專利名稱：抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化測控與智能儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種集測量、控制與管理一體化自動測控管系統(tǒng)，更進(jìn)一步涉及一種抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在抽油機(jī)自動控制技術(shù)領(lǐng)域，抽油機(jī)的繼電保護(hù)、節(jié)能沖次自動調(diào)整、油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、油機(jī)動態(tài)數(shù)據(jù)采集與管理等，還沒有實(shí)現(xiàn)有效的測量、控制、管理一體化。基本是在抽油機(jī)上僅安裝繼電保護(hù)裝置的傳統(tǒng)作業(yè)方式，由于抽油機(jī)地處野外，分散設(shè)放，無人職守，當(dāng)抽油機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)不能得到及時(shí)排除，影響油機(jī)正常工作；特別是由于抽油機(jī)及其油井動態(tài)數(shù)據(jù)無法及時(shí)獲得，沒有動態(tài)智能測控設(shè)備，導(dǎo)致抽油機(jī)工作效率低、無法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)自動調(diào)控節(jié)能，造成很大的資源浪費(fèi)；此外，由于抽油機(jī)缺乏動態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢等，以至于給管理、決策和抽油機(jī)維護(hù)帶來更大困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種成本低、系統(tǒng)化強(qiáng)、抽油機(jī)沖次檢測調(diào)整智能化、油機(jī)和井場動態(tài)數(shù)據(jù)檢測管理一體化的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a.由抽油機(jī)、設(shè)置在抽油機(jī)各個部位的傳感器、驅(qū)動器、繼電保護(hù)單元、現(xiàn)場控制器、鍵盤與顯示器、第一無線通信單元構(gòu)成的抽油機(jī)現(xiàn)場測控裝置；和b.由第二無線通信單元、控制中心、GSM網(wǎng)絡(luò)通信單元、手機(jī)組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)；傳感器對抽油機(jī)的壓力、位移物理量現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集后送入現(xiàn)場控制器中，現(xiàn)場控制器上有鍵盤與顯示器，通過驅(qū)動器控制抽油機(jī)的電動機(jī)調(diào)速，現(xiàn)場控制器還通過繼電保護(hù)單元對供電子系統(tǒng)電參數(shù)的測量，進(jìn)而計(jì)算判定對抽油機(jī)的電動機(jī)和控制器本身過壓、過流現(xiàn)象的保護(hù)；并通過第一無線通信單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)的第二無線通信單元進(jìn)行遠(yuǎn)傳通信；第二無線通信單元和控制中心互連，控制中心通過GSM通信單元與手機(jī)之間通信。
傳感器是對抽油機(jī)相關(guān)部位的壓力、位移等物理量進(jìn)行感知，經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)信號獲取。
現(xiàn)場控制器是現(xiàn)場的控制核心，實(shí)施對數(shù)據(jù)采集單元、調(diào)速單元、參數(shù)設(shè)定輸入單元、現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示單元以及無線通信單元的控制，達(dá)到數(shù)據(jù)采集、傳輸、遠(yuǎn)程通信和電動機(jī)調(diào)速控制的目的。
繼電保護(hù)單元完成對抽油機(jī)的電參數(shù)的測量，進(jìn)而計(jì)算出電動機(jī)的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、視在功率等以及對電動機(jī)和現(xiàn)場控制器本身過壓、過流的保護(hù)。
控制中心由計(jì)算機(jī)與無線通信單元組成，重點(diǎn)對來自現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理。控制中心根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行示功圖、產(chǎn)液量、泵功圖的軟測量計(jì)算，給出最大產(chǎn)液量對應(yīng)的沖次數(shù)據(jù)，再通過無線通信單元發(fā)送到抽油機(jī)現(xiàn)場控制器，控制抽油機(jī)運(yùn)行的最佳沖次，達(dá)到提高抽油效率和節(jié)能目的?？刂浦行母鶕?jù)現(xiàn)場采集到的抽油機(jī)故障信息，經(jīng)故障診斷運(yùn)算處理，決策出應(yīng)采取的具體措施，并通過無線通信單元以短信形式發(fā)往手機(jī)用戶，通知技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)處理。此外，控制中心對現(xiàn)場采集歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行長期存儲，供技術(shù)人員進(jìn)行查詢、研究、分析使用。
