CN113958288A - 一种可编程油井井口控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程油井井口控制器及其控制方法，井口控制器包括处理器，数据存储器，程序存储器，数据通信接口，RS485总线通信接口，ZIGBEE无线接口，模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路，以及语音控制器和音频功放；数据、程序存储器用于进行数据交互、程序下载、调试；数据通信接口用于数据传输；RS485总线通信接口用于与变频器和智能电量仪表单元通信；ZIGBEE无线接口用于与井场控制器通信；模拟量信号输入电路采集载荷和游梁角度数据，开关量信号输入电路用于检测柜门是否关上，开关量信号输出电路用于控制接触器；语音控制器用于播放提示语音。本发明可靠性高，扩展方便；可以实现远程数据采集和控制，以及满足人员安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种可编程油井井口控制器及其控制方法，属于油田油井控制领域。
背景技术
随着我国油田的老化，人员成本的升高，为降低人员成本和劳动强度，各个油田都在推动数字化油田的建设。数字化油田建设中，油井的数字化建设是整个数字化油田的基础。
目前油田的井口控制器存在着可靠性差，功能单一，用户扩展不方便，功能实现需要借助厂家升级程序等诸多弊端。
因此，需要一款新的井口控制器，能实现兼顾油田远程数据采集和控制，以及人员安全，无线通信，节能等多种需要，同时用户还可以用IEC-61131-3支持的5种语言，编写程序，以满足现场的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可编程油井井口控制器及其控制方法，以实现远程数据采集和控制，以及人员安全，无线通信，节能等多种需要。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一方面本发明提供了一种可编程油井井口控制器，其包括处理器，数据存储器，程序存储器，数据通信接口，RS485总线通信接口，ZIGBEE无线接口，模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路，以及语音控制器和音频功放；
所述数据存储器，程序存储器与所述处理器相连，两个存储器用于与外部的上位机进行数据交互、程序下载、程序调试；
所述数据通信接口与所述处理器相连，数据通信接口用于运行数据的传输；
所述RS485总线通信接口与所述处理器相连，RS485总线通信接口用于与变频器和智能电量仪表单元通信；
所述ZIGBEE无线接口与所述处理器相连，ZIGBEE无线接口用于与井场控制器通信；
所述模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路与所述处理器相连，同时模拟量信号输入电路连接抽油机悬点载荷传感器和游梁角度传感器，采集载荷和游梁角度数据，开关量信号输入电路用于检测抽油机控制开关柜的柜门是否关上，开关量信号输出电路用于控制接触器，接触器控制抽油机的电动机；
所述语音控制器分别与处理器和音频功放相连，用于播放提示语音。
进一步的，所述处理器为ARM处理器，选择LPC2468处理芯片；所述数据存储器为SDRAM和FLASH，所述程序存储器为NOR FLASH；所述数据通信接口为以太网网口，通过以太网网口与上位机进行数据交互。
进一步的，所述LPC2468集成的以太网控制器经RMII接口连接以太网PHY层芯片DP83848后接以太网变压器，构成RJ45以太网接口；所述LPC2468集成的内存控制器连接16位32M BYTE存储芯片SDRAM MT48L16作为数据存储器，连接NOR FLASH 16位4M BYTE存储芯片SST39VF320作为程序存储器；所述LPC2468内部集成的其中2个UART接口经光电隔离后接RS485芯片，构成2个RS485接口；所述LPC2468内部集成的其中1个UART接口直接连接DIGIZIGBEE无线通信模块；所述LPC2468集成的SPI口经过隔离芯片ADUM1411隔离后接16位8通道AD芯片ADS8344作为模拟量输入，开关量输入经光耦隔离后连接处理芯片LPC2468的GPIO接口，同时处理芯片LPC2468的GPIO接口经过驱动电路后接继电器，构成开关量输出。
进一步的，所述语音控制器采用语音芯片WTN6，音频功放采用功放芯片TPA3112D1。
