CN1916413A - 抽油机网络测控节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抽油机网络测控节能系统，包括由抽油机、设置在抽油机各个部位的传感器、驱动器、继电保护单元、现场控制器、键盘与显示器、第一无线通信单元构成的抽油机现场测控装置和由第二无线通信单元、控制中心、GSM网络通信单元、手机组成的远程监控与信息管理系统；传感器对抽油机的压力、位移物理量现场数据动态采集后送入现场控制器中，通过驱动器控制抽油机的电动机调速，还通过继电保护单元对供电子系统电参数的测量，进而计算判定对抽油机的电动机和控制器的过压、过流保护；并通过第一无线通信单元与远程监控与信息管理系统的第二无线通信单元进行远传通信；第二无线通信单元和控制中心互连，控制中心通过GSM通信单元与手机之间通信。

Description

抽油机网络测控节能系统

                        技术领域

本发明属于自动化测控与智能仪器仪表技术领域，涉及一种集测量、控制与管理一体化自动测控管系统，更进一步涉及一种抽油机网络测控节能系统。

                        背景技术

目前，在抽油机自动控制技术领域，抽油机的继电保护、节能冲次自动调整、油机远程监控、油机动态数据采集与管理等，还没有实现有效的测量、控制、管理一体化。基本是在抽油机上仅安装继电保护装置的传统作业方式，由于抽油机地处野外，分散设放，无人职守，当抽油机出现故障时不能得到及时排除，影响油机正常工作；特别是由于抽油机及其油井动态数据无法及时获得，没有动态智能测控设备，导致抽油机工作效率低、无法实现抽油机自动调控节能，造成很大的资源浪费；此外，由于抽油机缺乏动态数据采集、数据保存、数据分析、数据查询等，以至于给管理、决策和抽油机维护带来更大困难。

                        发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种成本低、系统化强、抽油机冲次检测调整智能化、油机和井场动态数据检测管理一体化的抽油机网络测控节能系统。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，一种抽油机网络测控节能系统，该系统包括：

a.由抽油机、设置在抽油机各个部位的传感器、驱动器、继电保护单元、现场控制器、键盘与显示器、第一无线通信单元构成的抽油机现场测控装置；和

b.由第二无线通信单元、控制中心、GSM网络通信单元、手机组成的远程监控与信息管理系统；

传感器对抽油机的压力、位移物理量现场数据动态采集后送入现场控制器中，现场控制器上有键盘与显示器，通过驱动器控制抽油机的电动机调速，现场控制器还通过继电保护单元对供电子系统电参数的测量，进而计算判定对抽油机的电动机和控制器本身过压、过流现象的保护；并通过第一无线通信单元与远程监控与信息管理系统的第二无线通信单元进行远传通信；第二无线通信单元和控制中心互连，控制中心通过GSM通信单元与手机之间通信。

传感器是对抽油机相关部位的压力、位移等物理量进行感知，经数据采集单元实现信号获取。

现场控制器是现场的控制核心，实施对数据采集单元、调速单元、参数设定输入单元、现场数据显示单元以及无线通信单元的控制，达到数据采集、传输、远程通信和电动机调速控制的目的。

继电保护单元完成对抽油机的电参数的测量，进而计算出电动机的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、视在功率等以及对电动机和现场控制器本身过压、过流的保护。

控制中心由计算机与无线通信单元组成，重点对来自现场采集的数据处理、远程监控与数据管理。控制中心根据现场采集的数据进行示功图、产液量、泵功图的软测量计算，给出最大产液量对应的冲次数据，再通过无线通信单元发送到抽油机现场控制器，控制抽油机运行的最佳冲次，达到提高抽油效率和节能目的。控制中心根据现场采集到的抽油机故障信息，经故障诊断运算处理，决策出应采取的具体措施，并通过无线通信单元以短信形式发往手机用户，通知技术人员及时进行维护处理。此外，控制中心对现场采集历史数据进行长期存储，供技术人员进行查询、研究、分析使用。

本发明真正实现了抽油机冲次实时闭环调节的自动化，数据测量、管理、远程监控的一体化，能根据油井工况变化情况动态自动调节抽油机冲次，保证了抽油机实时处在最佳工作状态，大大提高了抽油效率，节电效果非常明显，同时减少了人工管理的强度，提高了油田整体管理水平和经济效益。