本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)沖次實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)的自動化，數(shù)據(jù)測量、管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控的一體化，能根據(jù)油井工況變化情況動態(tài)自動調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，保證了抽油機(jī)實(shí)時(shí)處在最佳工作狀態(tài)，大大提高了抽油效率，節(jié)電效果非常明顯，同時(shí)減少了人工管理的強(qiáng)度，提高了油田整體管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是本發(fā)明的總體方框圖；圖2是本發(fā)明的現(xiàn)場測控裝置原理框圖；圖3是本發(fā)明的智能控制模塊原理框圖；圖4是本發(fā)明的巡檢程序流程圖；圖5是本發(fā)明的無線通訊流程圖；圖6是本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)程序流程圖；圖7是本發(fā)明的泵示功圖計(jì)算程序流程圖。
為了更清楚的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實(shí)例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述與說明。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括抽油機(jī)1、傳感器2(包括載荷傳感器、角位移傳感器)、驅(qū)動器3、繼電保護(hù)單元4、控制器5、鍵盤及顯示器6、無線通信單元7、無線通信單元8、控制中心9、GSM通信單元10、手機(jī)11。其中，現(xiàn)場控制器5由數(shù)據(jù)采集單元、調(diào)速控制單元、參數(shù)設(shè)定輸入單元和現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示單元組成，并分別與傳感器2、驅(qū)動器3、繼電保護(hù)單元4和鍵盤及顯示器6、第一無線通信單元7集成為抽油機(jī)現(xiàn)場測控裝置，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集、顯示、沖次調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)傳通信；通過記錄上下沖程中抽油機(jī)1的電動機(jī)的最大工作電流實(shí)時(shí)監(jiān)測抽油機(jī)的平衡狀態(tài)，通過繼電保護(hù)單元4完成供電子系統(tǒng)電參數(shù)的測量，進(jìn)而計(jì)算判定對電動機(jī)和控制器本身過壓、過流現(xiàn)象的保護(hù)；通過制動電阻自動泄放電動機(jī)反發(fā)電現(xiàn)象產(chǎn)生的負(fù)功率，減少對供電電網(wǎng)的影響。
抽油機(jī)1上安裝角位移傳感器，井口的懸繩器上安裝有載荷傳感器，角位移傳感器用于采集抽油機(jī)1的沖次動態(tài)位移數(shù)據(jù)送到控制器5中，載荷傳感器用于間接采集油層動液面數(shù)據(jù)送到控制器5中。驅(qū)動器3用于控制抽油機(jī)的電動機(jī)調(diào)速。第一無線通信單元7用于將現(xiàn)場控制器5的現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集、顯示、沖次調(diào)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)傳通信；第二無線通信單元8、控制中心9、GSM通信單元10和手機(jī)11組成遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)，第二無線通信單元8實(shí)現(xiàn)控制中心9與現(xiàn)場測控裝置的數(shù)據(jù)通信，GSM通信單元10實(shí)現(xiàn)控制中心9與手機(jī)11之間的通信，控制中心9根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同沖次下的示功圖計(jì)算和對應(yīng)的產(chǎn)液量計(jì)算，給出最大產(chǎn)液量對應(yīng)的沖次數(shù)據(jù)，將該沖次數(shù)據(jù)通過無線通信單元8發(fā)送給現(xiàn)場調(diào)控裝置，進(jìn)而控制抽油機(jī)運(yùn)行的沖次，形成抽油機(jī)沖次自動控制，達(dá)到提高抽油效率和節(jié)能目的?？刂浦行?還根據(jù)載荷和位移數(shù)據(jù)處理形成示功圖，進(jìn)而計(jì)算出每一沖次下的產(chǎn)液量、泵功圖和動液面，通過求解電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的波動方程，得到精確的泵功圖，提高產(chǎn)液量、動液面計(jì)算的精度，以克服由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動范圍大在調(diào)速控制處于恒功率運(yùn)行模式時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速波動過大的強(qiáng)干擾問題。通過鍵盤及顯示器6的友好人機(jī)對話界面，顯示電機(jī)的各種電參數(shù)、抽油機(jī)的平衡狀態(tài)、產(chǎn)液量、沖次、沖程、示功圖、動液面等信息。通過鍵盤設(shè)定和修改現(xiàn)場測控裝置的靜態(tài)參數(shù)，諸如下泵深度、泵徑、抽油桿組、電動機(jī)參數(shù)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)沖次的周期等。
