CN203660953U - 潜油地面控制装置 - Google Patents

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朱海军
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Abstract

一种潜油地面控制装置，包括：壳体组件，在所述壳体组件内设有散热组件、显示面板和主控板，所述主控板包括：主控单元、存储单元、输入输出单元和启停单元；所述壳体组件内还设将三相380V交流电转换为两相540V直流电的功率板；所述主控板还包括：与潜油系统的井下系统通信的数据通信单元，该数据通信单元包括CAN通信单元。本实用新型提供的潜油地面控制装置，可提高与井下系统的通信及控制效率，并且通过向井下系统的直流高电压输出，提高井下系统抽油效率及延长使用寿命。

Description

潜油地面控制装置
技术领域
本实用新型属于石油开采设备控制领域，涉及一种潜油地面控制装置。
背景技术
目前我国和世界其他产油国家，油田上都广泛使用潜油电机来驱动潜油电泵来汲取原油，传统的潜油电泵系统，其地面上主要使用潜油地面控制装置，现有的潜油地面控制装置存在如下三个问题：
一、现有的潜油地面控制装置是将地面电网输入的380V三相交流电直接通过电缆输出到井下，而下井距离一般为1000米～2000多米，因此一方面增加了电缆成本，另一方面当380V三相交流电直接输出到井下1000米至2000多米以下时，其中间损耗大大增加，稳定性也较差，导致井下的电机和抽油泵效率低，使用寿命短。
二、现有的潜油地面控制装置不具有与井下远距离数据通信模块，不支持井下2000多米远距离数据通信，无法将井下的温度、压力、电流、电压等各种参量上传到地面。因此，不可实现实时监控井下的状态，只能对地面状态进行检测盒监控。
三、现有的潜油地面控制装置的显示模块通常是传统的简易显示面板，可显示的参数数量有限，操作起来不方便。
综上所述，现有的潜油地面控制装置实际上是传统的工业用变频器或者工业用伺服控制器，而并非针对潜油系统的应用场合专门设计开发的地面控制装置。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种潜油地面控制装置，可提高与井下系统的通信及控制效率，并且通过向井下系统的直流高电压输出，提高井下系统抽油效率及延长使用寿命。
本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
一种潜油地面控制装置，包括：壳体组件，在所述壳体组件内设有散热组件、显示面板和主控板，所述主控板包括：主控单元、存储单元、输入输出单元和启停单元；
主控单元对多种井上信号以及井下系统采集的多种井下信号进行数字量转换并对数字量进行数据处理，计算得出检测值，并将该检测值通过所述显示面板显示；
存储单元存储所述主控单元的数据信息；
输入输出单元对外部信号进行隔离输入和隔离输出；
启停单元对井下系统发送启停信号；
所述壳体组件内还设将三相380V交流电转换为两相540V直流电的功率板；
所述主控板还包括：与潜油系统的井下系统通信的数据通信单元，该数据通信单元包括CAN通信单元。
进一步，所述数据通信单元还包括：异步通信单元和串行数据通信单元；
异步通信单元对异步信号进行光耦处理；
串行数据通信单元对所述异步通信单元处理后的信号进行分差变换，所述串行数据通信单元包括：RS485通信或RS232通信。
优选地，所述存储单元为EEPROM单元。
所述功率板通过井上传感器采集多种井上信号，将所述多种井上信号传递给主控单元。
所述功率板将两相540V直流电输入到潜油系统的井下系统。
进一步，所述功率板包括：检测电路、继电器单元、继电器控制单元、整流桥、风扇和电源开关；
检测电路包括：母线电压检测单元、母线电流检测单元、温度检测单元和三相电检测单元；
继电器单元包括：控制风扇继电器、控制母线输出软启动继电器、控制交流上电软启动继电器、控制直流接触器继电器；
