CN104989381B - 一种游梁式抽油机冲程周期的软测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种游梁式抽油机冲程周期的软测量方法及装置，通过游梁式抽油机驱动电机电参量及其它信号检测单元采集抽油机驱动电机电能输入回路的三相瞬时电压和电流值，根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式计算其瞬时有功功率值，采用现代信息处理方法计算得到瞬时有功功率函数的周期，从而间接获得抽油机的冲程周期Tc，进而以Tc是否超出阈值来发出冲程周期调整指令和报警信息；本发明装置由梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元、游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元组成；该装置能准确监测抽油机冲程周期Tc，有效克服常规测量方法存在的易受工作环境干扰、测量准确度低、需额外增加传感器、安装维护不便等缺陷。
Description
技术领域
本发明属于油田采油生产过程状态监测及采油设备运行模式最优控制技术领域，涉及一种游梁式抽油机冲程周期的在线检测方法及装置，特别是一种通过实时监测抽油机动力配电箱电源电参数变化规律实现其冲程周期检测的软测量方法和装置。
背景技术
实时测量并动态调节游梁式抽油机冲程周期，致使抽油机的抽汲能力与地层供液能力达到精确匹配，是实现在油井产液量不变的约束条件下避免油泵空抽、减少管杆磨损、节约电能、减少采油生产成本的根本性技术措施。
目前本领域公知的用于检测游梁式抽油机冲程周期的方法是过零点检测计算法、霍尔开关传感法和光电开关传感法,但这些方法都存在易受工作环境干扰、测量结果准确度不高、需额外增加传感器、安装维护不方便以及性能不可靠等缺陷。例如光电开关传感法，其原理是在抽油机基架的一侧装设一只点光源，另一侧(或同侧)装设接受光源的光电开关传感器，通过监测抽油机工作时其游梁或驴头上下运动对光源光束遮档(或反射)导致光电开关开通与闭合状态的时间实现对冲程周期的检测，此法除了在抽油机系统上增加光电开关传感器、点光源外，还需增加电源线、信号线和相关附件，显然，该方法受野外工作环境、机械振动、检修安装质量等因素的影响不可避免。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的上述问题加以解决，提供一种通过实时监测抽油机动力配电箱电源电参数变化规律实现游梁式抽油机冲程周期检测的软测量方法，同时还提供一种可用于实现该方法的游梁式抽油机冲程周期软测量装置。
本发明所述的游梁式抽油机冲程周期软测量方法包括以下实施步骤：
1、通过游梁式抽油机冲程周期软测量装置的三相电压检测模块和三相电流检测模块采集游梁式抽油机配电箱中馈电线路的瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，根据三相交流瞬时无功理论公式或三相交流瞬时功率定义公式由游梁式抽油机冲程周期软测量装置中的DSP系统模块计算获得抽油机驱动电机输入的实时有功功率值p(t)及其波形；
2、根据实时有功功率p(t)幅值变化与游梁式抽油机工作过程特性的关联关系：即连续工作中的游梁式抽油机在其驱动电机带动下，通过内配的传动系统驱使油泵以冲程周期Tc为周期上下往复运动，周而复始地进行油液抽汲工作，这种周期性的工作过程特点导致驱动电机必须以同样的周期Tc持续提供相应交变的输出驱动力，而驱动电机输出驱动力在电机稳态工作条件下主要取决于其自身输入回路电能实时有功功率值p(t)的幅值大小，故p(t)幅值在时域上也是以同样的周期Tc交变，因此根据此关联关系计算实时有功功率p(t)函数曲线的周期就能获得游梁式抽油机的冲程周期Tc；
3、通过DSP系统模块连续记录、存储实时测量得到的实时有功功率p(t)值，采用自相关理论计算法(周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号)、小波变换法、卡尔曼滤波法或其他现代信息处理方法，通过计算获得实时有功功率p(t)函数曲线的周期——即游梁式抽油机的冲程周期Tc；
4、以计算获得的Tc值做为冲程周期的调整依据，当获得的冲程周期Tc值不在规定工作阈值范围内时，通过游梁式抽油机冲程周期软测量装置中的输出执行单元向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期调整指令或报警信息；即当Tc大于规定阈值时，通过输出执行单元向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期减小调整指令和报警信息，当Tc小于规定阈值时，通过输出执行单元向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期增大调整指令和报警信息，当Tc在规定阈值范围内时，保持现有状态。
用于实现上述方法的游梁式抽油机冲程周期软测量装置包括游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元、游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元三个主工作单元，其中：
游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元由模拟信号调理电路模块、DSP系统模块、单片机系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、键盘模块、液晶显示模块和以太网通信口模块组成，模拟信号调理电路模块的输出端直接接入DSP系统模块，DSP系统模块通过标准SPI总线与单片机系统模块及CPLD逻辑与组合系统模块相连，同时通过通用并行输入输出口与CPLD逻辑与组合系统模块相连，单片机系统模块通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块相连，键盘模块和液晶显示模块分别经磁耦合器隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块相连，以太网通信口模块经磁耦合器隔离后同时与单片机系统模块和CPLD逻辑与组合系统模块相连；