                        附图说明

图1是本发明的总体方框图；

图2是本发明的现场测控装置原理框图；

图3是本发明的智能控制模块原理框图；

图4是本发明的巡检程序流程图；

图5是本发明的无线通讯流程图；

图6是本发明的神经网络学习程序流程图；

图7是本发明的泵示功图计算程序流程图。

为了更清楚的理解本发明，下面结合附图和发明人给出的具体实例，对本发明作进一步的详细描述与说明。

                        具体实施方式

如图1所示，本发明包括抽油机1、传感器2(包括载荷传感器、角位移传感器)、驱动器3、继电保护单元4、控制器5、键盘及显示器6、无线通信单元7、无线通信单元8、控制中心9、GSM通信单元10、手机11。其中，现场控制器5由数据采集单元、调速控制单元、参数设定输入单元和现场数据显示单元组成，并分别与传感器2、驱动器3、继电保护单元4和键盘及显示器6、第一无线通信单元7集成为抽油机现场测控装置，实现现场数据动态采集、显示、冲次调节和远传通信；通过记录上下冲程中抽油机1的电动机的最大工作电流实时监测抽油机的平衡状态，通过继电保护单元4完成供电子系统电参数的测量，进而计算判定对电动机和控制器本身过压、过流现象的保护；通过制动电阻自动泄放电动机反发电现象产生的负功率，减少对供电电网的影响。

抽油机1上安装角位移传感器，井口的悬绳器上安装有载荷传感器，角位移传感器用于采集抽油机1的冲次动态位移数据送到控制器5中，载荷传感器用于间接采集油层动液面数据送到控制器5中。驱动器3用于控制抽油机的电动机调速。第一无线通信单元7用于将现场控制器5的现场数据动态采集、显示、冲次调节进行远传通信；第二无线通信单元8、控制中心9、GSM通信单元10和手机11组成远程监控与信息管理系统，第二无线通信单元8实现控制中心9与现场测控装置的数据通信，GSM通信单元10实现控制中心9与手机11之间的通信，控制中心9根据现场采集的数据进行不同冲次下的示功图计算和对应的产液量计算，给出最大产液量对应的冲次数据，将该冲次数据通过无线通信单元8发送给现场调控装置，进而控制抽油机运行的冲次，形成抽油机冲次自动控制，达到提高抽油效率和节能目的。控制中心9还根据载荷和位移数据处理形成示功图，进而计算出每一冲次下的产液量、泵功图和动液面，通过求解电动机转速变化的波动方程，得到精确的泵功图，提高产液量、动液面计算的精度，以克服由于电动机转矩的波动范围大在调速控制处于恒功率运行模式时，电动机转速波动过大的强干扰问题。通过键盘及显示器6的友好人机对话界面，显示电机的各种电参数、抽油机的平衡状态、产液量、冲次、冲程、示功图、动液面等信息。通过键盘设定和修改现场测控装置的静态参数，诸如下泵深度、泵径、抽油杆组、电动机参数、系统调节冲次的周期等。

图2、图3、图4是发明人依本发明的技术方案给出的硬件具体实施例。在图2中，现场测控装置硬件部分由智能控制模块、传感器模块、继电保护模块、变频调速模块、无线通信模块、人机界面等部分构成。分别说明如下：

1.智能控制模块：智能控制模块原理如图3所示。采用DSP作为控制器，并扩展了20个数字I/O口、8路A/D通道、8路D/A通道、2个RS232串口、8×8键盘接口、LCD接口。此外，此模块外接时钟模块，时钟信息掉电后不会丢失。此模块为测控装置的控制中枢，负责各类输入输出信号的分析和处理。

2.传感器模块主要包括井口载荷传感器、油压传感器、角位移传感器、电量传感器及相应调理电路。此模块可检测光杆载荷、油管油压、游梁倾角、电压、电流等系统参数，并对信号作滤波和放大等调理。

3.人机界面模块包括4×4键盘、128×64图形点阵LCD显示器、指示灯、蜂鸣器、电源开关、启动按钮、停止按钮。此模块为操作人员与系统的交互界面，具有以下功能：系统上电，启动抽油机，停止抽油机，调节冲次，设置系统参数(如井号、抽油机静态参数)，查阅检测数据(如电机参数、平衡度等)，获取故障报警信息。

4.无线通信模块采用通用数传电台，达到20公里通信距离，串行接口。

5.调速单元采用变频器，可实现1-50级的自选变频速度。

图4是油井巡检程序流程图。巡检程序在定时器“定时时间到”的时刻开始执行，首先关闭定时器并打开线程，初始化，开始网络无线通讯；发送传输数据指令，等待接收…；如果网络通讯情况不好，则直接在数据库中做一个标记，然后开始下一口井的巡检；如果网络通讯状况良好，则可以顺利接收数据，存储到数据库中；接着计算波动方程计算泵位移和泵载荷，得到泵功图，存入数据库；然后计算系统效率、产液量、动液面等数据，并存入数据库；用神经网络诊断各种故障，将诊断结果添加数据库；判断是否所有井巡检完毕，如果没有，井号加一，继续进行下一口井的巡检，如果巡检结束，打开定时器，关闭线程，退出程序。

图5是通信流程图：无线电通讯是采用电台通讯，传输距离为20km。采用全向天线，可以接收各个油井发来的数据；油井现场天线为定向八木天线。电台通讯提供透明传输和非透明传输两种传输方式。在透明传输方式中，接收方数传电台送出的数据和发送方数据的长度和内容完全一致，相当于一条无形的传输线。在使用时，只要将接口速率与信道速率设置相同，即可实现任意长度的数据、文件甚至数字化图片的传输。透明模式下的数据传输本质上就是无线的串口通讯。