功率继电器控制模块包括：包括控制所述控制交流上电软启动继电器开合的第一继电器控制单元和控制所述控制母线输出软启动继电器开合的第二继电器控制单元；
和控制所述控制母线输出软启动继电器开合的控制单元；
整流桥将三相380V交流电转换为两相540V直流电；
电源开关为所述母线电压检测单元和继电器单元、主控板以及显示面板提供电源。
更好地，所述电源开关为主控板中的主控单元供电。
所述显示面板与所述主控板中的主控单元连接，并根据所述主控单元计算出的检测值，进行指令设定和优化参数。
所述多种井上信号和多种井下信号包括：电压信号、电流信号、功率信号、温度信号、压力信号及三相电信号。
本实用新型提供的潜油地面控制装置，可提高与井下系统的通信及控制效率，并且通过向井下系统的直流高电压输出，提高井下系统抽油效率及延长使用寿命。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细地说明。
附图说明
图1为本实用新型潜油地面控制装置结构爆炸图；
图2为本实用新型潜油地面控制装置立体结构图；
图3为图2中潜油地面控制装置操作界面结构示意图；
图4为图2中潜油地面控制装置外部接口区结构示意图；
图5为图1中功率板原理示意图；
图6为图1中主控板原理示意图；
图7为图1中显示面板原理示意图；
图8为本实用新型潜油地面控制装置原理示意图；
图9为本实用新型潜油地面控制装置功能控制步骤流程图；
图10为图9中模式执行控制架构图。
具体实施方式
图1为本实用新型潜油地面控制装置结构爆炸图，如图1所示，本实用新型提供的潜油地面控制装置，包括：壳体组件，在所述壳体组件内设有散热组件、功率板15、主控板支架16、主控板17、旋钮支架18、启停控制旋钮19和显示面板110；所述壳体组件包括：底壳11、上壳14、防护罩111、小盖板112和面板上盖113；所述散热组件包括：风扇12和散热片13。
安装步骤：
S1：取上壳14和功率板15，将功率板15固定安装在上壳14上；
S2：取散热片13，将散热片13固定安装在上壳14背面；
S3：取底壳11和风扇12，将风扇12固定安装在底壳11内；
S4：将组装好的壳体14、功率板15和风扇12固定安装在底壳11上；
S5：正放底壳11，在功率板15上分别安装主控板支架16和旋钮支架18；
S6：分别在主控板支:16和旋钮支架18上安装主控板17和启停控制旋钮19；
S7：再在面板上盖113上面安装显示面板110；
S8：取防护罩111装上，最后依次安装上小盖板112和面板上盖113。
图2为本实用新型潜油地面控制装置立体结构图，如图2所示，潜油地面控制装置功能区域主要包括：操作界面、外部接口区24和散热区25；所述操作界面包括：显示区21、按键区22和启停控制区23。
潜油地面控制装置实时监控潜油系统井下和地面的各种状态和各项数据，可灵活方便设置系统运行需要的参数和指令，直接控制井下系统的启动和停止，将输入的三相交流电压转化为直流母线电压输出，与井下系统实时进行信息交互，通过散热片和风扇将潜油地面控制装置内部产生的热量及时散出。
图3为图2中潜油地面控制装置显示区结构示意图，如图3所示，显示区21包括一个图1中的显示面板110，所述显示面板110由8个数码显示模块组成，可分别显示电流、电压、转速、功率、压力、温度、模式、状态等参量。按键区22包括：模式设置键、向上设置键、向下设置键、数据保存键组成，通过模式设置键可以设置地面参数模式、井下参数模式、在线监控模式、初始化模式等，向上设置键可以设置参数号或参数值的增加，向下设置键可以设置参数号或参数值的减小，数据保存键可以进入查询具体参数值，并保存设置修改后的参数。启停控制区23主要是图1中启停控制旋钮19来控制井下系统运行的启动和停止。
图4为图2中潜油地面控制装置外部接口区结构示意图，如图4所示，潜油地面控制装置外部接口区24包括：CAN通信接口41、异步（UARTA）/RS485/RS232通信接口42、预留功能接口43、伺服开关接口44、三相线输入接口45、母线输出接口46。其中，CAN通信接口41是通过CAN总线与井下系统连接，实现地面控制器与井下系统之间的远距离通信(2000多米)，UARTA/RS485/RS232通信接口42是用于与上位机或PC机进行数据传输和指令接收，预留功能接口43是为后续的功能扩展提前做了准备方案，伺服开关接口44是连接图1中的启停控制旋钮19给主控板17提供启停控制信号，三相线输入接口45是联接U、V、W三相交流电源线，母线输出接口46是通过电缆与井下系统联接。
