本發(fā)明涉及智能抽油電控裝置，具體地涉及一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置。

背景技術：

要保證抽油機井安全高效運行，就要經常檢測抽油機井的工作參數，經過分析，自動控制這些參數。令抽油機井采油系統(tǒng)和供油地層處于協調的工況狀態(tài)。國內外抽油機井在生產和維護過程中，存在的主要問題是抽油機井工作參數的檢測和控制脫節(jié)。

作為目前市場上的智能抽油控制器，大致分以下幾類，一是使用PLC控制，其成本高昂，現場調試、操作麻煩，人機互動能力差；二是采用單芯片微控技術的，沒有設計顯示功能，自適應能力差，控制精度差，不能進行聯網管理。

技術實現要素：

針對上述存在的技術問題，本發(fā)明旨在提供一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置，能對抽油機驅動電機進行綜合保護，抽油機系統(tǒng)的無功補償以及抽油機的故障診斷的設備，節(jié)能、操作友好、維護方便。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是：一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置，包括DSP數字信號處理器、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、按 鍵模塊、顯示單元和輔助電源，所述輸入模塊包括模擬量輸入和開關量遙信輸入，所述輸入模塊通過調理電路和A/D轉換與DSP連接，所述DSP數字信號處理器連接有CPLD，所述輸出模塊連接有執(zhí)行機構。

進一步的，所述模擬量輸入包括三相電流、三相電壓、產液量、套管壓力、油管壓力信號采樣濾波電路。

進一步的，所述DSP數字信號處理器設置有控制算法模塊。

進一步的，所述控制算法包括廣義預測控制，使用受控自回歸積分滑動平均模型、滾動優(yōu)化、輸出預測和參數識別。

本發(fā)明方法的有益效果是：本發(fā)明的智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置，能夠實現低滲、低壓、低產、低效與間歇出油油井抽油機的啟?？刂疲梢杂行У墓?jié)約能源；抽油機驅動電機進行綜合保護；抽油機系統(tǒng)的無功補償；抽油機的故障診斷的設備。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置的硬件結構框圖；

圖2是本發(fā)明一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置的模擬量調理電路圖；

圖3是本發(fā)明一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置的開關量調理電路圖；

圖4a是本發(fā)明一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置的隔離電路圖；

圖4b是本發(fā)明一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置的驅動電路圖；

圖5是本發(fā)明一種智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置的操作流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結合具體實施方式并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

智能化抽油節(jié)能綜合電控裝置由DSP數字信號處理器、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、鍵盤輸入、顯示單元、輔助電源等組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

輸入模塊包括模擬量輸入、開關量遙信輸入、調理電路、A/D轉換組成。

模擬量輸入：包括Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic、產液量、套管壓力、油管壓力信號采樣濾波電路。Ia、Ib、Ic三相電流信號通過電流互感器得到，三相電壓信號通過電阻分壓衰減獲得，產液量信號通過流量變送器得到，套管壓力、油管壓力信通過壓力傳感變送器獲取。

開關量遙信輸入包括抽油機開關信號。

模擬量調理電路如圖2，

開關量調理電路如圖3

開關量輸出包括隔離、驅動。開關量輸出包括抽油機工作出口、保護出口、預告出口、無功補償出口平衡調整出口等。隔離電路如圖4a所示，驅動電路如圖4b所示。

通信接口：全隔離RS485或RS232。通信電路如圖5。

CPLD采用XILINX公司生產的XC9572XL-TQ100芯片，它內部有 72個宏單元，1600個邏輯門。

輔助電源采用明緯電源，單路24V/5A、雙路±12V/2A、單路5V/5A。

統(tǒng)下位機程序由初始化模塊、自檢模塊、系統(tǒng)參數設置模塊、數據采集模塊、通信模塊、控制算法模塊、輸出控制模塊、顯示模塊等組成。

控制算法：

1.廣義預測控制

采用的控制算法為廣義預測控制，使用受控自回歸積分滑動平均模型(CARIMA)，被控對象的CARIMA模型，采用下列離散差分方程描述；

A(z^-1)y(k)＝B(z^-1)u(k-1)+C(z^-1)ζ(k)/Δ

式中y(k)、u(k)、ζ(k)分別表示輸出、輸入和均值為零的白噪聲即差分算子。A(z^-1)、B(z^-1)、分別是n、m、n階的z^-1多項式，C(z^-1)＝1。

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2+...+a_nz^-na

B(z^-1)＝b₀+b₁z^-1+b₂z^-2+...+b_mz^-nb

Δ＝1-z^-1

2.滾動優(yōu)化

目標函數

式中n為最大預測長度，m表示控制長度(m≤n)，λ(j)是大于零的 控制加權系數。

參考軌跡

w(k+j)＝α^jy(k)+(1-α^j)y_r (j＝1，2，...，n)

式中y_r、y(k)、w(k+j)分別為設定值、輸出和參考軌跡，α為柔化系數0＜α＜1。

3.輸出預測

Y*＝GΔU+f

式中Y*＝[y(k+1)，y(k+2)，...，y(k+n)]^T

ΔU＝[Δu(k)，Δu(k+1)，Δu(k+n-1)]^T

f＝[f(k+1)，f(k+2)，...，f(k+n)]^T

4.參數識別

θ^*(k)＝θ^*(k-1)+K(k)e(k)

e(k)＝y(tǒng)(k)-φ^*T(k)θ^*(k-1)

K(k)＝P(k-1)φ(k)/β(k)

β(k)＝λ+φ^T(k)P(k-1)φ(k)

P(k)＝{[I-P(k-1)φ(k)φ^T(k)/β(k)]P(k-1)}/λ

θ^*(k)＝(a₁，a₂，...，a_n，b₀，b₁，...，b_m)^T

φ(k)＝(-y(k-1)，-y(k-2)，...，-y(k-na)，u(k-1)，u(k-2)，...，u(k-nb-1))^T

基于CARIMA模型的GPC自適應算法的實施步驟如下：

1.設置初值θ^*和P(0)，輸入初始數值，并選擇控制參數、控制加權矩陣Γ、輸出柔化系數α、遺忘因子λ；

2.采用當前實際輸出y(k)和參考軌跡輸出y_r(k+j)；

3.利用遺忘因子遞推增廣最小二乘法在線實時估計被測參數θ，即A、B

4.計算控制矩陣G；

5.計算并構造向量y_r、y_m；

6.計算并實施u(k)；

7.返回2.(k->k+1)，繼續(xù)循環(huán)。

工作原理

首先用調理電路將電量互感器送入的電流、電壓、相位信號和由變送器傳入的產液量、套管壓力、油管壓力等標準信號進行衰減、濾波、隔離、變換，再經過DSP數字信號處理器采樣和數據處理，完成抽油機系統(tǒng)工作所需參數的運算及抽油全過程數學模型辨識、動態(tài)預測和修正，并求解出油井抽汲和停歇的最佳時間TON、TOFF，給出系統(tǒng)故障診斷信息，將最終結果通過通信口與MCU進行數據交換。MCU只負責顯示管理、鍵盤管理、通信管理、開關量輸入/輸出管理、抽油機的啟?？刂?；CPLD系統(tǒng)完成各種狀態(tài)邏輯組合與閉鎖、輸入/輸出口擴展與防抖動等功能。

應當理解的是，本發(fā)明的上述具體實施方式僅僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的原理，而不構成對本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。此外，本發(fā)明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內的全部變化和修改例。