图6是神经源学习算法程序流程图。对于抽油机故障诊断来说，油井现场实验表明：采用三层神经网络就可满足故障诊断精度要求。示功图是由100个采样点组成，为了能够精确的诊断示功图，选取其中的70个点作为神经网络输入信息参考点。求出这70个点的平均点；将这71个点(含平均点)归一化；求出这70个归一化以后的点到归一化后的平均点的距离。这70个数据就是神经网络输入层的输入数据，即神经网络的输入层结点数目为70个。因为故障类型在程序中为字符性变量，无法直接作为神经网络的输出数据，所以，采用7个布尔型变量的数组对应抽油机正常，抽油杆断脱，泵严重露失，供液不足，结蜡，碰泵和柱塞沙阻7种故障类型进行编码。

图7是泵示功图计算及程序流程图。采用诊断分析技术，建立了抽油杆系的一维带阻尼系数波动方程：

$\mathrm{EA}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂x}^2}\mathrm{dx}=\mathrm{\ρA}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}\mathrm{dx}+\mathrm{\ρAv}\frac{\∂u}{\∂t}\mathrm{dx}$ 并用分离变量法求得其截断的傅立叶级数近似解。边界条件就应用地面示功图的载荷—时间曲线和位移—时间曲线。用该方法可以绘制井下任意界面和泵的示功图。采用该算法求得泵示功图。其算法如下：

●根据光杆示功图，计算相关傅立叶系数1σ_n，1τ_n，1υ_n，1δ_n；

●确定阻尼系数v：

$v=\frac{2\mathrm{\π\μ}}{\mathrm{\ρA}}\{\frac{1}{\ln m}+\frac{4}{B2}(B1+1)[B1+\frac{2}{\frac{\mathrm{\ωL}}{c}\·\frac{1}{\sin \frac{\mathrm{\ωL}}{c}}+\cos \frac{\mathrm{\ωL}}{c}}\left]\right\}$

●计算一级杆的各个参数，并求出一级杆末端的位移和动载荷u，F；

●对于多级杆，则将上一级末端的位移和动载荷作为下一级杆的边界条件，继续计算每级末端的位移与动载荷，直到最后一级，其位移和动载荷即为泵位移和泵载荷。

Claims (7)

1.一种抽油机网络测控节能系统，其特征在于，该系统包括：

a.由抽油机(1)、设置在抽油机(1)各个部位的传感器(2)、驱动器(3)、继电保护单元(4)、现场控制器(5)、键盘与显示器(6)、第一无线通信单元(7)构成的抽油机现场测控装置；和

b.由第二无线通信单元(8)、控制中心(9)、GSM网络通信单元(10)、手机(11)组成的远程监控与信息管理系统；

传感器(2)对抽油机(1)的压力、位移物理量现场数据动态采集后送入现场控制器(5)中，现场控制器(5)上有键盘与显示器(6)，通过驱动器(3)控制抽油机(1)的电动机调速，现场控制器(5)还通过继电保护单元(4)对供电子系统电参数的测量，进而计算判定对抽油机(1)的电动机和控制器本身过压、过流现象的保护；并通过第一无线通信单元(7)与远程监控与信息管理系统的第二无线通信单元(8)进行远传通信；第二无线通信单元(8)和控制中心(9)互连，控制中心(9)通过GSM通信单元(10)与手机(11)之间通信。

2.如权利要求1所述的抽油机网络测控节能系统，其特征在于，所述的现场测控装置的硬件包括智能控制模块，智能控制模块上分别连接有传感器模块、变频调速模块、继电保护模块、人机界面和无线通信模块，传感器模块还与继电保护模块连接，继电保护模块还分别与电源和变频调速模块连接，变频调速模块与抽油机电机连接。

3.如权利要求2所述的抽油机网络测控节能系统，其特征在于，所述的传感器模块主要包括井口载荷传感器、油压传感器、角位移传感器、电量传感器。

4.如权利要求2所述的抽油机网络测控节能系统，其特征在于，所述的智能控制模块由数据采集单元、调速控制单元、参数设定输入单元和现场数据显示单元组成。

5.如权利要求2所述的抽油机网络测控节能系统，其特征在于，所述的人机界面模块包括4×4键盘、128×64图形点阵LCD显示器、指示灯、蜂鸣器、电源开关、启动按钮、停止按钮，用于系统上电，启动抽油机，停止抽油机，调节冲次，设置系统参数，查阅检测数据，获取故障报警信息。

6.如权利要求2所述的抽油机网络测控节能系统，其特征在于，所述的无线通信模块采用通用数传电台，具有串行接口，其通信距离为20公里。

7.如权利要求2所述的抽油机网络测控节能系统，其特征在于，所述的调速单元采用变频器，具有1-50级的自选变频速度。

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