圖2、圖3、圖4是發(fā)明人依本發(fā)明的技術(shù)方案給出的硬件具體實(shí)施例。在圖2中，現(xiàn)場測控裝置硬件部分由智能控制模塊、傳感器模塊、繼電保護(hù)模塊、變頻調(diào)速模塊、無線通信模塊、人機(jī)界面等部分構(gòu)成。分別說明如下1.智能控制模塊智能控制模塊原理如圖3所示。采用DSP作為控制器，并擴(kuò)展了20個數(shù)字I/O口、8路A/D通道、8路D/A通道、2個RS232串口、8×8鍵盤接口、LCD接口。此外，此模塊外接時(shí)鐘模塊，時(shí)鐘信息掉電后不會丟失。此模塊為測控裝置的控制中樞，負(fù)責(zé)各類輸入輸出信號的分析和處理。
2.傳感器模塊主要包括井口載荷傳感器、油壓傳感器、角位移傳感器、電量傳感器及相應(yīng)調(diào)理電路。此模塊可檢測光桿載荷、油管油壓、游梁傾角、電壓、電流等系統(tǒng)參數(shù)，并對信號作濾波和放大等調(diào)理。
3.人機(jī)界面模塊包括4×4鍵盤、128×64圖形點(diǎn)陣LCD顯示器、指示燈、蜂鳴器、電源開關(guān)、啟動按鈕、停止按鈕。此模塊為操作人員與系統(tǒng)的交互界面，具有以下功能系統(tǒng)上電，啟動抽油機(jī)，停止抽油機(jī)，調(diào)節(jié)沖次，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)(如井號、抽油機(jī)靜態(tài)參數(shù))，查閱檢測數(shù)據(jù)(如電機(jī)參數(shù)、平衡度等)，獲取故障報(bào)警信息。
4.無線通信模塊采用通用數(shù)傳電臺，達(dá)到20公里通信距離，串行接口。
5.調(diào)速單元采用變頻器，可實(shí)現(xiàn)1-50級的自選變頻速度。
圖4是油井巡檢程序流程圖。巡檢程序在定時(shí)器“定時(shí)時(shí)間到”的時(shí)刻開始執(zhí)行，首先關(guān)閉定時(shí)器并打開線程，初始化，開始網(wǎng)絡(luò)無線通訊；發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)指令，等待接收…；如果網(wǎng)絡(luò)通訊情況不好，則直接在數(shù)據(jù)庫中做一個標(biāo)記，然后開始下一口井的巡檢；如果網(wǎng)絡(luò)通訊狀況良好，則可以順利接收數(shù)據(jù)，存儲到數(shù)據(jù)庫中；接著計(jì)算波動方程計(jì)算泵位移和泵載荷，得到泵功圖，存入數(shù)據(jù)庫；然后計(jì)算系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、動液面等數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫；用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷各種故障，將診斷結(jié)果添加數(shù)據(jù)庫；判斷是否所有井巡檢完畢，如果沒有，井號加一，繼續(xù)進(jìn)行下一口井的巡檢，如果巡檢結(jié)束，打開定時(shí)器，關(guān)閉線程，退出程序。
圖5是通信流程圖無線電通訊是采用電臺通訊，傳輸距離為20km。采用全向天線，可以接收各個油井發(fā)來的數(shù)據(jù)；油井現(xiàn)場天線為定向八木天線。電臺通訊提供透明傳輸和非透明傳輸兩種傳輸方式。在透明傳輸方式中，接收方數(shù)傳電臺送出的數(shù)據(jù)和發(fā)送方數(shù)據(jù)的長度和內(nèi)容完全一致，相當(dāng)于一條無形的傳輸線。在使用時(shí)，只要將接口速率與信道速率設(shè)置相同，即可實(shí)現(xiàn)任意長度的數(shù)據(jù)、文件甚至數(shù)字化圖片的傳輸。透明模式下的數(shù)據(jù)傳輸本質(zhì)上就是無線的串口通訊。
圖6是神經(jīng)源學(xué)習(xí)算法程序流程圖。對于抽油機(jī)故障診斷來說，油井現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可滿足故障診斷精度要求。示功圖是由100個采樣點(diǎn)組成，為了能夠精確的診斷示功圖，選取其中的70個點(diǎn)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入信息參考點(diǎn)。求出這70個點(diǎn)的平均點(diǎn)；將這71個點(diǎn)(含平均點(diǎn))歸一化；求出這70個歸一化以后的點(diǎn)到歸一化后的平均點(diǎn)的距離。這70個數(shù)據(jù)就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入數(shù)據(jù)，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層結(jié)點(diǎn)數(shù)目為70個。因?yàn)楣收项愋驮诔绦蛑袨樽址宰兞?，無法直接作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出數(shù)據(jù)，所以，采用7個布爾型變量的數(shù)組對應(yīng)抽油機(jī)正常，抽油桿斷脫，泵嚴(yán)重露失，供液不足，結(jié)蠟，碰泵和柱塞沙阻7種故障類型進(jìn)行編碼。
圖7是泵示功圖計(jì)算及程序流程圖。采用診斷分析技術(shù)，建立了抽油桿系的一維帶阻尼系數(shù)波動方程EA∂2u∂x2dx=ρA∂2u∂t2dx+ρAv∂u∂tdx]]>并用分離變量法求得其截?cái)嗟母盗⑷~級數(shù)近似解。邊界條件就應(yīng)用地面示功圖的載荷—時(shí)間曲線和位移—時(shí)間曲線。用該方法可以繪制井下任意界面和泵的示功圖。采用該算法求得泵示功圖。其算法如下●根據(jù)光桿示功圖，計(jì)算相關(guān)傅立葉系數(shù)1σn，1τn，1υn，1δn；●確定阻尼系數(shù)vv=2πμρA{1lnm+4B2(B1+1)[B1+2ωLc·1sinωLc+cosωLc]}]]>
