SU1649569A1 - Устройство дл контрол и управлени глубинно-насосной установкой нефт ных скважин - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматике. Целью изобретени   вл етс  повышение точности устройства. Устройство содержит датчик усилий штока насоса 1, фиксатор 2 нулевого уровн  сигнала, формирователь 3 напр жени , датчик 4 хода насоса, сигнализаторы максимального 5 и минимального 6 сигналов датчика хода насоса, блок 7 управлени , схемы сравнени  20, 17, блок делени  10, блок 11 пам ти измерений, счетчики 12,13,19, триггер 14, реле 15, распределитель импульсов 18. Точность устройства повышаетс  за счет нахождени  фазового сдвига р между сигналами датчиков усилий 1 штока насоса и хода насоса и учета величины р при измерении длительности г. Распределитель 18 импульсов организует работу счетчика 19 таким образом, что в нем измер етс  одна из возможных величин фазового сдвига ff, 0; + 1р, - р. Измеренный фазовый сдвиг р запоминаетс  в блоке 11 пам ти. При определении незаполнени  с помощью реверсивного счетчика 19 и схемы 20 сравнени  задаетс  точный момент времени , от которого производитс  измерение длительности т до уровн  Уфикс- По отношению r/to суд т о незаполнении насоса. 1 з.п.ф-лы, 10 ил. ё

Description

Изобретение относитс  к нефтедобыче и предназначено дл  автоматического управлени  работой нефт ных скважин, эксплуатирующихс  в режиме периодической откачки жидкости.

Цель изобретени  - повышение точности устройства.

На фиг. 1 приведены эпюры сигналов, характеризующих работу устройства; на фиг. 2 - схема устройства: на фиг. 3 - схема распределени  импульсов; на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства при отсутствии фазового сдвига; на фиг. 5 - диаграммы при положительном фазовом сдвиге; на фиг. 6 - диаграммы при отрицательном фазовом сдвиге; на фиг. 7 - диаграммы при фазовом сдвиге, равном полупё- риоду качени ; на фиг. 8 - алгоритм работы блока управлени ; на фиг. 9 и 10 - функциональна  схема блока управлени , построенна  на базе микропрограммного автомата Мили (согласно фиг.8).

Устройство содержит датчик 1 усилий штока насоса, фиксатор 2 нулевого уровн  сигнала, формирователь 3 напр жени , датчик 4 хода насоса, сигнализатор 5 максимального сигнала датчика хода, сигнализатор 6 максимального сигнала датчика хода насоса, блок 7 управлени , пороговый блок 8, генератор 9 импульсов, блок

О 4 О СЛ О О

10 делени , блок 11 пам ти измерений, счетчик 12 длительности импульса (датчика усилий), счетчик 13 циклов незаполнени  насоса, триггер 14 и реле 15 управлени  двигателем станка-качалки, вход щие в блок 16 управлени  двигателем станка-качалки , первую схему 17 сравнени , распределитель 18 импульсов, реверсивный счетчик 19, вторую схему 20 сравнени .

Распределитель 18 импульсов (фиг.З) содержит формирователь 21 коротких импульсов , первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 D-триггеры, первый 26, второй 27, третий 28, четвертый 29 и п тый 30 элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, элемент ИЛИ 32 и шину 33 логическа 

или

На фиг. 4-7 прин ты следующие обозначени :

а - сигнал датчика усилий;

б - импульсы на выходе формировател  коротких импульсов;

в - сигнал датчика хода;

г - импульсы на выходе сигнализатора 6;

д - импульсы на выходе сигнализатора 5;

е - сигнал на пр мом выходе первого О-триггера;

ж.з -сигналы на выходах первого и второго элементов И соответственно;

и.к - сигналы на пр мых выходах третьего и четвертого триггеров соответственно;

л - сигнал на выходе схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;

м - сигнал на седьмом входе блока 7 управлени ;

н - сигнал на шестом выходе блока 7 управлени ;

о,п - сигналы на втором и третьем входах реверсивного счетчика соответственно;

р - содержимое реверсивного счетчика.