图5为图1中功率板原理示意图，如图5所示，所述功率板15包括：检测电路、继电器单元、继电器控制单元、整流桥51、风扇52和电源开关53；检测电路包括：母线电压检测单元54、母线电流检测单元55、温度检测单元56和三相电检测单元57；所述温度检测单元56是将所述温度传感器输出模拟电压信号送入主控板，进行A/D转换为数字量，从而再根据计算得出相应温度值；所述母线电流检测单元55是母线电流传感器直接输出模拟电压信号，送入主控板中主控单元（如MCU）的A/D采样口，经过A/D转换为数字量，进行母线电流值判断；所述母线电压检测单元54是通过判断分压电阻端电压，通过线性光耦隔离后，送入主控单元的A/D采样口，经过A/D转换为数字量，从而达到检测母线电压的目的；三相电检测单元57是通过两路光耦将交流电两两相间电压变化转化为脉冲信号，送入图6中的主控单元61，判断脉冲信号两连续上升沿间时间，当一路检测超过一定时间时，判断为交流电一相缺相，当两路检测同时超过一定时间时，判断为交流电断电。
另外，上述采集信号为井上信号。
继电器单元包括：控制风扇继电器K1、控制母线输出软启动继电器K4、控制交流上电软启动继电器K5和控制直流接触器继电器K3；请参考图6，控制风扇继电器K1，主控板17中的主控单元61通过控制K1开合，从而控制风扇电源的开关，达到对风扇启停的控制；控制直流接触器继电器K3，主控板17通过K3控制变压器后级220V通断，实现直流接触器控制；继电器控制单元包括：包括控制所述控制交流电上电软启动继电器开合的第一继电器控制单元58和控制所述控制母线输出软启动继电器开合的第二继电器控制单元59；交流电上电软启动是主控板通过控制K5，第一继电器控制单元58中的功率继电器开合，当交流电上后电母线电容充电完成，第一继电器控制单元58将单元中软启动电阻短路，实现交流电上电软启动，第一继电器控制单元58中为两个继电器并联。
母线输出软启动是主控板通过控制K4，第二继电器控制单元59中的功率继电器开合，当交流电上后电母线电容充电完成，第二继电器控制单元59将单元中软启动电阻短路，实现交流电上电软启动，第二继电器控制单元59中为两个继电器并联。
整流桥51将三相380V交流电转换为两相540V直流电；也就是说，通过整流桥51将三相工频电源整流为直流，经直流母线电容平滑电压，再经均压电阻，输出母线电压。
电源开关53为所述母线电压检测单元54和继电器单元、主控板17以及显示面板110提供电源；开关电源为反激式开关电源，副边1绕组输出1路9V经线性稳压器（LDO）510变为5V，用于母线电压检测单元54电路中隔离单元的前端供电；副边2绕组输出24V和5V，24V用于功率板15的第一继电器控制单元58和第二继电器控制单元59供电及主控板17的直流转直流电源（DC/DC）供电，5V预留，所述DC/DC将24V转化为5V，用于光耦后供电；副边3绕组输出24V和5V，24V为预留电源，5V用于功率板15上的继电器单元供电和主控板17上的主控单元61供电。
图6为图1中主控板原理示意图，如图6所示，所述主控板17包括：主控单元61（如MCU）、存储单元62、输入输出单元63、启停单元64和数据通信单元；主控单元61（如MCU）对多种井上信号（温度检测信号、母线电流检测信号、母线电压检测信号等）以及井下系统采集的多种井下信号（温度检测信号、压力检测信号、母线电流检测信号、母线电压检测信号等）进行数据处理，计算得出检测值，并将该检测值通过所述显示面板110显示；存储单元62存储主控单元61中的重要数据信息，存储单元62与主控单元61之间采用模拟SPI通信或IIC通信，所述存储单元62为EEPROM单元；输入输出单元63对外部信号进行隔离输入和隔离输出；也就是说，输入输出单元63是指输入端子和输出端子通过光耦隔离，用于外部信号的隔离输入和输出。例如，第一继电器和第二继电器的输出分别为单开关型和单刀双掷型。
