一種抽油機多模式驅動控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種抽油機多模式驅動控制系統，該系統包括變頻器、信號檢測模塊、控制量輸出模塊、DSP核心處理模塊、通信模塊和顯示與設置模塊。本發明能夠實現游梁式抽油機多種運行模式，可根據不同的工況和生產需求選擇不同的運行模式，以改變現有抽油機控制系統控制模式單一、不能適應復雜工況的需求的現狀，以達到減少能耗、提高產液量、改善能效的目的，同時還能實現抽油機的無沖擊柔性啟動。本發明可實現的抽油機運行模式包括：工頻模式、變頻恒速運行模式、上快下慢運行模式、功率隨動運行模式和速度優化運行模式。
【專利說明】
一種抽油機多模式驅動控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種抽油機多模式驅動控制系統，專用于油田游梁式抽油機實現多種運行模式。
【背景技術】
[0002]目前，我國各大油田相繼進入高含水開發期，采油工況也更加復雜。而油田采用的抽油機驅動控制系統控制模式卻相對單一，往往只能實現一到兩種運行模式，不能很好的適應各種工況及不同生產的需求。游梁式抽油機以其結構簡單、可靠性高、適應工況條件好等優點在油田現場得到普遍應用，但其使用過程中存在功率因數低、效率不高、負載率普遍偏低及啟動過程電流沖擊大等弱點。而當前市面上的針對游梁式抽油機的驅動系統并沒有相應的運行模式能夠很好的解決上述問題。
【發明內容】
[0003]本發明目的在于提供一種抽油機多模式驅動控制系統，實現游梁式抽油機多種運行模式，可根據不同的工況和生產需求選擇不同的運行模式，改變現有抽油機控制系統控制模式單一、不能適應復雜工況的需求的現狀，以達到減少能耗、提高產液量、改善能效的目的，同時還能實現抽油機的無沖擊柔性啟動。
[0004]為了克服現有的抽油機驅動控制系統運行模式單一的不足，且較好的改善游梁式抽油機運行效果。本發明提供一種抽油機多模式驅動控制系統，該抽油機多模式驅動控制系統不僅能夠實現抽油機運行的多種工作模式，尤其具有提高游梁式抽油機系統效率，減小啟動沖擊的運行模式，而且能夠實現抽油機無沖擊柔性啟動。該抽油機多模式驅動控制系統的運行模式包括:工頻運行模式、變頻恒速運行模式、上快下慢運行模式、功率隨動運行模式和速度優化運行模式。
[0005]柔性啟動是指抽油機井系統的無沖擊軟啟動。抽油機驅動控制系統控制變頻器輸出頻率從零頻逐漸遞進變化的電源，從而使電動機保持較小的轉差率緩慢啟動，保證抽油機系統啟動過程中無電能和機械沖擊，進而可以降低抽油機電動機的裝機容量。
[0006]工頻模式為抽油機以50Hz運行，抽油機沖次固定。
[0007 ]變頻恒速運行模式為通過變頻器改變電源頻率到特定值，使抽油機電動機以恒定的速度運行，進而達到任意調節抽油機沖次的效果，從而適應不同供液能力的油井工況，實現節能的目的。
[0008]上快下慢運行模式為抽油機在上沖程過程中以較高速度運行，而在下沖程以較低速度運行。DSP核心控制模塊實時對變頻器進行控制，在上沖程和下沖程分別輸出不同的電源頻率，使上快下慢運行模式能夠任意調節抽油桿上行下行速度及抽油機沖次，從而適應不同油井工況，并達到提高產液量的目的。
[0009]功率隨動運行模式為使電動機轉速與抽油機載荷變化相匹配，基本原則為載荷越大，轉速越低，載荷越小，轉速越高，進而使抽油機整體功率趨于平穩。功率隨動運行模式能夠任意調節抽油機沖次，能夠實現抽油機的柔性運行，能夠動態跟蹤載荷變化，避免啟動沖擊、減小功率波動，消除抽油機運行過程中的“倒發電”現象，同時減小由于載荷劇烈變化引起的機械沖擊，程序運行于此模式，實時進行PID算法計算，并實時控制DA模塊輸出步進DA值來控制抽油機，改善抽油機的運行狀況，提高抽油機能效。
[0010]速度優化運行模式為從抽油栗栗效分析，將栗效最優狀態反演至電動機轉速狀態，在抽油機功率隨動運行模式基礎上進行PID算法計算和對抽油機運行周期內特定區間進行的速度再調整。速度優化運行模式能夠任意調整抽油機沖次，優化抽油機周期內的速度分布，使其能夠在柔性運行的基礎上實現速度優化，提升了系統運行效率，達到改善抽油機運行狀況、提高能效和產液量的目的。提升了系統運行效率。