Устройство работает следующим образом .

Установленные на станке-качалке (не показан) датчики 1 и 4 (усилий и хода) преобразуют информацию об изменении нагрузки на полированном штоке и перемещении балансира в электрические сигналы соответственно (фиг. 4-7, айв соответственно ), Устройство работает в двух режимах: первый режим нахождени  фазового сдвига и второй режим определени  незаполнени  насоса. При первоначальном включении устройство находитс  в первом режиме нахождени  фазового сдвига между сигналами датчиков 1 и 4. В данном режиме на третьем выходе распределител  18 устанавливаетс  потенциал низкого уровн , который, поступа  в блок 7, запрещает второй режим определени  незаполнени  насоса . Операции по вы влению фазового сдвига начинаютс  по импульсу, вырабатываемому сигнализатором 5 при прохождении сигналом датчика 4 своего максимального значени  (фиг. 4-7,в; точка А).

Фазовый сдвиг определ етс  как разность между моментами начал возрастани 

сигнала датчика 1 (фиг. 4-7,6) и достижени  сигналом датчика 4 минимального значени  (фиг.4-7,г). Величина фазового сдвига формируетс  в счетчике 19, который при поступлении импульсов на его второй вход

функционирует как суммирующий счетчик, а при поступлении импульсов на его третий вход функционирует как вычитающий счетчик . В целом возможны три случа :

фазовый сдвиг (р между сигналами датчиков 1 и 4 отсутствует, то есть р О (фиг. 4,б,г);

сигнал датчика 1 опережает сигнал датчика 4, то есть р положителен (фиг. 5, б,г); сигнал датчика 1 отстает от сигнала датчика 4, то есть (f отрицателен (фиг.6,б-г).

В первом случае, то есть р 0, распределитель 18 запрещает прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 9 как на второй, так и на третий входы счетчика 19.

Содержимое счетчика 19 равно 0.

Во втором случае, то есть р положителен , момент начала возрастани  сигнала датчика 1 (фиг,5,а; точка Б) опережает момент прохождени  сигналом датчика 4 минимального значени  (фиг.5,в; точка В). Пр моугольный сигнал, сформированный из сигнала датчика с помощью фиксатора 2 и формировател  3, поступает на четвертый вход распределител  18, который разрешает прохождение тактовых импульсов генератора 9 на второй вход счетчика 19 (фиг,5,о). При прохождении сигналом датчика 4 минимального значени  (фиг.5,в; точка В) сигнализатор 6 вырабатывает импульс

(фиг.5,г), который поступает на второй вход распределител  18. Последний запрещает счет тактовых импульсов. Зафиксированна  к этому моменту величина в счетчике 19 пропорциональна фазовому сдвигу + р

(фиг.5,л,р), В третьем случае, то есть р отрицателен , момент начала возрастани  сигнала датчика 1 (фиг.б.а; точка Б) отстает от момента прохождени  сигналом датчика 4 минимального значени  (фиг.б.в; точка В).

Тогда первым по вл етс  импульс сигнализатора 6 (счита  вправо от точки А фиг.6,в). По нему распределитель 18 разрешает прохождение тактовых импульсов на второй вход счетчика 19. При по влении импульса

