新型自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

，，，，

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

新型自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

任旭虎，李德文，秦炳坤，蘇建楠，孫曉

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

針對傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整困難、智能化水平低的問題，為提高平衡度達(dá)標(biāo)率和電機(jī)實際工作效率，研發(fā)了基于STM32的自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了傳統(tǒng)電流法、平均功率法等平衡度計算調(diào)整方法，提出了一種基于“最小功率”的平衡度自動調(diào)整方法，此方法可以滿足現(xiàn)場不斷變化工況的節(jié)能調(diào)整需求。系統(tǒng)PC端的監(jiān)控軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)存儲和命令發(fā)送等功能。該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場測試，驗證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，且證實了該系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)自平衡游梁式抽油機(jī)的平衡自動調(diào)整，減小了抽油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的損耗。

游梁式抽油機(jī)；自平衡；智能控制；STM32

游梁式抽油機(jī)以其可靠、耐用等優(yōu)點，是我國油田的主要抽油設(shè)備，針對其進(jìn)行節(jié)能研究，對于油田節(jié)能降耗具有重大意義[1]。抽油機(jī)平衡度是影響抽油機(jī)能耗的關(guān)鍵因素。隨著油田開發(fā)深入和精細(xì)化管理要求，游梁式抽油機(jī)在以下2方面有待提高：

1) 人工調(diào)平衡困難，平衡度達(dá)標(biāo)率低。人工調(diào)平衡需3～4人調(diào)2 h以上，工人勞動強(qiáng)度大、操作時間長、油井開井時率降低；由于調(diào)平衡費時費力，且平衡度達(dá)標(biāo)率僅60%左右；造成抽油機(jī)不平衡運行、電機(jī)倒發(fā)電、耗能高、機(jī)架振幅加大、大幅影響傳動系統(tǒng)壽命。

2) 油田現(xiàn)場智能化控制水平低。目前大多油田采用的人工檢測、人工調(diào)平衡方式，智能化水平低，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測、診斷油井運行工況、匹配抽油機(jī)合理平衡度調(diào)節(jié)方案等[2-3]。

針對游梁式抽油機(jī)存在的問題，勝利油田采油院設(shè)計了新型的自平衡游梁式抽油機(jī)，簡化了抽油機(jī)平衡調(diào)整的過程，使游梁式抽油機(jī)的自動平衡調(diào)整成為可能。本文針對新型自平衡抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，在優(yōu)化現(xiàn)有平衡調(diào)整方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于“最小功率”平衡調(diào)整方法。根據(jù)平衡算法設(shè)計研制了新型自平衡抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)測抽油機(jī)運行參數(shù)、分析抽油機(jī)運行工況、自動匹配調(diào)整抽油機(jī)平衡狀態(tài)，以達(dá)到提高運行效率，節(jié)能降耗的目的。

1 新型自平衡游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

為了使平衡度自動調(diào)整成為可能，新型自平衡游梁式抽油機(jī)在傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上添加了曲柄平衡塊電動調(diào)節(jié)裝置，如圖1所示。

圖1 曲柄平衡塊電動調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)示意

曲柄平衡塊通過減速器、絲桿與固定在曲柄上的異步電機(jī)相連。異步電機(jī)控制線路通過滑環(huán)等連接至供電柜中。在抽油機(jī)運行過程中需要平衡調(diào)節(jié)時，啟動異步電機(jī)，控制運行方向與時間，改變平衡塊位置。這種結(jié)構(gòu)不需要人工現(xiàn)場操作，降低了平衡調(diào)節(jié)難度，更加安全；且在調(diào)平衡過程中不需要停機(jī)，不妨礙油井的正常生產(chǎn)[4-6]。

2 系統(tǒng)總體方案

自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)主要包括電參數(shù)采集模塊、游梁傾角參數(shù)采集模塊、調(diào)平衡電機(jī)輸出控制模塊和PC端實時監(jiān)控軟件4部分。如圖2所示。

系統(tǒng)自動獲取抽油機(jī)的實時運行狀態(tài)，作為智能控制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要包括游梁運動位置、抽油機(jī)電機(jī)各項電參數(shù)；在STM32核心模塊中計算獲得平衡度、沖次等參數(shù)并將參數(shù)實時傳輸至PC端監(jiān)控軟件；根據(jù)相應(yīng)的平衡調(diào)整算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出控制信號控制抽油機(jī)平衡調(diào)整，達(dá)到算法要求的理想平衡狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電源