另一方面本发明提供了一种可编程油井井口控制器的控制方法，该方法为设置至少2路模拟量输入连接抽油机悬点载荷传感器和游梁角度传感器，通过这两路模拟量按照每个游梁上下运动周期均匀采集一组载荷和游梁角度数据构成油井地面示功图；再通过与智能电量仪表单元通信，获得功率数据，按照每个游梁运动周期均匀采集一组功率和游梁角度数据构成油井功率图；然后存储油井地面示功图和油井功率图，并通过数据通信接口传给上位机，或者通过ZIGBEE接口传给井场控制器。
进一步的，所述地面示功图周期测量方法和示功图的采集方法为：采集悬点载荷数据，其输出为4-20mA信号，载荷为0时输出4mA信号，载荷为满量程时输出20mA信号，其输出接可编程油井井口控制器的其中1路模拟量输入；采集游梁角度传感器的输出，其输出为12mA±8mA的信号，游梁处于水平位置其输出12mA，角度传感器到达反向最大量程角度，输出4mA，角度传感器到达正向最大量程角度，输出20mA，其输出接可编程油井井口控制器的其中1路模拟量输入；当输入信号大于12mA时，程序启动一个定时器，开始计时，当输入信号小于12mA，定时器继续计时，直到输入信号再次大于12mA，停止计时，定时器计时的值即为游梁上下运动的周期，并从此点按照采样周期开始采集悬点载荷数据和游梁角度数据；通过把该周期等分200份得到采样周期，按照采样周期存储采集到的悬点载荷数据和游梁角度数据，经过单位换算得到地面示功图；
并根据如下算法计算包络比，其算法为：按照SL＝(最大载荷-最小载荷)*(最大位移-最小位移)得到理想示功图的面积SL，用曲线积分法计算实际示功图的包络面积，具体的，首先计算上冲程面积
N是最大位移处的采样序号；然后计算下冲程面积
实际示功图的包络面积S＝Ss-Sx；然后计算包络比B＝S/SL。
进一步的，根据所得包络比可自行决定启动或停止游梁式抽油机，或者用于调节游梁式抽油机的冲刺周期。具体分别如下：
所述可编程油井井口控制器根据地面示功图计算所得包络比自行决定启动或者停止游梁式抽油机；接着按照如下规则进行启停井控制，如果B<Bs设定值,且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器发出停井指令；停井时间超过设定时间Tt,则启动游梁式抽油机，并提示人员离开油井。这里优选的，Ts值为30分钟，Bs值为40％，Tt值为2小时。
所述包络比B可用于控制变频器调节游梁式抽油机的冲刺周期，具体方法为：按照如下规则进行抽油机的冲刺周期的调节，如果B<BL设定值，且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器控制变频器的输出频率比当前运行频率降低K％；如果B>BH设定值，且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器控制变频器的输出频率比当前运行频率升高K％；如果变频器输出频率低于变频器下限频率或者高于变频器上限频率则不再改变变频器运行频率。优选的，变频器下限频率设为20HZ，变频器上限频率设为60HZ，BL设为30％，BH设为70％。
进一步的，所述可编程油井井口控制器通过RS485，CAN，RS232，RS422或者模拟量输出控制变频器的频率。
进一步的，所述可编程油井井口控制器在闭合继电器启动油井抽油机前，分段播报语音提示信息，通过音频功放放大后经安装在机柜内的扬声器转换成声音信号提示人员离开油井。
进一步的，所述可编程油井井口控制器按照上位机设定的时间启动和停止油井抽油机，并且在启动油井抽油机前，播报语音提示信息，提示人员离开油井。
本发明的有益效果是：本发明可靠性高，功能全面，扩展方便；其可以实现远程数据采集和控制，以及满足人员安全，无线通信，节能等多种需要；如果在油田实施，可以大大降低低产油井采油的能源消耗。本发明除了已有的基础程序功能外，用户还可以自己用IEC-61131-3支持的5种语言，编写程序，以满足现场的需要。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2和3是本发明的处理器电路连接图；
图4是本发明的数据存储器和程序存储器电路连接图；
图5是本发明的数据通信接口电路连接图；
图6是本发明的模拟量处理电路连接图；
图7是本发明的开关量输入电路连接图；
图8是本发明的开关量输出电路连接图；
图9是本发明的网口与RS485总线通信接口电路连接图；
图10是本发明的电源、语音控制器及音频功放电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明创造进行详细说明。
实施例一。
