CN108868703A - 一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备，所述设备由实现自动调参算法的数字控制系统、自控设备箱体、电压传感器、电流传感器和具有四象限运行能力的电机驱动器组成；所述的自动调参功能的数字化控制系统包括自动调参数字控制器单元，面向四象限运行的电机驱动器的通信接口单元，面向电压传感器和电流传感器的传感器接口单元，可视化液晶显示单元，温度检测单元，键盘，Flash存储单元和USB存储接口单元，所述的自动调参是指自控设备运行过程中无需人工手动干预，根据抽油机工况自适应主动调整抽油机交流电机功率驱动器运行参数。本发明具有工作适应性强、自适应寻优、自动调参等优点。

Description

一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备

技术领域

本发明涉及抽油机自控领域，特别涉及一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备。

背景技术

石油是国民经济的命脉，地下石油的开采工作会应用抽油机作为石油的采集和提升装置，抽油机的工作的驱动机器常采用交流电动机。抽油机自控设备能够根据给定实现对抽油机交流电机进行运行状态的自动化控制。传统的抽油机自控设备为了实现负荷的电气检测常通过给抽油机安装载荷传感器实现，此时传感器老化和漂移的问题常会严重影响测量结果的精度，从而影响依靠测量结果进行运算和判断的可靠性。传统的抽油机自控设备进行自动控制时，给定常是单一的既不能够根据抽油机的运行情况进行实时的运行控制参数调整，也不能够自动进行运行控制参数调整，例如：给定频率为某F1Hz时，则无论油井的具体工况如何，只要一开机运行就会始终运行在该F1Hz，当油井处于中期或者后期时，会发生抽油机每个冲次不能抽满甚至空抽的情况，这样会加剧光杆和油桶壁的磨损从而缩短油井及其设备的免维护期。当油井具体工况发生变化且需要改变运行状态时，则又往往不能及时发现问题和进行处理，而且即便进行处理时又常需要通过人工手动设置，甚至是通过停机进行设置，这就会造成响应不及时，使用不方便，浪费人力，甚至影响油田正常生产的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不受载荷传感器老化和漂移限制、自适应主动调整抽油机交流电机功率驱动器运行参数、兼容性强的无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备。

为实现上述目的，采用以下技术方案：本发明所述设备包括交流电网、电压传感器、电流传感器、传感器接口A、具有四象限运行能力的电机驱动器、通信接口、含有自动调参功能的数字化控制系统以及面向抽油机电机负载的输出系统；

电压传感器、电流传感器、传感器接口A、具有四象限运行能力的电机驱动器、通信接口A和含有自动调参功能的数字化控制系统位于抽油机自控设备电气柜箱体内；

含有自动调参功能的数字化控制系统，所述系统包括自动调参数字控制器、可视化图形液晶显示单元、通信接口B、传感器接口B、温度检测单元、键盘、Flash存储单元和USB存储单元；自动调参数字控制器的信号接收端与传感器接口B、通信接口B、键盘、温度检测单元相连；自动调参数字控制器的信号输出端与可视化图形液晶显示单元相连；自动调参数字控制器的信号的储存端与Flash存储单元和USB存储单元相连；

交流电网经电压传感器、电流传感器后分别与具有四象限运行能力的电机驱动器、含有自动调参功能的数字化控制系统相连；电压传感器和电流传感器通过传感器接口A与含有自动调参功能的数字化控制系统中的传感器接口B相连进行信号传递，含有自动调参功能的数字化控制系统与具有四象限运行能力的电机驱动器通过通信接口A、B相连进行信息交换；具有四象限运行能力的电机驱动器与面向抽油机电机负载的输出系统相连。

进一步的，所述的具有四象限运行能力的电机驱动器内含有用于驱动器控制的数字控制器和用于驱动器输入输出电压、输入输出电流、电压和电流检测单元。

进一步的，所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，依靠输入电压和电流构成的功率因数进行算法运算。

进一步的，所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，依靠输入有功功率和无功功率进行算法运算。

进一步的，所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，依靠输入有功功率和抽油机配套电机的输出功率值进行算法运算。