游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元由三相电压检测模块、三相电流信号检测模块、开关合分状态检测模块组成，三相电压检测模块和三相电流信号检测模块的输出端分别与游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元中的模拟信号调理电路模块输入端相连，开关合分状态检测模块的输出端经开关量信号调理电路模块隔离后接至游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元内CPLD逻辑与组合系统模块的输入端；
输出执行单元由两个开出回路组成，它们分别通过功率光电耦合器隔离、驱动后与游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元内CPLD逻辑与组合系统模块的输出端相连。
具体实施方案中，该装置中游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元中的三相电压检测模块采用三只并列的电压互感器、三相电流检测模块采用三只并列的电流互感器，开关合分状态检测模块的输入直接来自配电箱中空气开关的辅助触点，对开关辅助触点的防抖动处理由该模块内置的钳位二极管、限幅稳压管、通用阻容器件构成的防抖调理电路来实现；该装置输出执行单元中的两个开出回路分别为一个冲程周期过小报警或冲程周期增加控制开出回路和一个冲程周期过大报警或冲程周期减小控制开出回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下所述。
一、采用本发明所述的方法及装置通过实时监测抽油机动力配电箱电源电参数变化规律实现游梁式抽油机冲程周期检测，是一种典型的“以软代硬”间接软测量方法，不需在抽油机系统本体上额外增加传感器、不用铺设传感器电源线和信号线，维护方便。
二、测量的性能不易受环境因素(如光线、振动、温度等)影响，可靠性好、准确性高。
三、本发明装置设置了通讯网络接口，可直接无缝融入数字化油田监控平台。
附图说明
附图是本发明所述游梁式抽油机冲程周期软测量装置的电路原理图。
附图中各标号名称分别为：A－游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元，B－游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元，C－输出执行单元；1－三相电压检测模块(电压互感器)，2－三相电流检测模块(电流互感器)，3－开关合分状态检测模块，4－模拟信号调理电路模块,5－开关量信号调理电路模块,6－DSP系统模块,7－单片机系统模块,8－CPLD逻辑与组合系统模块，9－磁耦合器，10－磁耦合器，11－磁耦合器，12－以太网通信口模块，13－液晶显示模块，14－键盘模块，15－功率光电耦合器，16－功率光电耦合器，17－冲程周期过小报警或冲程周期增加控制开出回路，18－冲程周期过大报警或冲程周期减小控制开出回路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容做进一步说明。
本发明所述游梁式抽油机冲程周期软测量方法的基本内容是通过三相电压检测模块1和三相电流检测模块2分别采集抽油机驱动电机电能输入回路的瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)，根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式计算获得抽油机驱动电机输入的瞬时有功功率值p(t)，进而根据瞬时有功功率p(t)幅值变化在时域与游梁式抽油机工作过程中驱动力变化具有相同周期Tc这一对应关联关系，通过采用自相关理论计算法、小波变换法、卡尔曼滤波法或其他现代信息处理技术计算出有功功率p(t)函数曲线的周期，从而获得游梁式抽油机的冲程周期Tc；以此Tc作为抽油机冲程周期调整的依据，当测得冲程周期Tc值不在规定工作阈值范围内时，通过一个输出执行单元C向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期调整指令或报警信息
本发明所述的游梁式抽油机冲程周期软测量装置的一种实施例结构如附图所示，它由游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元A、游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元B和输出执行单元C三部分组成，游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元B、输出执行单元C分别通过相应接口与游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元A相连。
游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元B由三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、开关合分状态检测模块3和开关量信号调理电路模块5组成。三相电压检测模块1和三相电流检测模块2的输出分别与游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元A中的模拟信号调理电路模块4相连，开关合分状态检测模块3通过开关量信号调理电路模块5隔离后连至游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元A中的CPLD逻辑与组合系统模块8。工作时，抽油机配电箱馈电线路中(即抽油机驱动电机电能输入回路)的三线电压通过直采方式送入三相电压检测模块1、三线电流通过既有的电流互感器变换后送入三相电流检测模块2，分别经模拟信号调理电路模块4处理后得到抽油机驱动电机电能输入回路的瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)。具体实例的结构设计上，三相电压检测模块1采用三只并列的电压互感器(如HPT304A、HRPT-1),三相电流检测模块2采用三只并列的电流互感器(如HCT255A、HRCT-1),开关合分状态检测模块3直接取自配电箱中空气开关的辅助触点信号，开关量信号调理电路模块5采用由钳位二极管(如IN4001)、限幅稳压管、通用阻容器件、通用光电耦合器(如TLP521-X)构成的典型防抖与隔离电路实现。