启停单元对井下系统发送启停信号，通过光耦与控制电源隔离，将开关动作信号隔离后送入主控单元61的端口，判断开关状态，实现井下系统启停控制；数据通信单元包括：CAN通信单元65、异步通信单元66（UARTA）和串行数据通信单元67；CAN通信单元65是通过主控单元61与CAN通信单元65之间SPI通信后，将数据转化为CAN信号经光耦隔离后，差分处理，与CAN总线连接，CAN总线与井下系统连接通信；异步通信单元66对异步信号进行光耦处理，也就是说，UARTA通信是通过反相器，将输出异步信号分为+和-两路，再分别经光耦隔离，光耦后信号经MOS管放大电路（24V）输出；输入信号+和-直接连接光耦输入端，光耦输出端为处理后信号，该处理后的信号从图4中的UARTA/RS485/RS232通信接口42输出；串行数据通信单元67对所述异步通信单元处理后的信号进行分差变换，所述串行数据通信单元为：RS485通信或RS232通信：RS485通信是将主控单元61的UARTA66端口经光耦隔离后，再经差分变换，模拟RS485通信从图4中的UARTA/RS485/RS232通信接口42输出。同时需要信号使能，差分单元输入/输出功能。
RS232通信，RS232通信是将主控单元61的UARTA66端口经光耦隔离后，再转化为RS232信号从图4中的UARTA/RS485/RS232通信接口42输出。
图7为本实用新型显示面板原理示意图，如图7并参考图6所示，所述显示面板与所述主控板中的主控单元61连接，并根据主控单元61计算出的检测值，进行指令设定和优化参数。
具体地说，显示面板110主要是分为8组5位的数码管（LED）组71显示和4路按键组72输入。其中，8组5位LED组71共由40个8段数码显示管组成。显示面板是系统的人机交换窗口，实现整个潜油系统的信息显示显示及操作功能。
显示面板110是通过6个主控单元端口控制两级译码器，经反相器后，用40个锁存器实现40位数码管片选使能，锁存显示状态。同时通过8个主控单元端口，实现数码管段选，来完成显示面板的显示功能。按键组72为4个主控单元端口电平判断，当按键按下，主控单元端口被拉低。
图8为本实用新型潜油地面控制装置原理示意图，如图8所示，潜油地面控制装置从功能原理上说，主要包括：显示面板81、主控板82、功率板83、及外围器件组成。其中，显示面板81、主控板82和功率板83构成地面控制器，功率板83给主控板82和显示面板81提供电源并且所述功率板83将两相540V直流电输入到潜油系统的井下系统。主控板82又控制功率板83的驱动和显示面板81的显示，其中主控板82与井下系统通过CAN总线A连接。所述外围器件包括变压器84、空气开关85和直流接触器86等。
图9为本实用新型潜油地面控制装置功能控制步骤流程图，如图9所示，包括如下步骤：和安装部分的步骤标号重复了
S100：采样检测：主要实现潜油系统中井上和井下的电压、电流、功率、温度、压力、三相电等参量的精确采样和实时检测，为监视整个潜油系统的运行状态提供基础；
S200：报警处理：实现对各种异常现象的及时反馈和安全保护处理，从而保证整个系统的可靠性；
S300：按键驱动；
S400：按键执行：S300的按键驱动和本步骤的按键执行共同实现用户对地面控制器的各项操作和设置功能；
S500：模式执行：实现状态监视、参数查询、参数设置等模式的设置和切换；
S600：显示编码；
S700：显示扫描：S600的显示编码和本步骤的显示扫描共同实现所有参量及状态的正确显示；
S800：通讯控制；
S900：通讯驱动：S800的通讯控制和本步骤的通讯驱动共同实现地面控制器和井下系统之间的远距离通讯(2000多米)，将地面控制器发送的协议或指令传输给井下系统的同时，把井下系统的各信息传上到地面控制器。