на выходе формировател  3, соответствующего моменту начала возрастани  сигнала датчика 1, распределитель 18 запрещает счет. Зафиксированна  к этому времени величина в счетчике 19 пропорциональна отрицательному фазовому сдвигу р- (фиг.6,л,р). Таким образом, измер етс  одна из трех возможных величин сдвига ут: 0, , - р, котора  далее по сигналу со второго выхода блока 7 запоминаетс  в блоке 11. В первом же режиме с момента по влени  минимума запускаетс  счетчик 12 и производитс  измерение длительности полупериода to качзни  станка-качалки. При достижении сигналом датчиком 4 второго максимума (фиг.4-7,в; точка Г) заканчиваетс  измерение длительности to полупериода качани . Полученное значение полупериода запоминаетс  в блоке 11. Счетчики 12 и 19 обнул ютс , а распределитель 18 формирует на своем третьем выходе сигнал высокого уровн , который поступает в блок 7. На этом первый режим завершаетс  и инициируетс  второй режим определени  незаполнени  насоса. В этом режиме в каждом цикле определени  незаполнени  нэсоса (число циклов проверок на незаполнение равное 8) по сигналу с седьмого выхода блока 7 в реверсивный счетчик 19 предварительно из блока 11 пересылаетс  ранее найденна  величина фазового сдвига между сигналами датчиков 1 и 4 После этого по импульсу с сигнализатора 6 (фиг.4-7,в; точка Д, О блока 7 вырабатывает разрешающий сигнал (фиг 4-6,и), который воздействует на распределитель 18 таким образом, что тактовые импульсы поступают на второй вход счетчика 19. Счетчик 19 начинает считать от предварительно установленной в нем величины фазового сдвига f до момента, когда его содержимое сравниваетс  с величиной полупериода to качани  (фиг.4-7,р). Операци  сравнени  производитс  схемой 20. При выполнении условий содержимое счетчика 19 оавно полупериоду t0 схема 20 вырабатывает импульс (фиг 4- 7. с) Указанный импульс соответствует точке на сигнале датчика 1, от которой необходимо производить измерение длительности г(фиг.4-7.а; точка Е), например, если фазовый сдвиг отрицателен и равен - 5, а полупериод качани  t0 20. В режиме определени  незаполнени  в счетчик 19 предварительно занесена из блока 11 величина f -5. В счетчик 19 поступит ровно 25 тактовых импульсов , после которых его содержимое станет (-5+25) 20, т.е. полупериоду to. Таким образом, импульс равенства сформируетс  на п ть тактов позже. Измерение длительности т происходит с момента выработки схемой 20 импульса до уровн  фиксации ификс. После измерени  длительности г величины to и т подаютс  в блок 10, где производитс  операци  делени  г на to. Если r/to 0,0476, то это означает, что насос работает с полным заполнением и уровень жидкости в эатрубном пространстве еще не снизилс  до приема нэсоса. Если же

r/to S 0,0476, то блбк 8 вырабатывает сигнал , означающий, что возможно уровень жидкости в затрубном пространстве снизитс  до приема насоса, Блок 7 запускает счетчик 13, содержимое которого будет увеличено на 1. Дл  достоверного определени  незаполнени  насоса необходимо, чтобы с момента по влени  первого сигнала о снижении уровн  жидкости указанный сигнал по вилс  подр д в восьми циклах

проверки. В этом случае содержимое счетчика 13 будет измен тьс  в последовательности , указанной в таблице.

То есть на втором выходе (четвертый разр д) счетчика 13 по витс  логическа 

1, котора  поступает в блок 16. С помощью триггера 14 и реле 15 блока 16 двигатель отключаетс  и устройство переходит к выдержке времени накоплени . Если же, хот  бы один раз в одном из циклов проверки с

момента по влени  первого сигнала о снижении уровн  жидкости будет получено, что отношение r/t0 0,0476 то можно заранее судить о том, что содержимое счетчика 13 будет меньше восьми, поэтому предыдущие

полученные признаки незаполнени  считаютс  ложными. В таком случае устройство не ожидает окончани  восьмого цикла проверки , а из текущего цикла проверки переходит в первый режим нахождени 

фазового сдвига. При этом счетчик 13 обнул етс  Использование этого факта позвол ет добитьс  некоторого упрощени  устройства. Выдержка времени накоплени  жидкости осуществл етс  разр дным двоичным счетчиком, который образуетс  последовательным обьединением счетчиков 19, 12 и 13. На вход объединенного счетчика с выхода формировател  3 через блок 7 поступают тактовые импульсы. После подсчета объединенным двоичным счетчиком числа импульсов, пропорциональных заданному времени накоплени  жидкости, на выходе схемы 17 вырабатываетс  импульс, поступающий на первый вход блока 16. С

помощью триггера 14 и реле 15 блока 16 происходит запуск двигател  станка-качалки . Устройство возвращаетс  в первый режим нахождени  фазового сдвига и цикл работы повтор етс .