游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元A由模拟信号调理电路模块4、DSP系统模块6、单片机系统模块7、CPLD逻辑与组合系统模块8、键盘模块14、液晶显示模块13、以太网通信口模块12和三只磁耦合器9、10、11组成。模拟信号调理电路模块4的输出端直接连至DSP系统模块6内嵌的A/D输入端；DSP系统模块6通过标准SPI总线和单片机系统模块7相连，同时通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块8相连，并分别与他们交换数据；单片机系统模块7通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块8相连并与其交换数据；键盘模块14、液晶显示模块13分别经磁耦合器11、10隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块8相连；以太网通信口模块12经磁耦合器9隔离后与单片机系统模块7、CPLD逻辑与组合系统模块8相连。具体结构设计上，模拟信号调理电路模块4由I/V转换及放大电路(如RVC420、LM324及外围辅助元件)、钳位二极管(如IN4148)、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现，DSP系统模块6可采用内置A/D的数字信号处理器(如TMS320F2812)，单片机系统模块7采用DSPIC30F6014A、ADuC8XX系列单片机，CPLD逻辑与组合系统模块8采用MAX7000系列器件(如EPM7128)，以太网通信口模块12可选用ADM1201、18F66J60、HR911105A器件构成或直接选用以太网专用模块(如HV2002D-TX、XXX),三只磁耦合器9、10、11需选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。
输出执行单元C主要由冲程周期过小报警或冲程周期增加控制开出回路17、冲程周期过大报警或冲程周期减小控制开出回路18组成。各个开出回路分别通过功率光电耦合器15、16隔离后与游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元A中的CPLD逻辑与组合系统模块8相连。具体实施结构上，两个开出回路(17、18)均采用通用控制继电器(如JQX-14)或固态继电器SSR(如S310ZK)，两个功率光电耦合器15、16则需选用输出驱动能力较大的光耦器件(如TLP127)。
实际工作中，该游梁式抽油机冲程周期软测量装置通过三相电压检测模块1、三相电流检测模块2对抽油机驱动电机电能输入回路的电参数进行采样，经模拟信号调理电路模块4放大、限幅、滤波、I/V变换后，送入含有内置A/D转换器的DSP系统模块6分析处理和记录，得到瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)，再根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式由DSP系统模块6计算获得抽油机驱动电机输入的瞬时有功功率p(t)值及其波形，进一步采用自相关理论计算法(周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号)、小波变换法、卡尔曼滤波法或其他现代信息处理技术，计算获得实时有功功率p(t)函数曲线的周期——即游梁式抽油机的冲程周期Tc。以自相关理论计算法为例，将实时有功功率值p(n)(p(n)为p(t)的离散序列点,n＝0,1,2,3…,0≤n≤N-1,N为p(n)长度且其与采样时间的乘积远大于p(t)的周期)和延迟m(m＝0,1,2,3…)个采样点时间实时有功功率值p(n+m)经自相关函数算法公式即可获得去除白噪声后的且与p(t)函数同周期的rpp(m)函数序列波形，寻找自相关函数rpp(m)两次同相位同幅值的点并计算他们之间时间差——此时间差即自相关函数rpp(m)的周期，或者直接计算rpp(0)值，以rpp(0)值为基准，连续搜索后继rpp(m)直至rpp(k)＝rpp(0)(k为rpp(m)的第k个序列，k＝1,2,3…m)，用k乘以采样时间就是rpp(m)的周期。因为周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，故通过上述方法获得的自相关函数rpp(m)的周期就是p(t)函数曲线周期——也即游梁式抽油机冲程周期Tc，至此我们通过实时监测抽油机动力配电箱电源电参数变化规律实现了对游梁式抽油机冲程周期Tc的软测量。
单片机系统模块7根据传来的各项参数，分别与预先设定在内存中的阈值做比较，经判断分析后，给出预告信号和调整周期信号的控制命令，送入CPLD逻辑与组合系统模块8进行逻辑运算，经功率光电耦合器15、16隔离与驱动，再送至开出回路17、18分别完成向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期增大、减小调整指令和报警信息，终达到使抽油机的抽汲能力与地层供液能力精确匹配，避免油泵空抽之目的。
抽油机配电箱中空气开关的辅助触点直接接入开关合分状态检测模块3，以便工作人员远程监控此开关的工作状态。
本发明装置进行在线软测量游梁式抽油机冲程周期的过程如下：
1)系统上电、自检、初始化；
2)检查本发明装置自身系统是否有故障，有故障时转入相应处理程序，给出故障诊断提示信息，无故障时向下步执行；
3)不断采集抽油机配电箱馈电支路三相电流、三相电压瞬时值；