[0011]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:該抽油機多模式驅動控制系統包括:變頻器、信號檢測模塊、控制量輸出模塊、DSP核心處理模塊、通信模塊和顯示與設置模塊。
[0012]變頻器，實現將網側電源轉換為系統需要頻率的電源，且能實現頻率的快速響應，0-50Hz響應時間不超過3s。
[0013]信號檢測模塊，實現對抽油機電壓、電流信號的采集，并通過傾角傳感器和速度傳感器實現對游梁角度和電動機轉速的測量，測量數據的更新速度達到20ms/次。通過對電壓、電流的采集計算出抽油機系統實時的功率、功率因數等參數，作為控制系統算法計算及系統控制的重要參考量。傾角傳感器垂直安裝在游梁轉動軸的正上方，用于獲取抽油機運行的實時位置信息，并確定上下死點的位置。轉速傳感器安裝在電動機的尾端，用于實時測量電動機的轉速，作為抽油機多模式驅動系統控制的一個反饋量。
[0014]控制量輸出模塊通過高速DA芯片將DSP核心處理模塊輸出的數字信號轉換成-10-1OV的模擬信號，再經過隔離芯片后將模擬信號接在變頻器的模擬信號控制端，通過模擬信號控制變頻器輸出合適的電源頻率。
[0015]DSP核心處理模塊，采用具有32位浮點處理能力的DSP處理器TMS320F28335，集成抽油機5種工作模式的控制算法，可以根據系統設定，實現相應的抽油機運行模式。該DSP核心處理模塊接收信號檢測模塊輸入的信息，通過不同運行模式的算法計算出控制變頻器的數字量輸出給控制量輸出模塊，并與通信模塊實現數據交互，主要包括當前狀態參數、模式選擇命令和參數設置命令的交互。
[0016]通信模塊包括串口通信和網口通信兩部分，串口通信實現DSP核心處理模塊與顯示與設置模塊的通信，網口通信實現DSP核心處理模塊與上位機的通信。
[0017]顯示與設置模塊，實現抽油機當前狀態及模式參數的顯示，同時可以實現抽油機運行模式選擇與控制參數的更改設置。
[0018]上位機可實現顯示與設置模塊的全部功能，并可以實現與DSP核心處理模塊更全面的信息交互，包括獲取實時采集的電參數、角度、速度等數據，方便進行抽油機多模式驅動控制系統的測試和數據分析。
[0019]另外，抽油機多模式驅動控制系統能夠脫離上位機獨立運行。
[0020]本發明的有益效果是，可以實現抽油機的多種運行模式，以適應不同的抽油機井工況和生產需求。功率隨動運行模式能夠改善抽油機的運行效果，提高能效，減小運行過程中的機械沖擊。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的抽油機多模式驅動控制系統一具體實施例的結構示意圖。
[0022]圖2是抽油機變頻恒速運行模式下的流程圖
[0023]圖3是抽油機上快下慢運行模式下的流程圖
[0024]圖4是抽油機功率隨動運行模式下的流程圖
[0025]圖5是抽油機速度優化運行模式下的流程圖
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合附圖所示，作詳細說明如下。
[0027]如圖1所示，電網I連接變頻器9的電源輸入端，電動機3連接變頻器9的輸出端，信號檢測模塊8連接變頻器9和DSP核心處理模塊6，控制量輸出模塊7連接DSP核心處理模塊6和變頻器9的模擬量控制端，通信模塊5分別連接顯示與設置模塊4和DSP核心處理模塊6，另外通信模塊5還可與上位機10相連。
[0028]信號檢測模塊8連接變頻器9的輸入端實現抽油機電參數的采集，并連接傾角傳感器和轉速傳感器實現游梁角度及電動機速度的采集。通過對電壓、電流的采集計算出抽油機系統實時的功率、功率因數等參數，作為控制系統算法計算及系統控制的重要參考量。傾角傳感器垂直安裝在游梁轉動軸的正上方，用于獲取抽油機運行的實時位置信息，并確定上下死點的位置。轉速傳感器安裝在電動機3的尾端，用于實時測量電動機的轉速，作為抽油機多模式驅動系統控制的一個反饋量。