Распределитель 18 импульсов (фиг.З) работает следующим образом.

В исходном состо нии D-триггеры 2225наход тс  в нулевом состо нии, при котором на их пр мых выходах присутствует логический О (фиг. 4-7,е,и,к,о). а на инверсных - логическа  1. При поступлении первого максимума сигнала датчика А на тактовый вход первого D-триггера 22 этот триггер переходит в единичное состо ние. Логическа  1 с его пр мого выхода  вл етс  разрешающей дл  прохождени  сигналов через элементы И 26 и 27. Возможны три различных случа  фазового сдвига. Рассмотрим работу узлов распределител  18 в каждом конкретном случае. В первом случае , когда фазовый сдвиг отсутствует, то есть импульс с выхода формировател 

21 и импульс минимума сигнала датчика 4 по вл ютс  одновременно (фиг.4,б,г). Ука- занные импульсы, пройд  через элементы И

26и 27 (фиг.4ж,з), переключают триггеры 24 и 25 в единичное состо ние (фиг.4и,к). Так как на обоих входах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 (сумма по модулю 2} действуют логические 1 с пр мых входов D-тригге- ров 24 и 25, то элемент 31 не изменит своего состо ни :

исходное состо ние: О

после:1 Ы 0

Таким образом, на вторых входах элементов И 29 и 30 действует запрещающий уровень логического О и, независимо от состо ни  других входов, на выходах этих схем остаютс  логические О. Тактовые импульсы от генератора 9 не поступают как на второй, так и на третий входы счетчика 19, в котором остаютс  нули, то есть фазовый сдвиг .

Во втором случае, когда фазовый сдвиг положителен, то есть + р импульсы с выхода формировател  21 опережает импульс минимума сигнала датчика 4 (фиг. 56,г). Тогда О-триггер 24 переключитс  в единичное состо ние первым (фиг.5,и). На входы элемен- та ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 действуют логическа  Г с пр мого выхода D-триггера 24 и логический О с пр мого выхода D- триггера 25. Состо ние элемента 31 будет единичным, так как .

Тем самым на двух входах элемента И 30 устанавливаютс  разрешающие уровни логической Тс выхода элемента 31 и с пр мого выхода D-триггера 24. Теперь тактовые импульсы проход т через элемент И 30 и элемент ИЛИ 32 на второй вход счетчика 19, в котором определ етс  фазовый сдвиг р со знаком плюс. При по влении импульса минимума сигнала датчика 4 Dтриггер 25 устанавливаетс  в единичное состо ние , после чего на обоих входах элемента 31 установ тс  логические 1

было:КЙ) 1

стало 1+4 О

Таким образом, логический О с выхода элемента 31 запретит прохождение тактовых импульсов. В счетчике 19 зафиксируетс  величина, пропорциональна  фазовому сдвигу + р. В третьем же случае, когда фазовый сдвиг отрицательный, то есть , импульс с выхода формировател  21 отстает от импульса минимума сигнала датчика 4 (фиг.бб.г). Первым в единичное состо ние переключитс  D-триггер 25 и тогда на входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 действуют логический О с пр мого выхода D- триггера 24 и логическа  1 с пр мого выхода триггера 25. Состо ние элемента 31 станет единичным, так как . Тем самым разрешающие уровни логической 1 установ тс  на двух входах элемента И 29. а тактовые импульсы будут поступать на третий вход счетчика 19, в котором будет определ тьс  фазовый сдвиг со знаком минус . При по влении импульса с выхода формировател  21 в единичное состо ние перейдет и третий D-триггер 24 (фиг.б.и). Тогда на обоих входах элемента 31 установ тс  логические 1, а на выходе - О