●計(jì)算一級桿的各個參數(shù)，并求出一級桿末端的位移和動載荷u，F(xiàn)；●對于多級桿，則將上一級末端的位移和動載荷作為下一級桿的邊界條件，繼續(xù)計(jì)算每級末端的位移與動載荷，直到最后一級，其位移和動載荷即為泵位移和泵載荷。
權(quán)利要求
1.一種抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括a.由抽油機(jī)(1)、設(shè)置在抽油機(jī)(1)各個部位的傳感器(2)、驅(qū)動器(3)、繼電保護(hù)單元(4)、現(xiàn)場控制器(5)、鍵盤與顯示器(6)、第一無線通信單元(7)構(gòu)成的抽油機(jī)現(xiàn)場測控裝置；和b.由第二無線通信單元(8)、控制中心(9)、GSM網(wǎng)絡(luò)通信單元(10)、手機(jī)(11)組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)；傳感器(2)對抽油機(jī)(1)的壓力、位移物理量現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集后送入現(xiàn)場控制器(5)中，現(xiàn)場控制器(5)上有鍵盤與顯示器(6)，通過驅(qū)動器(3)控制抽油機(jī)(1)的電動機(jī)調(diào)速，現(xiàn)場控制器(5)還通過繼電保護(hù)單元(4)對供電子系統(tǒng)電參數(shù)的測量，進(jìn)而計(jì)算判定對抽油機(jī)(1)的電動機(jī)和控制器本身過壓、過流現(xiàn)象的保護(hù)；并通過第一無線通信單元(7)與遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)的第二無線通信單元(8)進(jìn)行遠(yuǎn)傳通信；第二無線通信單元(8)和控制中心(9)互連，控制中心(9)通過GSM通信單元(10)與手機(jī)(11)之間通信。
2.如權(quán)利要求1所述的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的現(xiàn)場測控裝置的硬件包括智能控制模塊，智能控制模塊上分別連接有傳感器模塊、變頻調(diào)速模塊、繼電保護(hù)模塊、人機(jī)界面和無線通信模塊，傳感器模塊還與繼電保護(hù)模塊連接，繼電保護(hù)模塊還分別與電源和變頻調(diào)速模塊連接，變頻調(diào)速模塊與抽油機(jī)電機(jī)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器模塊主要包括井口載荷傳感器、油壓傳感器、角位移傳感器、電量傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的智能控制模塊由數(shù)據(jù)采集單元、調(diào)速控制單元、參數(shù)設(shè)定輸入單元和現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示單元組成。
5.如權(quán)利要求2所述的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的人機(jī)界面模塊包括4×4鍵盤、128×64圖形點(diǎn)陣LCD顯示器、指示燈、蜂鳴器、電源開關(guān)、啟動按鈕、停止按鈕，用于系統(tǒng)上電，啟動抽油機(jī)，停止抽油機(jī)，調(diào)節(jié)沖次，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，查閱檢測數(shù)據(jù)，獲取故障報(bào)警信息。
6.如權(quán)利要求2所述的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線通信模塊采用通用數(shù)傳電臺，具有串行接口，其通信距離為20公里。
7.如權(quán)利要求2所述的抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的調(diào)速單元采用變頻器，具有1-50級的自選變頻速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抽油機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控節(jié)能系統(tǒng)，包括由抽油機(jī)、設(shè)置在抽油機(jī)各個部位的傳感器、驅(qū)動器、繼電保護(hù)單元、現(xiàn)場控制器、鍵盤與顯示器、第一無線通信單元構(gòu)成的抽油機(jī)現(xiàn)場測控裝置和由第二無線通信單元、控制中心、GSM網(wǎng)絡(luò)通信單元、手機(jī)組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)；傳感器對抽油機(jī)的壓力、位移物理量現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)采集后送入現(xiàn)場控制器中，通過驅(qū)動器控制抽油機(jī)的電動機(jī)調(diào)速，還通過繼電保護(hù)單元對供電子系統(tǒng)電參數(shù)的測量，進(jìn)而計(jì)算判定對抽油機(jī)的電動機(jī)和控制器的過壓、過流保護(hù)；并通過第一無線通信單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)的第二無線通信單元進(jìn)行遠(yuǎn)傳通信；第二無線通信單元和控制中心互連，控制中心通過GSM通信單元與手機(jī)之間通信。
文檔編號F04B49/06GK1916413SQ20061010450
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者韓九強(qiáng), 何勇, 劉瑞玲, 張新曼, 張勇, 馮亮, 楊鋒, 秦德福, 李曉平 申請人:西安交通大學(xué)