请参阅图1-10，一种可编程油井井口控制器，其包括处理器，数据存储器，程序存储器，数据通信接口，RS485总线通信接口，ZIGBEE无线接口，模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路，以及语音控制器和音频功放；所述数据存储器，程序存储器与所述处理器相连，两个存储器用于与外部的上位机进行数据交互、程序下载、程序调试；所述数据通信接口与所述处理器相连，数据通信接口用于运行数据的传输；所述RS485总线通信接口与所述处理器相连，RS485总线通信接口用于与变频器和智能电量仪表单元通信；所述ZIGBEE无线接口与所述处理器相连，ZIGBEE无线接口用于与井场控制器通信；所述模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路与所述处理器相连，同时模拟量信号输入电路连接抽油机悬点载荷传感器和游梁角度传感器，采集载荷和游梁角度数据，开关量信号输入电路用于检测抽油机控制开关柜的柜门是否关上，开关量信号输出电路用于控制接触器，接触器控制抽油机的电动机；所述语音控制器分别与处理器和音频功放相连，用于播放提示语音。
本实施例中，所述处理器选择LPC2468，集成存储器控制器，以太网控制器，GPIO，UART，SPI接口和CAN接口，定时器，PWM发生器等接口的ARM7处理器。
LPC2468集成的以太网控制器需外部经RMII接口接以太网PHY层芯片DP83848后接以太网变压器，构成RJ45以太网接口。
集成的内存控制器接SDRAM MT48L16工业级16位32M BYTE作为数据存器和工业级NOR FLASH 16位4M BYTE存储器SST39VF320作为程序存储器。其内部集成的其中2个UART接口经过光电隔离后接RS485芯片，构成2个RS485接口。同时一个UART接口直接连接DIGIZIGBEE无线通信模块。
处理器集成的SPI口经过隔离芯片ADUM1411隔离后接16位8通道AD芯片ADS8344，作为模拟量输入，模拟量输入信号经过保护和电压变换和滤波后接AD芯片。
开关量输入经光耦隔离后接处理器的GPIO。
处理器的GPIO经过驱动电路ULN2003后接继电器，构成开关量输出。
语音芯片采用可编程的简单语音芯片，语音存储在内部ROM中，由处理器的3个GPIO控制，通过芯片特定的串行接口时序和命令，按照时间控制播放的声音，声音片段包括内容为如下文字的语音。
“抽油机一分钟后启动，请远离井场，滴，滴，滴”，
“抽油机30秒后启动，请远离井场，滴，滴，滴”，
“抽油机10秒后启动，请远离井场，滴，滴，滴”，
“抽油机即将启动请远离井场5，4，3，2，1”。
语音功放采用D类功放，最大输出功率可达25W，语音功放的电源由处理器的GPIO控制，GPIO接光耦输入，光耦输出控制MOS管，光耦输入有信号时，MOS管导通，给语音功放供电。需要播放语音时，接通功放电源，平常关断功放电源。
电源采用DC24V输入，经过隔离DC/DC转换后，转换成5v和3.3v给电路供电。语音功放直接由24v供电。
实施例二。
针对实施例一中的可编程油井井口控制器进行编程时，系统采用实时操作系统，内置协议栈和文件系统等，软件编写采用C语言。系统内置IEC61131-3的运行，下载，调试环境，经过以太网口，可以对该控制器进行编程，编程环境和运行环境支持支持IEC61131-3定义的IL，LD，ST，FBD和SFC五种编程语言。编程环境将IEC61131-3定义的IL，LD，ST，FBD和SFC五种编程语言转换成中间代码，再由编译器编译成机器码可以直接在处理器上运行。
在本专利的实施中，变频器的控制通过可编程油井井口控制器的RS485接口与变频器通信实现，变频器的RS485接口支持MODBUS RTU协议，通过可编程油井井口控制器给变频器发送设置频率命令实现。
其中至少2路模拟量输入连接抽油机悬点载荷传感器和游梁角度传感器，通过这两路模拟量按照每个游梁上下运动周期均匀采集200点的一组载荷和游梁角度数据构成油井地面示功图；再通过与智能电量仪表单元通信，获得功率数据，按照每个游梁运动周期均匀采集200点的一组功率和游梁角度数据构成油井功率图；然后存储油井地面示功图和油井功率图，并通过数据通信接口传给上位机，或者通过ZIGBEE接口传给井场控制器。