было:0+1 1

стало:1 +

Прохождение тактовых импульсов через элемент И 29 прекращаетс , а в счетчике 19 зафиксируетс  величина, пропорциональна  фазовому сдвигу-у. После нахождени  фазового сдвига распределитель 18 ожидает по влени  второго импульса максимума сигнала датчика 4 (фиг. 6-6, в; тока Г). Этим импульсом D-триггер 22 возвращаетс  в нулевое состо ние, так как на его D-входе ранее был логический О с его инверсного выхода. В момент смены состо ний D-триггера 22 логический О на его инверсном выходе переходит в логическую Г. Этот импульс воздействует на тактовый вход D- триггера 23, на D-входе которого присутствует логическа  шины 33. Второй D-триггер 23 переключаетс  в единичное состо ние , и логическа  1 со своего пр мого выхода сбрасывает в нуль D-триггеры 24 и 25. Указанные триггеры, а также D-триггер 22, блокируютс  до очередного режима нахождени  фазового сдвига. Одновременно указанна  логическа  1 поступает в блок 7 и инициирует переход во второй режим определени  незаполнени  насоса.

Во втором режиме по сигналу разрешени  от блока 7 (фиг.4-6,н) тактовые импульсы проход т через элемент И 28 и элемент ИЛИ 32 на второй, вход счетчика 19. В этом режиме состо ни  триггеров не мен ютс . По завершении определени  незаполнени  насоса распределитель 18 возвращаетс  в исходное состо ние, а триггеры распределител  18 разблокируютс .

Устройство сохран ет работоспособность , когда фазовый сдвиг равен 180°, то есть полупериоду качани  (фиг.7). Фазовый сдвиг здесь находитс  аналогично, как в случае с положительным фазовым сдвигом В режиме же определени  незаполнени  условие содержимое счетчика 19 равно длительности to полупериода выполн етс  с момента загрузки счетчика 19 из блока 11 И поэтому как только блок 7 выдаст разрешающий импульс (фиг.7,н), схема 20 сформирует импульс, который совпадает во времени с точкой на сигнале датчика 1, от которой ведетс  измерение длительности т{фиг.7,а; точка Е)

Алгоритм работы блока 7 приведен на фиг. 8. Блок 7 (фиг 9,10) вырабатывает последовательность управл ющих сигналов дл  узлов устройства Он реализован на базе микропрограммного автомата М или согласно блок-схеме алгоритма на Фиг 8.

Claims (2)

1. Устройство дл  контрол  и управлени  глубинно-насосной установкой нефт ных скважин, содержащее датчик усилий штока насоса, датчик хода насоса, фиксатор нулевого уровн  сигнала, формирователь напр жени , генератор импульсов, сигнализаторы минимального и максимального сигналов датчика хода насоса, блок управлени , счетчик длительности импульса, счетчик циклов незаполнени  насоса, блок пам ти измерений, блок делени , пороге вый блок, первую и вторую схемы сравнени , триггер и реле управлени  двигателем станка-качалки, выход генератора импульсов соединен с тактовым входом блока управлени , соответствующими выходами подключенного к входам сброса счетчика длительности импульса, сброса счетчика циклов незаполнени  насоса, управлени  операций блока делени  и управлени  записью блока пам ти измерений, выход датчика хода насоса через сигнализаторы максимального и минимального сигналов датчика хода насоса подключен к входам сигнализации максимального и минимального хода насоса блока управлени  соответственно , выход датчика усили  штока насоса через последовательно соединенные фиксатор нулевого уровн  сигнала и второй формирователь напр жени  подключен к входу сигнализации нулевого усили  на штоке насоса блока управлени , перва , втора , треть  группы выходов счетчика длительности импульса подключены к первым группам входов данных первой схемы