图10为图9中模式执行控制架构图，如图10所示，在模式执行步骤中，模式执行模块分为操作设置模块和直接显示模块。其中，直接显示模块将实时检测出的参量以数据形式直接显示，不需要对其进行操作或设置。操作设置模块又分为状态控制、参数号操作和参数值设置3个部分。其中，所述状态控制部分包括报警显示和启停操作，参数号操作部分包括井下参数、功能参数、检测参数、地面参数等4个内容，参数值设置部分包括初始化和参数值内容。

Claims (9)

1.一种潜油地面控制装置，包括：壳体组件，在所述壳体组件内设有散热组件、显示面板和主控板，所述主控板包括：主控单元、存储单元、输入输出单元和启停单元； 
主控单元对多种井上信号以及井下系统采集的多种井下信号进行数字量转换并对数字量进行数据处理，计算得出检测值，并将该检测值通过所述显示面板显示； 
存储单元存储所述主控单元的数据信息，所述主控单元与存储单元之间采用模拟SPI通信或IIC通信； 
输入输出单元是指输入端子和输出端子通过光耦隔离，对外部信号进行隔离输入和隔离输出； 
启停单元对井下系统发送启停信号，通过光耦与控制电源隔离，将开关动作信号隔离后送入主控单元的端口，判断开关状态，实现井下系统启停控制； 
其特征在于，所述壳体组件内还设将三相380V交流电转换为两相540V直流电的功率板； 
所述主控板还包括：与潜油系统的井下系统通信的数据通信单元，该数据通信单元包括CAN通信单元，所述CAN通信单元是通过主控单元与CAN通信单元之间SPI通信后，将数据转化为CAN信号经光耦隔离后，差分处理，与CAN总线连接，CAN总线与井下系统连接通信。 
2.如权利要求1所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述数据通信单元还包括：异步通信单元和串行数据通信单元； 
异步通信单元对异步信号进行光耦处理； 
串行数据通信单元对所述异步通信单元处理后的信号进行分差变换，所述串行数据通信单元包括：RS485通信或RS232通信。 
3.如权利要求2所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述存储单元为EEPROM单元。 
4.如权利要求1所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述功率板通过井上传感器采集多种井上信号，将所述多种井上信号传递给主控单元。 
5.如权利要求1所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述功率板将两相540V直流电输入到潜油系统的井下系统。 
6.如权利要求5所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述功率板包括：检测电路、继电器单元、继电器控制单元、整流桥、风扇和电源开关； 
检测电路包括：母线电压检测单元、母线电流检测单元、温度检测单元和三相电检测单元； 
继电器单元包括：控制风扇继电器、控制母线输出软启动继电器、控制交流上电软启动继电器、控制直流接触器继电器； 
功率继电器控制模块包括：包括控制所述控制交流上电软启动继电器开合的第一继电器控制单元和控制所述控制母线输出软启动继电器开合的第二继电器控制单元； 
和控制所述控制母线输出软启动继电器开合的控制单元； 
整流桥将三相380V交流电转换为两相540V直流电； 
电源开关为所述母线电压检测单元和继电器单元、主控板以及显示面板提供电源。 
7.如权利要求6所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述电源开关为主控板中的主控单元供电。 
8.如权利要求1所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述显示面板与所述主控板中的主控单元连接，并根据所述主控单元计算出的检测值，进行指令设定和优化参数。 
9.如权利要求1-8任一项所述的潜油地面控制装置，其特征在于，所述多种井上信号和多种井下信号包括：电压信号、电流信号、功率信号、温度信号、压力信号及三相电信号。 
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