本发明的工作过程大致如下：

交流电网作为无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备的总输入功率源，经过电压传感器和电流传感器检测电气信号后，送入具有四象限运行能力的电机驱动器环节，功率驱动环节在对交流电网电能进行整流和逆变处理后，转换成适配抽油机交流电机工作需要的交流功率源而驱动抽油机工作；电压传感器和电流传感器检测得到的电气信号输出给含自动调参功能的数字化控制系统，数字化控制系统根据电压电流信号进行寻优运行形成自适应主动调参指令，调参指令通过串行通信送到具有四象限运行能力的电机驱动器环节，电机驱动器依照调参指令实现适合抽油机交流电机具体工况运行参数自动调整；在抽油机自控设备运行过程中，数字化控制系统可以通过键盘获取本地参数以及控制给定，数字化控制系统的Flash存储单元和USB接口单元能够对自控设备的运行状态信息进行数字化存储，数字化控制系统的可视化液晶显示单元可以将自控设备的运行状态详细展现出来；无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备在不进行自动调参运行时，可以运行在人为指定的工作状态。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、相比于公知的抽油机自控设备的固定模式运行以及进行模式切换时的人工手动切换，本发明既具有公知的固定运行模式的功能，更具有根据抽油机具体工况进行自适应寻优和自动调参的突出性能。

2、相比于公知的抽油机自控设备为获知油桶浸油量而采用的载荷传感器，本发明无需载荷传感器有效地避免了因为载荷传感器易于老化和漂移给检测结果造成的不良影响。

3、相比于公知的抽油机自控设备进行的模式和参数调整的人工操作，特别是对位于偏僻和荒远的控制设备的人工操作，本发明进行自适应的主动调整，无需人工外力干预即可自动调参，具有工作适应性强，且可以节省大量的的时间、人力、物力和财力。

4、相比于公知的抽油机自控设备因为模式固定对油井尤其是对中期和后期油井适应力差的缺点，本发明能够保证各冲次的抽油量为最佳值，尤其能够有效避免抽油机的欠抽和空抽，在增加产油量降低电能耗的同时，可以有效减少抽油机光杆以及油桶壁的磨损，可以有力地延迟抽油机设备的免维护期，从而又从人力、物力和财力上解决了生产成本。

5、相比于公知的抽油机自控设备的载荷传感器的露天安装方式易造成载荷传感器老化和漂移的缺点，本发明的电压传感器和电流传感器均安装于专用的有运行环境保障的电气控制柜内，具有寿命长和准确度高的优点。

6、相比于公知的抽油机自控设备对载荷传感器使用的单一性，本发明具有更好的兼容性和通用性，既可以基于已有的载荷传感器进行自动调参，也可以无需载荷传感器仅依靠电压传感器和电流传感器进行自动调参。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明含有自动调参功能的数字化控制环节功能结构框图。

图3为本发明所依据的交流异步电机等效电路图。

图4为本发明在无需载荷传感器时实现自动调参的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明所述设备包括交流电网、电压传感器、电流传感器、传感器接口A、具有四象限运行能力的电机驱动器、通信接口、含有自动调参功能的数字化控制系统以及面向抽油机电机负载的输出系统；电压传感器、电流传感器、传感器接口A、具有四象限运行能力的电机驱动器、通信接口A和含有自动调参功能的数字化控制系统位于抽油机自控设备电气柜箱体内；

含有自动调参功能的数字化控制系统包括自动调参数字控制器、可视化图形液晶显示单元、通信接口B、传感器接口B、温度检测单元、键盘、Flash存储单元和USB存储单元；自动调参数字控制器的信号接收端与传感器接口B、通信接口B、键盘、温度检测单元相连；自动调参数字控制器的信号输出端与可视化图形液晶显示单元相连；自动调参数字控制器的信号的储存端与Flash存储单元和USB存储单元相连；自动调参数字控制器是核心部件，用于算法运行和支持显示、通信及数据存储，与公知的抽油机自控设备相比，本发明的自动调参功能是突出的特点。如图2所示。

交流电网经电压传感器、电流传感器后分别与具有四象限运行能力的电机驱动器、含有自动调参功能的数字化控制系统相连；电压传感器和电流传感器通过传感器接口A与含有自动调参功能的数字化控制系统中的传感器接口B相连进行信号传递，含有自动调参功能的数字化控制系统与具有四象限运行能力的电机驱动器通过通信接口A、B相连进行信息交换；具有四象限运行能力的电机驱动器与面向抽油机电机负载的输出系统相连。

具有四象限运行能力的电机驱动器内含有用于驱动器控制的数字控制器和用于驱动器输入输出电压、输入输出电流、电压和电流检测单元。

所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，可依靠输入电压和电流构成的功率因数进行算法运算。也依靠输入有功功率和无功功率进行算法运算。还依靠输入有功功率和抽油机配套电机的输出功率值进行算法运算。