地面示功图周期测量方法和示功图的采集方法为：采集悬点载荷数据，其输出为4-20mA信号，载荷为0时输出4mA信号，载荷为满量程时输出20mA信号，其输出接可编程油井井口控制器的其中1路模拟量输入；采集游梁角度传感器的输出，其输出为12mA±8mA的信号，游梁处于水平位置其输出12mA，角度传感器到达反向最大量程角度，输出4mA，角度传感器到达正向最大量程角度，输出20mA，其输出接可编程油井井口控制器的其中1路模拟量输入；当输入信号大于12mA时，程序启动一个定时器，开始计时，当输入信号小于12mA，定时器继续计时，直到输入信号再次大于12mA，停止计时，定时器计时的值即为游梁上下运动的周期，并从此点按照采样周期开始采集悬点载荷数据和游梁角度数据；通过把该周期等分200份得到采样周期，按照采样周期存储采集到的悬点载荷数据和游梁角度数据，经过单位换算得到地面示功图。同理也可得到油井功率图。
可编程油井井口控制器根据地面示功图中形状自行决定启动或者停止游梁式抽油机，其算法为：按照SL＝(最大载荷-最小载荷)*(最大位移-最小位移)得到理想示功图的面积SL，用曲线积分法计算实际示功图的包络面积，具体的，首先计算上冲程面积
N是最大位移处的采样序号；然后计算下冲程面积
实际示功图的包络面积S＝Ss-Sx；然后计算包络比B＝S/SL；
接着按照如下规则进行启停井控制，如果B<Bs设定值,且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器发出停井指令；停井时间超过设定时间Tt,则启动游梁式抽油机，并提示人员离开油井。在本专利的一个实施中，Ts值为30分钟，Bs值为40％，Tt值为2小时。
另外，包络比B同时可用于控制变频器调节游梁式抽油机的冲刺周期，具体方法为：按照如下规则进行抽油机的冲刺周期的调节，如果B<BL设定值，且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器控制变频器的输出频率比当前运行频率降低K％；如果B>BH设定值，且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器控制变频器的输出频率比当前运行频率升高K％；如果变频器输出频率低于变频器下限频率或者高于变频器上限频率则不再改变变频器运行频率。所述可编程油井井口控制器通过RS485，CAN，RS232，RS422或者模拟量输出控制变频器的频率。在本专利的一个实施中，变频器下限频率设为20HZ，变频器上限频率设为60HZ，BL设为30％，BH设为70％。
在本实施中，可编程油井井口控制器在闭合继电器启动油井抽油机前，分段播报语音提示信息，通过音频功放放大后经安装在机柜内的扬声器转换成声音信号提示人员离开油井。或者可编程油井井口控制器按照上位机设定的时间启动和停止油井抽油机，并且在启动油井抽油机前，播报语音提示信息，提示人员离开油井。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种可编程油井井口控制器，其特征在于，包括处理器，数据存储器，程序存储器，数据通信接口，RS485总线通信接口，ZIGBEE无线接口，模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路，以及语音控制器和音频功放；
所述数据存储器，程序存储器与所述处理器相连；
所述数据通信接口与所述处理器相连，数据通信接口用于与外部的上位机进行数据交互、程序下载、程序调试和运行；
所述RS485总线通信接口与所述处理器相连，RS485总线通信接口用于与变频器和智能电量仪表单元通信；
所述ZIGBEE无线接口与所述处理器相连，ZIGBEE无线接口用于与井场控制器通信；
所述模拟量信号输入电路，开关量信号输入及输出电路与所述处理器相连，同时模拟量信号输入电路与外部抽油机悬点载荷传感器和游梁角度传感器连接，采集载荷和游梁角度数据，开关量信号输入电路用于检测抽油机控制开关柜的柜门是否关上，开关量信号输出电路用于控制接触器，接触器控制抽油机的电动机；
所述语音控制器分别与处理器和音频功放相连，用于播放提示语音。
2.根据权利要求1所述的一种可编程油井井口控制器，其特征在于，所述处理器为ARM处理器，选择LPC2468处理芯片；所述数据存储器为SDRAM和FLASH，所述程序存储器为NORFLASH；所述数据通信接口为以太网网口，通过以太网网口与上位机进行数据交互。
3.根据权利要求2所述的一种可编程油井井口控制器，其特征在于，所述LPC2468集成的以太网控制器经RMII接口连接以太网PHY层芯片DP83848后接以太网变压器，构成RJ45以太网接口；所述LPC2468集成的内存控制器连接16位32M BYTE存储芯片SDRAM MT48L 16作为数据存储器，连接NOR FLASH 16位4M BYTE存储芯片SST39VF320作为程序存储器；所述LPC2468内部集成的其中2个UART接口经过光电隔离后接RS485芯片，构成2个RS485接口；所述LPC2468内部集成的其中1个UART接口直接连接DIGI ZIGBEE无线通信模块；所述LPC2468集成的SPI口经离芯片ADUM1411隔离后接16位8通道AD芯片ADS8344作为模拟量输入，开关量输入经光耦隔离后连接处理芯片LPC2468的GPIO接口，同时处理芯片LPC2468的GPIO接口经过驱动电路后接继电器，构成开关量输出。
