復雜工況抽油機變頻控制中游梁擺角高精度測量技術研究

容建剛，李曉瑩，申 強，趙彥明，袁廣民

（西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室，陜西西安710072）

0 引言

游梁式抽油機是實際油井工程中采油生產的主要設備。目前的抽油機普遍存在運行效率非常低、電機容易燒毀、電能嚴重浪費等問題。為了提高抽油機的采油效率，有效保護電機和節省能耗，國內外普遍采用變頻驅動技術來有效控制交流電機［1］。常規變頻調速采用的方法是按照預先設置的速度曲線，通過控制電機頻率調節電機轉速達到控制驅動功率的目的，速度曲線是根據理論分析平衡重的運動規律及油井狀態而擬合得到的，這種常規處理抽油機上、下沖程速度的方法不可避免地存在控制效率及精度不夠高、系統穩定性差的問題，不能滿足實際載荷與驅動功率匹配的要求［2］。

油井井況的變動與抽油機平衡重的擺動位置引起了實際載荷變化，直接反映到抽油機實時運行游梁擺角的變動值。因此，為變頻調速控制器提供準確、實時的角度信息，通過對其電機速度曲線進行多點插值的優化處理，可實現對電機的調速能夠根據實時井況及頻繁變動的載荷進行直接、有效的控制［3］。目前，常規角度精確測量通常使用的是光電編碼器測量法，光電編碼器雖然測量精度比較高，能達到0.05°，但是該測量系統不僅成本高，而且在油田野外的惡劣工況中使用壽命極短，精度也大打折扣。

因此，本研究基于MEMS 傾角計設計游梁擺角測量系統，通過采用抗振動數字濾波、零偏補償及安裝誤差在線標定等技術，提高系統的測量精度及可靠性。

1 測量系統總體設計

游梁擺角測量系統總體框架如圖1所示。

圖1 游梁擺角測量系統總體框圖

該系統包含3 個模塊，分別是：數據采集、信息處理、數據傳輸模塊。其中，每個模塊的設計都嚴格按照油田的特殊工作環境選擇合適的器件，保證電路的安全可靠［4］。

信號采集模塊選擇ADI 公司的傾角傳感器ADIS16209，其量程為±1.7 g，分辨率0.244 mg/LSB，內置一路12 bit數字溫度傳感器輸出，標準的SPI串行接口可以實現與大多數工業系統設計的簡單集成；信息處理模塊選用了ST 公司基于CORTEX-M3 內核的STM32F103T4，其CPU 內置了一個單周期硬件乘法器，其乘法運算速度大幅提高，非常適合高精度的姿態測量場合［5］；信號傳輸模塊設計兩路接口方式：一路RS485數據總線，通過RS485總線，把擺角測量系統的角度測量信息傳輸給變頻控制器，實現對電機速度曲線的多點插值優化處理，同時變頻控制器的啟動、在線標定、休眠等指令也可以通過總線下達給擺角測量系統，實現主變頻控制系統對擺角測量系統的實時控制；另外一路接口是無線收發模塊，無線收發模塊方便于試驗測試場合。

ADIS16209 輸出的傾角值及溫度均為數字信號，經過SPI 總線接口進入微處理器STM32F103T4，處理器對傾角計信號進行數字濾波、溫度漂移誤差補償及角度解算等處理，最后通過RS485 總線發送給上位機，或通過無線收發模塊把信號發送給地面信號接收站。

系統原理樣機的實物如圖2所示。

圖2 系統原理樣機圖

2 信號數字濾波

抽油機采用變頻驅動時，電磁狀態等突變不可避免地會引入脈沖干擾等高頻噪聲，地面或其他部位振動也會引起脈動干擾，雖然常規的均值濾波可以在一定程度上衰減脈沖干擾，但如果脈沖干擾比較嚴重，均值濾波之后的剩余干擾值仍然較大［6］。為了解決這一問題，本研究采用防脈沖干擾移動平均值法進行數字濾波，其算法為：

