功图判断抽油机是否不出油，如果抽油机存在不出油故障，转入步骤(20)，否则进入步骤(5)；

(5)采用模糊逻辑方法，建立泵功图的图形特征到抽油机工作状况的对应关系，得到模糊评语集，由预定义的隶属函数确定每种图形特征反映的抽油机运行状况，再根据每种图形特征分配的权重综合评判出抽油机的工作状态，如果抽油机存在其他严重故障，转入步骤(20)，否则进入步骤(6)；

(6)分析泵的充满程度，得到评判结果；

(7)判断上一冲次是否是“间抽”且仍满足间抽条件，如果是且满足“间抽”条件，转入步骤(10)，否则进入步骤(8)；

(8)根据步骤(6)对泵充满程度的诊断结果判断是否需要调整抽油机的运行参数，当产油量相对设计值已经严重不足，进入步骤(9)，当当前冲次泵未充满时，进入步骤(13)，否则转入步骤(1)；

(9)计算“间抽”停抽时间，获得停抽时间，执行步骤(11)；

(10)调整“间抽”停抽时间；

(11)判断新的停抽时间T_next是否大于预设的最大“间抽”停抽时间T_max，如果T_next＞T_max，则执行步骤(12)，否则执行步骤(18)；

(12)将新的停抽时间T_next取为预设的最大“间抽”停抽时间T_max，然后转入步骤(18)；

(13)计算新的抽油机运行速度值；

(14)判断新速度值是否大于预设最大允许速度值，如果新速度值大于预设最大允许速度值，执行步骤(15)；否则，执行步骤(16)；

(15)将新速度值设置为最大允许速度值；然后执行步骤(18)；

(16)判断新速度值是否小于预设最小允许速度值，若计算出的新速度值小于最小允许速度值，执行步骤(17)，否则执行步骤(18)；

(17)将新速度值设置为最小允许速度值；

(18)调整抽油机控制参数，如果是“间抽”的停机指令，则调整控制系统参数使抽油机停机，待计算的停抽时间T_next结束，抽油机开机继续抽油作业；如果是普通调速指令，直接调整电机驱动器的参数来控制抽油机的运行；

(19)判断是否有结束指令，如果收到结束指令，执行步骤(20)，否则返回步骤(1)；

(20)抽油机停机。

2、根据权利要求1所述的有杆泵抽油机抽油控制方法，其特征在于：步骤(5)和步骤(6)按照下述过程进行评判：

(A1)选定泵功图总面积、泵功图缺损面积、泵功图包围矩形边长构成反映泵功图图形特征的单因素集合，即{泵功图总面积S_total，泵功图缺损面积S_lost，线段L}，定义评价抽油机工作状况好坏的单因素评语集合；

(A2)确定各模糊评语的隶属函数；

(A3)根据单因素评语中各模糊概念的隶属函数得到各因素的单独评判结果；

(A4)分配三个单因素在最终评判中的权重值；

(A5)采用“最大-最小合成法”模糊合成运算规则计算各单因素评语的综合评判结果的初始值，然后再对各单因素评语的综合评判结果的初始值进行去模糊化处理，比较获得各模糊评判结果的最大值，获得单项工况的综合评判结果。

3、根据权利要求1或2所述的有杆泵抽油机抽油控制方法，其特征在于：步骤(9)按照下述过程计算“间抽”停抽时间：

存储最近n个冲次的耗时T_i和抽油泵的出油量M_i数据，i＝1～n，得到n组数据对(T_i，M_i)，i＝1～n；应用最小二乘法拟合得到出油量和时间的二次函数W＝f(T)；根据拟合得到的函数可以计算泵达到充满需要的时间T_full，该时间再加上一个附加的时间余量T₀即可作为抽油机“间抽”时的停机时间T_next＝T_full+T₀，控制器检测到该停机时间结束时，再开机运行，开始新的抽油冲次。

4、根据权利要求1或2所述的有杆泵抽油机抽油控制方法，其特征在于：步骤(10)按照下述方法调整“间抽”停抽时间：

当上一个“间抽”的泵充满程度的诊断结果是“好”或“很好”，则由式T_next＝T_stop-T_step计算调整后的停机时间T_next，T_stop为抽油机“间抽”时的停机时间，T_step为预设时间调整步长，当T_next≤T_threshold，进入连续抽油的调速控制，T_sthreshold是判断进入调速控制还是“间抽”控制的“间抽”停机时间阈值；

如果泵的充满程度是“较好”、“中等”、“较差”、“差”或“很差”，则由式T_next＝T_stop+T_step作为“间抽”停机时间T_next。

5、根据权利要求1或2述的有杆泵抽油机抽油控制方法，其特征在于：步骤(13)按照公式计算新的抽油机运行速度值：

新的抽油机运行速度计算如下：

V_a＝V_p·E

式中，V_a为新的速度值，V_p为当前速度值，E为与油井泵充满程度相关的调整系数，E＝q₁·S_total/S_normal+q₂·L_void/L_stroke+q₃·4S_lost/S_total，S_total为泵功图总面积，S_normal为泵充满时泵功图所围面积值，L_stroke为泵功图上光杆的冲程线段长度，L_void为泵功图上光杆冲程线段长度和泵充满部分线段长度之差，S_lost为泵功图相对外接矩形在右下角的缺损面积，q₁、q₂、q₃分别是泵功图总面积S_total、泵功图缺损面积S_lost和线段L三个单因素在模糊评判中所占的权重。

6、一种实现权利要求1所述有杆泵抽油机抽油控制方法的有杆泵抽油机抽油控制系统，它包括嵌入式处理器，其特征在于：所述嵌入式处理器内设置有界面模块(19)、串口通讯模块(20)、远程通讯模块(21)、泵功图分析处理模块(22)和数据存储与转存模块(23)；

界面模块(19)用于为用户提供交互操作图形界面，用户提交控制参数通过串口通讯模块(20)发送给电机驱动器，并存入数据存储与转存模块(23)，还将泵功图分析处理模块(22)提交的信息显示给用户；

泵功图分析处理模块(22)用于泵功图生成、泵功图诊断识别和获得电力参数运行曲线，当泵功图诊断结果为故障时，通过远程通讯模块(21)发送报警信息；将泵功图、泵功图诊断和电力参数运行曲线的相关数据送入数据存储与转存模块(23)保存；并根据泵功图诊断识别的结果生成控制策略，通过串口通讯模块(20)将控制信号发送给电机驱动器；

远程通讯模块(21)还通过串口通讯模块(20)将接收的远程控制信号发送给电机驱动器，并完成与数据存储与转存模块(23)之间的远程数据交互。

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