4.一种如权利要求1-3任一项所述可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，设置至少2路模拟量输入连接抽油机悬点载荷传感器和游梁角度传感器，通过这两路模拟量按照每个游梁上下运动周期均匀采集一组载荷和游梁角度数据构成油井地面示功图；再通过与智能电量仪表单元通信，获得功率数据，按照每个游梁运动周期均匀采集一组功率和游梁角度数据构成油井功率图；然后存储油井地面示功图和油井功率图，并通过数据通信接口传给上位机，或者通过ZIGBEE接口传给井场控制器。
5.根据权利要求4所述的可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，所述地面示功图周期测量方法和示功图的采集方法为：采集悬点载荷数据，其输出为4-20mA信号，载荷为0时输出4mA信号，载荷为满量程时输出20mA信号，其输出接可编程油井井口控制器的其中1路模拟量输入；采集游梁角度传感器的输出，其输出为12mA ±8mA的信号，游梁处于水平位置其输出12mA，角度传感器到达反向最大量程角度，输出4mA，角度传感器到达正向最大量程角度，输出20mA，其输出接可编程油井井口控制器的其中1路模拟量输入；当输入信号大于12mA时，程序启动一个定时器，开始计时，当输入信号小于12mA，定时器继续计时，直到输入信号再次大于12mA，停止计时，定时器计时的值即为游梁上下运动的周期，并从此点按照采样周期开始采集悬点载荷数据和游梁角度数据；通过把该周期等分200份得到采样周期，按照采样周期存储采集到的悬点载荷数据和游梁角度数据，经过单位换算得到地面示功图；
并根据如下算法计算包络比，其算法为：按照SL＝(最大载荷-最小载荷)*(最大位移-最小位移)得到理想示功图的面积SL，用曲线积分法计算实际示功图的包络面积，具体的，首先计算上冲程面积
N是最大位移处的采样序号；然后计算下冲程面积
实际示功图的包络面积S＝Ss-Sx；然后计算包络比B＝S/SL。
6.根据权利要求5所述的可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，所述可编程油井井口控制器根据地面示功图计算所得包络比自行决定启动或者停止游梁式抽油机；接着按照如下规则进行启停井控制，如果B<Bs设定值,且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器发出停井指令；停井时间超过设定时间Tt,则启动游梁式抽油机，并提示人员离开油井。
7.根据权利要求5所述的可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，包络比B可用于控制变频器调节游梁式抽油机的冲刺周期，具体方法为：按照如下规则进行抽油机的冲刺周期的调节，如果B<BL设定值，且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器控制变频器的输出频率比当前运行频率降低K％；如果B>BH设定值，且运行时间超过设定时间Ts，则可编程油井井口控制器控制变频器的输出频率比当前运行频率升高K％；如果变频器输出频率低于变频器下限频率或者高于变频器上限频率则不再改变变频器运行频率。
8.根据权利要求7所述的可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，所述可编程油井井口控制器通过RS485，CAN，RS232，RS422或者模拟量输出控制变频器的频率。
9.根据权利要求4或6所述的可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，所述可编程油井井口控制器在闭合继电器启动油井抽油机前，分段播报语音提示信息，通过音频功放放大后经安装在机柜内的扬声器转换成声音信号提示人员离开油井。
10.根据权利要求4或6所述的可编程油井井口控制器的控制方法，其特征在于，所述可编程油井井口控制器按照上位机设定的时间启动和停止油井抽油机，并且在启动油井抽油机前，播报语音提示信息，提示人员离开油井。
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