在硬件系統(tǒng)中，單板涉及多種電源，有5、3.3、10、±15 V等。這些電源無法從電路電源接口板直接獲得。一般的直流穩(wěn)壓開關(guān)電源只有幾種特定的規(guī)格，這就需要通過AC/DC、LDO等電源拓?fù)浼夹g(shù)來提供。圖3為系統(tǒng)分布式電源分配圖。

圖3 系統(tǒng)電源分配框圖

3.2 電參數(shù)采集模塊電路

抽油機(jī)電動機(jī)三相電壓經(jīng)電壓調(diào)理電路后進(jìn)入AD采集芯片。電壓調(diào)理電路原理如圖4所示。圖4中線電壓Ub、Uc經(jīng)電阻R5、R6、R7、R8分壓后接入互感器CHV-25P中；CHV-25P是一種閉環(huán)霍爾電壓傳感器，其輸出額定值25 mA對應(yīng)其原邊的額定電壓輸入。互感器輸出電流在取樣電阻R14上形成輸出電壓，經(jīng)運放U1B組成的放大電路放大后，通過一個RC濾波電路進(jìn)入AD采集芯片端口。

圖4 電壓調(diào)理電路原理

抽油機(jī)電動機(jī)輸入端電流通過50 A/4 V的電流互感器后得到輸出電壓，接入電流信號調(diào)理電路，電流調(diào)理電路原理如圖5所示。經(jīng)過運算放大器進(jìn)行同相比例放大后，濾波接入AD采集芯片端口。其中，運算放大器芯片自身具有調(diào)零功能不需要額外的調(diào)零措施。鉗位二極管D2將調(diào)理后的電壓信號限定在AD芯片要求范圍內(nèi)，防止燒毀AD采集端口。

圖5 電流調(diào)理電路原理

3.3 游梁傾角參數(shù)采集模塊

為了判斷游梁式抽油機(jī)的沖程、沖次和上、下死點等信息，需要獲取抽油機(jī)實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過在游梁前臂和后臂之間安裝傾角傳感器獲取游梁位置來實現(xiàn)。傾角傳感器安裝示意如圖6。

圖6 傾角傳感器安裝示意

3.4 調(diào)平衡電機(jī)輸出控制模塊

平衡調(diào)整時需要控制平衡塊上的異步電機(jī)運轉(zhuǎn)，帶動平衡塊在曲柄上移動?？刂齐娐肥闺姍C(jī)能向正、反兩個方向運動。要想實現(xiàn)電機(jī)的正反向控制，將其電源中任意兩相對調(diào)即可。為了保證2個接觸器工作時能夠可靠調(diào)換電動機(jī)的相序，接線時使接觸器的上口接線保持一致，在接觸器下口調(diào)相。安全起見，采用連鎖和接觸器連鎖的雙重連鎖控制電路，有效避免短路故障，保護(hù)電機(jī)、接觸器。調(diào)平衡的電機(jī)雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)電路原理如圖7。

圖7 雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)電路原理

圖7中FU為熔斷器，QS為組合開關(guān)，KM1與KM2為接觸器，F(xiàn)R為熱繼電器，SB1、SB2、SB3分別為信號控制的繼電器。

圖8為STM32芯片輸出控制繼電器電路圖。

圖8 繼電器控制電路

圖9為控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號邏輯框圖。

圖9 控制信號邏輯框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件包含下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件2部分，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件功能框圖

4.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件是核心電路的關(guān)鍵，從系統(tǒng)通電開始，要完成電路狀態(tài)初始化、硬件電路配置、數(shù)據(jù)交互、接收控制命令、輸出控制信號等功能。下位機(jī)軟件運行流程如圖11。

圖11 平衡調(diào)整軟件流程

平衡調(diào)整工作流程為：系統(tǒng)通電后，首先進(jìn)行各個參數(shù)初始化，然后檢測傾角傳感器和電參數(shù)采集模塊是否正常工作；待初始化完成后，進(jìn)入?yún)?shù)采集狀態(tài)，程序開始向傾角模塊和電參數(shù)采集模塊發(fā)送電參數(shù)采集命令，讀取傾角和電參數(shù)，并傳送給上位機(jī)，同時等待平衡調(diào)整命令。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送來的平衡調(diào)整參數(shù)與命令后，首先檢測當(dāng)前抽油機(jī)狀態(tài)是否符合模型平衡要求，若符合要求停止調(diào)整，若不符合要求則由平衡調(diào)整電機(jī)輸出部分輸出調(diào)整量，待運行穩(wěn)定后，繼續(xù)重復(fù)以上步驟。軟件還保留了人工調(diào)整功能，可以人工根據(jù)實際情況確定調(diào)整量。

4.2 上位機(jī)軟件

自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)PC端上位機(jī)監(jiān)控軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，軟件實現(xiàn)的主要功能有：