式中：x(n)—第n次采樣時刻的信號輸入，n=k,k-1,…,k-N+1；y(k)—第k次采樣時刻的濾波輸出。

與常規的均值濾波相比，該方法因為去掉了計算第k次采樣時刻濾波輸出所采用的N個采樣輸入數據中的最大值和最小值，可以更好地衰減脈沖干擾，有效提高系統測量精度。

3 溫度漂移補償

油田存在季節及晝夜溫度變化范圍大等因素，往往使得擺角測量系統具有較大的溫度漂移誤差，從而很難滿足工程實際要求。為了減小溫度漂移的影響，研究者一般采用軟件補償［7］的方法進行修正，主要有非線性反函數校正方法、神經網絡方法、基于最小二乘法原理的多項式擬合方法等。非線性反函數通常不易精確求得，因此，補償精度不高，應用場合受限。神經網絡方法由于對初始值很敏感、容易陷入局部極小值等，其泛化能力很難保證；多項式擬合方法對測量誤差補償具有補償精度較高，且操作簡便［8-10］。因此，本研究采用多項式擬合方法進行擺角測量系統測量誤差的補償。

3.1 溫度漂移實驗及分析

擺角測量系統的溫度漂移誤差主要表現為溫度引起的零點漂移，由于溫度對零點漂移的影響是比較復雜的，本研究需要通過溫度實驗反映擺角測量系統零點漂移隨溫度變化的規律。

實驗方法：將擺角測量儀放入溫控箱，按照大慶油田實際的溫度變化工況在-40 ℃～50 ℃范圍內，每隔5 ℃測量一次零點漂移；在每個溫度點上采樣10 min，再計算平均值，作為該溫度下陀螺的零點漂移值。

擺角測量系統在各個溫度點對應的零點漂移值如圖3所示。

圖3 補償前的零偏誤差

圖3中：圓點表示實際各溫度點的零點漂移值，虛線為擬合曲線。由此看出，擺角測量系統零點漂移隨溫度漂移呈較復雜的非線性關系。

3.2 補償模型建立

不同溫度引起擺角測量系統的漂移趨勢不一樣，因此，本研究采用分段多項式擬合的補償方法，補償模型如下：

式中：Bias1,Bias2,Bias3—不同溫度段下的零偏補償因子；ai,bi,ci,di—多項式系數，i=1,2,3。

結合3.1 節的溫度試驗數據，本研究采用最小二乘法，對各溫度段的實驗數據進行曲線擬合，求出每個溫度段多項式的相應系數：

最終擺角測量系統補償后的零漂誤差變動范圍如圖4所示。

圖4 補償后的零偏誤差

由圖4 可看出：分段多項式擬合方法補償精度較高，零偏達到±0.05°。

4 在線標定技術

系統在游梁上安裝時不能保證安裝面平整，同時，PCB板的平整度和芯片焊接等引起的傳感器初始角度不為零，需要現場在線標定［11］。系統每次安裝在不同抽油機上后，啟動標定模式，采集5個周期的游梁擺角值，分別找出5個周期最小擺角值做平均，該平均值即為安裝誤差值，系統最后輸出角度時需要減去該安裝誤差值，標定完成后系統自動進入正常工作狀態。標定的計算公式如下：

式中：θi—第i個采樣周期中的最小值，θzero—安裝誤差值，θout—標定后輸出角度值，θ—未經誤差補償角度值。

5 靜態和動態驗證試驗

本研究對游梁擺角系統進行了靜態及動態試驗，驗證系統的相關性能是否達到設計要求。

為了驗證系統精度，本研究用分度臺進行系統測試試驗。由于抽油機游梁的擺角幅度在-50°～+50°范圍內，測試也在該范圍內進行。

靜態測試結果如表1所示。表1 中的標定結果表明，擺角測量系統在-50°～+50°之間的誤差保持在±0.15°內，靜態精度很高。

表1 傾角測量結果

為了驗證數字濾波方法的抗振動效果，本研究在大慶油田南1-2122-斜310號抽油機上進行現場測試實驗，現場測試環境如圖5所示。

圖5 油田測試現場

測試曲線如圖6所示，在重復的變頻運動中，測試曲線平滑且運動基本一致，這表明本研究所提出的數字濾波方法十分有效，能夠很好地剔除變頻容易引起的振動脈沖干擾。

圖6 周期變頻運動測試曲線

6 結束語

為了給游梁式抽油機的變頻控制器提供準確、實時的角度信息，以達到提高其變頻控制效率及穩定性的目的，本研究開發了用于抽油機變頻控制器的高精度、實時游梁擺角測量系統，采用了防脈沖干擾移動平均值法進行數字濾波處理，并對擺角測量系統的溫度漂移及角度安裝誤差作出了補償，極大地提高了系統的游梁擺角測量精度及可靠性。

經在大慶油田工程實踐的實際應用證明，該高精度、實時游梁擺角測量系統是一種性能優越、效果良好的游梁擺角測量系統。

本研究對于相關工程機械的變頻控制領域具有一定的借鑒意義及拓展價值。

（References）：

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