сравнени , блока пам ти измерений и группе входов делимого блока делени  соответственно , перва  группа выходов блока пам ти измерений подключена к группе входов делител  блока делени , выходы ко0 торого через пороговый блок соединены с входом установки счетчика циклов незаполнени  насоса, группа выходов счетчика циклов незаполнени  насоса соединена со второй группой входов данных первой схе5 мы сравнени , выходом подключенной к входу сброса триггера, выход которого подключен к входу обмотки реле управлени  двигателем станка-качалки, отличающеес  тем, что, с целью повышени 

0 точности устройства, в него введены реверсивный счетчик, распределитель импульсов, входом останова, первым и вторым стартовым , первым и вторым тактовым входами подключенный к выходам сигнализаторов

5 максимального и минимального сигналов датчика хода насоса, выходам второго формировател  напр жени , генератора импульсов и тактовому выходу блока управлени  соответственно, а выходами ин0 кремента, декремента и сигнальным - к входам суммировани  и вычитани  реверсивного счетчика и к входу запрета блока управлени  соответственно, перва  группа выходов реверсивного счетчика сое5 динена с третьей группой входов данных первой схемы сравнени , а втора  группа выходов - со второй группой входов данных блока пам ти измерений и первой группой входов данных второй схемы сравнени ,

0 второй группой входов данных подключенной к первой группе выходов блока пам ти измерений, а выходом - к входу запуска измерени  фазового сдвига блока управлени , втора  группа выходов блока пам ти

5 измерений подключена к информационным установочным входам реверсивного счетчика , выход четвертого разр да счетчика циклов незаполнени  насоса соединен со входом установки триггера и с входом уп0 равлени  остановом насоса блока управлени , выходом установки подключенного к входу сброса реверсивного счетчика.

2. Устройство поп.1 отличающее- с   тем, что распределитель импульсов со5 держит формирователь коротких импульсов , первый, второй, третий и четвертый D-триггеры, первый, второй, третий, четвертый и п тый элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-и элемент ИЛИ, два входа которого подключены соответственно к выходам третьего и п того элементов И, первые входы которых и первый вход четвертого элемента И  вл ютс  вторым тактовым входом распределител , тактовый вход первого D-триггера  вл етс  входом останова распределител , D-вход первого D-триггера соединен со своим инверсным выходом и с тактовым входом второго D-триггера, D- вход которого и D-входы третьего и четвертого D-триггеров подключены к шине логическа  1, входы сброса в нуль первого , третьего и четвертого D-триггеров соединены с пр мым выходом второго D-триггера и  вл ютс  сигнальным выходом распределител , вторые входы четвертого и п того элементов И подключены к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого и третий вход п того элемента И подключены к пр мому выходу третьего D-триггера, а второй вход элемента ИСК-

ЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и третий вход четвертого элемента И подключены к пр мому выходу четвертого О-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу второго элемента И, первый вход которого  вл етс  вторым стартовым входом распределител , второй вход второго элемента И и первый вход первого элемента И подключены к пр мому выходу первого D-триггера, второй вход первого элемента И подключен к выходу формировател  коротких импульсов, вход которого  вл етс  первым стартовым входом распределител , выход первого элемента И подключен к тактовому входу третьего D-триггера, второй вход третьего элемента И  вл етс  вторым тактовым входом распределител , а выходы элемента ИЛИ и четвертого элемента И  вл ютс  выходами декремента и инкремента распределител  соответственно.

SttiaB itptv фор jcola-, fne.it 3

Sbttcd

Stsu: &

I Нахождение Определение OewSote I неыпалнени

fol.4

-r

/7

Определение наполнени 

Фм.5

Фш.б

ФмЛ

Начало

Ул

О .М /s naxl/s

Пропускать так товые импульсы Нйбторой ox.CvJS

Мэмеренид t0

Измерение t

О

догрузить t0 и to делитель W

Разделить Т на t0

О

Отключить ддцгатель Объединить Сч19,СчПиСч13

Фм.8

U

Включить дбигатель Разъединить &19,С 11ист

15

Обнулить

Сч19,СШ2и Сч1Ь

Конец

Ую, Уц

У

15

1

14