1) 通過網(wǎng)絡(luò)接口與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收下位機(jī)系統(tǒng)采集到的實時數(shù)據(jù)。

2) 對接收到的數(shù)據(jù)如電參數(shù)、傾角參數(shù)進(jìn)行整理計算分析，得到抽油機(jī)平衡度等信息，并將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果展示在界面上，同時存儲到數(shù)據(jù)庫中。

3) 根據(jù)不同的平衡度計算調(diào)整方法發(fā)送平衡度自動調(diào)整命令，并實時監(jiān)視平衡調(diào)整進(jìn)程，同時可以發(fā)送異常停止命令。

4) 能夠調(diào)用查看存儲在數(shù)據(jù)庫中的指定時間段的抽油機(jī)參數(shù)并可以導(dǎo)出到EXCEL表格中。

5 平衡度計算調(diào)整方法設(shè)計

自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)平衡度計算調(diào)整方法主要包含傳統(tǒng)的平衡度計算調(diào)整方法和適用于本系統(tǒng)的基于“最小功率”平衡調(diào)整方法。

5.1 傳統(tǒng)的平衡度計算調(diào)整方法

常用的傳統(tǒng)的平衡度測試和計算方法有電流平衡法和平均功率平衡法2種。

1) 電流平衡法。抽油機(jī)平衡度為抽油機(jī)下沖程對應(yīng)的電動機(jī)最大輸入電流與抽油機(jī)上沖程對應(yīng)的電動機(jī)最大輸入電流之比[5]，即：

(1)

式中：φ為抽油機(jī)平衡度，%；Idmax為抽油機(jī)下沖程電機(jī)最大輸入電流，A；Iumax為抽油機(jī)上沖程電機(jī)最大輸入電流，A。

2) 平均功率平衡法。抽油機(jī)平衡度為下沖程電動機(jī)平均輸出功率與上沖程電動機(jī)平均輸出功率之比[7-9]，即：

(2)

式中：Pu為上沖程電動機(jī)平均輸出功率，kW；Pd為下沖程電動機(jī)平均輸出功率，kW。

5.2 基于“最小功率”平衡調(diào)整方法

平衡塊位置發(fā)生改變，電機(jī)功率隨之改變。抽油機(jī)平衡狀態(tài)越好，電機(jī)功率越小，抽油機(jī)能耗越低。抽油機(jī)在理想平衡條件下最節(jié)能，即使抽油機(jī)的輸入電功率最小[10-12]?；凇白钚」β省钡恼{(diào)節(jié)方法，就是基于這個思路，通過不斷改變抽油機(jī)平衡狀態(tài)，檢測其在一個沖次內(nèi)的輸入功率，將其最小時的狀態(tài)認(rèn)定為理想平衡狀態(tài)。如圖12所示，曲線上功率的最小值點為最佳平衡狀態(tài)。

當(dāng)下位機(jī)收到上位機(jī)基于“最小功率”的平衡調(diào)整命令后，計算并保存當(dāng)前運行狀態(tài)下的平均功率；然后根據(jù)設(shè)置的輸出控制量輸出控制，使平衡塊驅(qū)動電機(jī)工作特定時間，實現(xiàn)平衡塊沿某一方向移動一段距離；延時一段時間，待抽油機(jī)運行穩(wěn)定后，計算當(dāng)前狀態(tài)下的平均功率，并與上次保存的值相比較，記錄變化趨勢。重復(fù)上述步驟，最終在存儲平衡塊位置與平均功率數(shù)據(jù)中得到最小平均功率處的平衡塊位置，判斷該處為平衡狀態(tài)的最佳位置。

圖12 基于“最小功率”的平衡反饋調(diào)節(jié)示意

6 系統(tǒng)現(xiàn)場測試

在完成系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)后，在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行了多次測試。

結(jié)合油田現(xiàn)場測試條件和自平衡抽油機(jī)平衡度調(diào)節(jié)特點設(shè)計了測試方案：保持抽油機(jī)運行狀態(tài)基本不變，將平衡塊由曲柄一端(標(biāo)為位置1)開始調(diào)節(jié)，一直到另一端(標(biāo)為位置7)，觀測并記錄自平衡游梁式抽油機(jī)在各個平衡位置的各項參數(shù)，最終分析系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。

表1為平衡塊在不同位置時，系統(tǒng)獲取并應(yīng)用不同平衡度計算方法得到抽油機(jī)平衡度數(shù)據(jù)。

表1 平衡度測試數(shù)據(jù)