图3为本发明所依据的交流异步电机等效电路图，图中u1为定子侧输入电压，i1为定子侧输入电流，Rk为电机短路电路，Xk短路电抗，RL为等效负载电阻。

图4为本发明在无需载荷传感器时实现自动调参的控制框图，构成环节包括：交流电网，电压电流传感信号，数字控制信号采集，数字控制寻优算法，自适应主动调参，温度检测，四象限功率驱动，抽油机电机负载，其中数字控制信号采集、数字控制寻优算法、自适应主动调参和温度检测四部分位于自适应主动调参数字控制环节。

本发明的实施理论依据为，参照图3交流异步电机等效电路图，可得等效负载所消耗的电功率与异步电机轴端输出机械功率线性相关，由此又可得输出电压和电流所确定的交流有功也与异步电机轴端输出机械功率线性相关，因此判断输入有功功率的具体值即可判断抽油机无故障运行时的具体载荷值，从而可以根据输入有功功率进行自适应的电机运行状态的参数主动调整即自动调参；同理根据图3等效电路可得当异步机电机轴端输出机械功率变化时，定子侧的输入功率因数也会发生变化，因此可以依据输入的功率因数角度进行自适应的电机运行状态的参数主动调整即自动调参。

自动调参实施例1

交流电网给无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备供电，电压传感器和电流传感器进行电气信号检测，自适应主动调参数字控制环节通过传感器接口进行输入交流电压和交流电流的信号采集，计算输入有功功率，根据本发明的理论实施依据进行电机运行状态寻优，与抽油机工况相对应实现自适应主动调参，从而获得用于四象限功率驱动环节的电机运行状态控制信号，使得四象限功率驱动环节输出具有自动调参特征的交流电机运行所需的功率；在实施自动调参时，为了避免寒冬季节季节出现抽油机结蜡问题，通过温度检测感知环境温度，并将温度信号作为自适应自动调参的输入参数之一参与自动调参工作，从而确保在严寒季节自动调参的同时维持抽油机光杆持续运动从而保证不结蜡。

自动调参实施例2

交流电网给无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备供电，电压传感器和电流传感器进行电气信号检测，自适应主动调参数字控制环节通过传感器接口进行输入交流电压和交流电流的信号采集，计算输入功率因数，根据本发明的理论实施依据进行电机运行状态寻优，与抽油机工况相对应实现自适应主动调参，从而获得用于四象限功率驱动环节的电机运行状态控制信号，使得四象限功率驱动环节输出具有自动调参特征的交流电机运行所需的功率；在实施自动调参时，为了避免寒冬季节季节出现抽油机结蜡问题，通过温度检测感知环境温度，并将温度信号作为自适应自动调参的输入参数之一参与自动调参工作，从而确保在严寒季节自动调参的同时维持抽油机光杆持续运动从而保证不结蜡。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备，其特征在于：所述设备包括交流电网、电压传感器、电流传感器、传感器接口A、具有四象限运行能力的电机驱动器、通信接口、含有自动调参功能的数字化控制系统以及面向抽油机电机负载的输出系统；

电压传感器、电流传感器、传感器接口A、具有四象限运行能力的电机驱动器、通信接口A和含有自动调参功能的数字化控制系统位于抽油机自控设备电气柜箱体内；

含有自动调参功能的数字化控制系统包括自动调参数字控制器、可视化图形液晶显示单元、通信接口B、传感器接口B、温度检测单元、键盘、Flash存储单元和USB存储单元；自动调参数字控制器的信号接收端与传感器接口B、通信接口B、键盘、温度检测单元相连；自动调参数字控制器的信号输出端与可视化图形液晶显示单元相连；自动调参数字控制器的信号的储存端与Flash存储单元和USB存储单元相连；

交流电网经电压传感器、电流传感器后分别与具有四象限运行能力的电机驱动器、含有自动调参功能的数字化控制系统相连；电压传感器和电流传感器通过传感器接口A与含有自动调参功能的数字化控制系统中的传感器接口B相连进行信号传递，含有自动调参功能的数字化控制系统与具有四象限运行能力的电机驱动器通过通信接口A、B相连进行信息交换；具有四象限运行能力的电机驱动器与面向抽油机电机负载的输出系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备，其特征在于：所述的具有四象限运行能力的电机驱动器内含有用于驱动器控制的数字控制器和用于驱动器输入输出电压、输入输出电流、电压和电流检测单元。

3.根据权利要求1所述的一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备，其特征在于：所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，依靠输入电压和电流构成的功率因数进行算法运算。

4.根据权利要求1所述的一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备，其特征在于：所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，依靠输入有功功率和无功功率进行算法运算。

5.根据权利要求1所述的一种无需载荷传感器实现自动调参的抽油机自控设备，其特征在于：所述含有自动调参功能的数字化控制系统进行自动调参时，依靠输入有功功率和抽油机配套电机的输出功率值进行算法运算。