4)计算瞬时有功功率p(t)并记录，利用自相关算法处理瞬时有功功率p(t)曲线，得到周期Tc值；
5)与预先设定在内存中的阈值比较，判断是否冲程周期的大小是否在规定阈值范围内，超出时时给出周期增大、减小调整指令和报警信息，未超出时在时向下步执行；
6)重复2)步骤。
通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明方法及装置的精髓所在——利用实时监测抽油机动力配电箱电源电参数变化规律来实现游梁式抽油机冲程周期的软测量方法和装置。但本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种游梁式抽油机冲程周期的软测量方法，包括以下步骤：
1.1搭建一个游梁式抽油机冲程周期的软测量装置，该游梁式抽油机冲程周期的软测量装置包括游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元(A)、游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元(B)和输出执行单元(C)三个主工作单元，其中：
1.1.1、游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元(A)由模拟信号调理电路模块(4)、开关量信号调理电路模块(5)、DSP系统模块(6)、单片机系统模块(7)、CPLD逻辑与组合系统模块(8)、键盘模块(14)、液晶显示模块(13)和以太网口通信模块(12)组成，模拟信号调理电路模块(4)的输出端直接接入DSP系统模块(6)，DSP系统模块(6)分别通过标准SPI总线、通用并行输入/输出口与单片机系统模块(7)、CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，单片机系统模块(7)通过通用并行输入/输出口和CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，键盘模块(14)和液晶显示模块(13)分别经磁耦合器(11、10)隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，以太网口通信模块(12)经磁耦合器(9)隔离后同时与单片机系统模块(7)和CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连；
1.1.2、游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元(B)由三相电压检测模块(1)和三相电流检测模块(2)组成，三相电压检测模块(1)、三相电流检测模块(2)的输出端分别与游梁式抽油机驱动电机电参量信号处理单元(A)中的模拟信号调理电路模块(4)的输入端相连，开关合分状态检测模块(3)的输出端经开关量信号调理电路模 块(5)处理与隔离后接至游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元(A)内CPLD逻辑与组合系统模块(8)的输入端；游梁式抽油机驱动电机电参量及其他信号量检测单元(B)中的三相电压检测模块(1)采用三只并列的电压互感器，三相电流检测模块(2)采用三只并列的电流互感器；
1.1.3、输出执行单元(C)由两个开出回路(17、18)组成，包括一个冲程周期过小报警或冲程周期增加控制开出回路(17)和一个冲程周期过大报警或冲程周期减小控制开出回路(18)，它们分别通过功率光电耦合器(15、16)隔离、驱动后与游梁式抽油机驱动电机电参量信号处理单元(A)内CPLD逻辑与组合系统模块(8)的输出端相连；
其特征在于：
1.2、通过游梁式抽油机冲程周期软测量装置的三相电压检测模块(1)和三相电流检测模块(2)采集游梁式抽油机配电箱中馈电线路的瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，根据三相交流瞬时无功理论公式或三相交流瞬时功率定义公式由游梁式抽油机冲程周期软测量装置中的DSP系统模块(6)计算获得抽油机驱动电机输入的实时有功功率值p(t)及其波形；
1.3、根据实时有功功率p(t)幅值变化与游梁式抽油机工作过程特性的关联关系，此计算实时有功功率p(t)函数曲线的周期就能获得游梁式抽油机的冲程周期Tc；
1.4、通过DSP系统模块(6)连续记录、存储实时测量得到的实时 有功功率p(t)值，采用自相关理论计算法、小波变换法或卡尔曼滤波法，通过计算获得实时有功功率p(t)函数曲线的周期——即游梁式抽油机的冲程周期Tc；
1.5、以计算获得的Tc值做为冲程周期的调整依据，当获得的冲程周期Tc值不在规定工作阈值范围内时，通过游梁式抽油机冲程周期软测量装置中的输出执行单元向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期调整指令或报警信息；即当获得的冲程周期Tc值不在规定工作阈值范围内时，通过游梁式抽油机冲程周期软测量装置中的输出执行单元(C)向该抽油机冲程控制调速器发出冲程周期调整指令或报警信息，当Tc在规定阈值范围内时，保持现有状态。
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Denomination of invention: A soft sensing method and device for stroke period of beam pumping unit Effective date of registration: 20201221 Granted publication date: 20171205 Pledgee: Pudong Development Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: XIAN HI-RATE POWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020610000240 |
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