圖13為具有代表性的平衡塊處于位置1和位置7的功率曲線對比。

由表1、圖13可知，新型自平衡游梁式抽油機(jī)在油田現(xiàn)場運行正常，但受其機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，無法到達(dá)理想平衡狀態(tài)。由圖13可得，平衡塊處于位置1時抽油機(jī)平衡狀態(tài)最好，其功率曲線比位置7時更為平緩。平衡塊位置由1至7的過程中，抽油機(jī)平衡裝填不斷變差，平均功率不斷增大。基于“最小功率”的平衡度調(diào)節(jié)方法可以很好地適應(yīng)并指導(dǎo)油井在此狀態(tài)下的平衡度調(diào)整。

圖13 平衡塊處于位置1和位置7功率曲線

7 結(jié)論

1) 新型自平衡游梁式抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)能夠完成自平衡游梁式抽油機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)的獲取，可實現(xiàn)實時平衡度自動調(diào)整，使抽油機(jī)的平衡度與井下不同工況相匹配，減少了抽油機(jī)能耗，提高了系統(tǒng)整體效率。

2) 基于“最小功率”的平衡調(diào)節(jié)方案，適用于新型自平衡游梁抽油機(jī)。需進(jìn)一步研究該方法在不同井況下的應(yīng)用效果。本文中的測試方法具有一定的局限性。

[1] 金鐘輝，彭勇，費凡，等.數(shù)字化抽油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油機(jī)械，2014(12)：65-68.

[2] 王雪玲，薛自建，蔣幽君，等.自平衡智能抽油機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2014(10)：82-85.

[3] 于嘉驥.抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計與仿真[D].東北石油大學(xué)，2016.

[4] 劉一山，薛建強(qiáng)，王林平，等.游梁式抽油機(jī)的自動平衡調(diào)整裝置改進(jìn)方案[J].石油礦場機(jī)械，2016，45(7)：52-55.

[5] Feng Z M，Ding H H，Jiang M Z.New Secondary Balancing Method Saves Energy for Crank-Balanced Rod-Pumping Application[J].Spe Production & Operations，2015，30(2)：25-29.

[6] Jiang S H，Yang X J，Yan X Z，et al.Simulation analysis on a sort of beam-pumping unit with new balance methods[J].Acta Petrolei Sinica，2005，26(1)：117-120.

[7] 張朝暉.功率平衡法與電流平衡法在抽油機(jī)井平衡計算中的對比分析[J].石油石化節(jié)能，2014，4(10)：45-46.

[8] 楊胡坤，秦麗豐，盧玉，等.常規(guī)游梁式抽油機(jī)電流平衡調(diào)整方法研究[J].石油礦場機(jī)械，2013，42(6)：1-6.

[9] 曲志冬，劉振，孟翔揚，等.電動機(jī)電流在抽油機(jī)平衡調(diào)整中的理論研究[J].機(jī)械工程師，2015(5)：124-125.

[10] 張守秀，閆敬東，閆恩祥.游梁式抽油機(jī)平衡度最小功率法自動調(diào)節(jié)新方法[J].內(nèi)江科技，2016，37(8)：33-34.

[11] 鐘功祥，蔣林，呂志忠，等.抽油機(jī)自動平衡模塊設(shè)計與分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2016(8)：237-240.

[12] 柯軍.游梁式抽油機(jī)功率平衡法調(diào)平衡方法研究[J].石化技術(shù)，2016，23(9)：81.

DesignandDevelopmentofIntelligentControlSystemforNewAutobalanceBeamPumpingUnit

REN Xuhu，LI Dewen，QIN Bingkun，SU Jiannan，SUN Xiao

(CollegeofInformationandControlEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

Aiming at the problem of difficult balance adjustment and low intelligent level in traditional beam pumping unit，the intelligent control system of the auto balancing beam pumping unit based on STM32 is designed and developed in order to improve the balance rate and the efficiency of the motor power.The traditional method of current balance and average power method are integrated.What’s more，this paper presents a method of auto balance adjustment based on minimum power，which can meet the demand of energy saving adjustment to adapt to the changing conditions.The host computer monitoring software can be used to display data，store data and send commands.The field test of the system shows that the accuracy and stability of data collection.It is also proved that the system can realize the auto balance adjustment of the auto balance beam pumping unit effectively and reduce the loss of the mechanical system of pumping unit which has great application value.

beam pumping unit；auto balance；intelligent control；STM32

1001-3482(2017)06-0021-06

2017-05-04

任旭虎(1973-)，男，副教授，博士，主要研究方向：油氣田生產(chǎn)過程的智能測控技術(shù)、智能信息處理，E-mail：rxh@upc.edu.cn。

TE933.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.005