[0029]DSP核心控制模塊6將抽油機當前的運行狀態、運行模式及參數信息通過通信模塊5發送到顯示與設置模塊4，顯示與設置模塊4將這些參數實時顯示出來。DSP核心控制模塊6接收到顯示與設置模塊4下達的柔性啟動、模式切換或參數更改等命令后，DSP核心控制模塊6接收信號檢測模塊8采集的數據，調用相應算法融合抽油機所有的電參數、位置、轉速等信息，計算分析后輸出相應的控制數字信號給控制量輸出模塊7。控制量輸出模塊7將接收到的數字信號通過D/A轉換電路轉換為-10-10V范圍內的模擬信號，再經過隔離芯片后將模擬信號接在變頻器9的模擬量控制端，進而輸出合理的電源頻率給電動機3，達到調節電動機轉速的目的。
[0030]上位機10為方便抽油機多模式驅動控制系統調試及數據分析設計，可以完全代替顯示與設置模塊4，并具有更全面的功能。在連接顯示與設置模塊4的情況下，抽油機多模式驅動控制系統能夠脫離上位機10運行。上位機10與通信模塊5連接后，能夠根據需要獲取抽油機參數，并能實現曲線顯示及數據存儲功能，從而方便系統調試及抽油機數據分析。
[0031]在一實施例中，抽油機系統以工頻狀態運行，能量波動劇烈。出于電網穩定、沖擊最小的目的，切換抽油機多模式驅動控制系統運行模式為功率隨動運行模式，DSP核心控制模塊接收命令后切換運行模式控制算法，如果未設定控制參數則在默認控制參數下執行功率隨動控制算法，運行過程中也可根據需要通過顯示與設置模塊人為更改控制參數，如提高抽油機沖次。DSP核心控制模塊獲取信號檢測模塊采集的實時信息，通過與功率隨動控制目標的比較運算，再經過控制量輸出模塊輸出合適電壓值，實時控制電動機轉速。在功率隨動控制模式下運行，使得電動機功率維持相對平穩，減小抽油機井系統的沖擊。
[0032]以上該僅為本發明的較佳實施例，非用以限定本發明的專利范圍，其他運用本發明的專利精神的等效變化，均應倶屬本發明的專利范圍。
【主權項】
1.一種抽油機多模式驅動控制系統，其特征在于包括:變頻器、信號檢測模塊、控制量輸出模塊、DSP核心處理模塊、通信模塊和顯示與設置模塊，可實現游梁式抽油機工頻運行模式、變頻恒速運行模式、上快下慢運行模式、功率隨動運行模式和速度優化運行模式5種運行模式，可根據不同的工況和生產需求進行運行模式的選擇。2.根據權利要求1所述的抽油機多模式驅動控制系統，其特征在于能夠實現抽油機的無沖擊柔性啟動，使系統的輸入電流、電機的輸出功率均從零平滑上升至工頻運行狀態，消除沖擊性啟動峰值。其中所述的功率隨動運行模式，其特征在于使電動機轉速與抽油機載荷變化相匹配，載荷越大，轉速越低，載荷越小，轉速越高，減小機械系統的機械沖擊，并且消除“倒發電”，減少系統的能耗。其中所述的速度優化運行模式，其特征在于從抽油栗栗效分析，在抽油機功率隨動運行模式基礎上對抽油機運行周期內特定區間進行的速度再調整，優化抽油機一個周期內的速度分布。3.根據權利要求1所述的抽油機多模式驅動控制系統，其特征在于電網連接變頻器的電源輸入端，電動機連接變頻器的輸出端，信號檢測模塊連接變頻器和DSP核心處理模塊，控制量輸出模塊連接DSP核心處理模塊和變頻器的模擬量控制端，通信模塊分別連接顯示與設置模塊和DSP核心處理模塊，另外通信模塊還可與上位機相連。4.根據權利要求1或2所述的抽油機多模式驅動控制系統，其特征在于DSP核心處理模塊采用具有32位浮點處理能力的DSP處理器TMS320F28335，集成抽油機5種工作模式的控制算法;控制量輸出模塊通過高速DA芯片將DSP核心處理模塊輸出的數字信號轉換成-10-10V的模擬信號，再經過隔離芯片后將模擬信號接在變頻器的模擬信號控制端。
【文檔編號】H02P23/00GK106026836SQ201610344720
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】任旭虎, 李旭, 秦炳坤, 李德文, 蘇建楠, 艾潔, 呂正陽
【申請人】中國石油大學(華東)