新型自平衡游梁式抽油機智能控制系統設計與開發

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(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

新型自平衡游梁式抽油機智能控制系統設計與開發

任旭虎，李德文，秦炳坤，蘇建楠，孫曉

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

針對傳統游梁式抽油機平衡調整困難、智能化水平低的問題，為提高平衡度達標率和電機實際工作效率，研發了基于STM32的自平衡游梁式抽油機智能控制系統。該系統整合了傳統電流法、平均功率法等平衡度計算調整方法，提出了一種基于“最小功率”的平衡度自動調整方法，此方法可以滿足現場不斷變化工況的節能調整需求。系統PC端的監控軟件可以實現數據展示、數據存儲和命令發送等功能。該系統經現場測試，驗證了系統數據采集的準確性和穩定性，且證實了該系統可以有效地實現自平衡游梁式抽油機的平衡自動調整，減小了抽油機機械系統的損耗。

游梁式抽油機；自平衡；智能控制；STM32

游梁式抽油機以其可靠、耐用等優點，是我國油田的主要抽油設備，針對其進行節能研究，對于油田節能降耗具有重大意義[1]。抽油機平衡度是影響抽油機能耗的關鍵因素。隨著油田開發深入和精細化管理要求，游梁式抽油機在以下2方面有待提高：

1) 人工調平衡困難，平衡度達標率低。人工調平衡需3～4人調2 h以上，工人勞動強度大、操作時間長、油井開井時率降低；由于調平衡費時費力，且平衡度達標率僅60%左右；造成抽油機不平衡運行、電機倒發電、耗能高、機架振幅加大、大幅影響傳動系統壽命。

2) 油田現場智能化控制水平低。目前大多油田采用的人工檢測、人工調平衡方式，智能化水平低，無法實現實時監測、診斷油井運行工況、匹配抽油機合理平衡度調節方案等[2-3]。

針對游梁式抽油機存在的問題，勝利油田采油院設計了新型的自平衡游梁式抽油機，簡化了抽油機平衡調整的過程，使游梁式抽油機的自動平衡調整成為可能。本文針對新型自平衡抽油機的結構特點，在優化現有平衡調整方法的基礎上，提出一種基于“最小功率”平衡調整方法。根據平衡算法設計研制了新型自平衡抽油機智能控制系統，該系統可以實現實時監測抽油機運行參數、分析抽油機運行工況、自動匹配調整抽油機平衡狀態，以達到提高運行效率，節能降耗的目的。

1 新型自平衡游梁式抽油機結構

為了使平衡度自動調整成為可能，新型自平衡游梁式抽油機在傳統游梁式抽油機的基礎上添加了曲柄平衡塊電動調節裝置，如圖1所示。

圖1 曲柄平衡塊電動調整裝置結構示意

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

2 系統總體方案

自平衡游梁式抽油機智能控制系統主要包括電參數采集模塊、游梁傾角參數采集模塊、調平衡電機輸出控制模塊和PC端實時監控軟件4部分。如圖2所示。

系統自動獲取抽油機的實時運行狀態，作為智能控制的數據基礎，主要包括游梁運動位置、抽油機電機各項電參數；在STM32核心模塊中計算獲得平衡度、沖次等參數并將參數實時傳輸至PC端監控軟件；根據相應的平衡調整算法對數據進行處理，輸出控制信號控制抽油機平衡調整，達到算法要求的理想平衡狀態。

圖2 系統結構框圖

3 系統硬件設計

3.1 電源

在硬件系統中，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。一般的直流穩壓開關電源只有幾種特定的規格，這就需要通過AC/DC、LDO等電源拓撲技術來提供。圖3為系統分布式電源分配圖。

圖3 系統電源分配框圖

3.2 電參數采集模塊電路

抽油機電動機三相電壓經電壓調理電路后進入AD采集芯片。電壓調理電路原理如圖4所示。圖4中線電壓Ub、Uc經電阻R5、R6、R7、R8分壓后接入互感器CHV-25P中；CHV-25P是一種閉環霍爾電壓傳感器，其輸出額定值25 mA對應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，經運放U1B組成的放大電路放大后，通過一個RC濾波電路進入AD采集芯片端口。

圖4 電壓調理電路原理

抽油機電動機輸入端電流通過50 A/4 V的電流互感器后得到輸出電壓，接入電流信號調理電路，電流調理電路原理如圖5所示。經過運算放大器進行同相比例放大后，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零功能不需要額外的調零措施。鉗位二極管D2將調理后的電壓信號限定在AD芯片要求范圍內，防止燒毀AD采集端口。

圖5 電流調理電路原理

3.3 游梁傾角參數采集模塊

為了判斷游梁式抽油機的沖程、沖次和上、下死點等信息，需要獲取抽油機實時運行狀態數據。系統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。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 調平衡電機輸出控制模塊

平衡調整時需要控制平衡塊上的異步電機運轉，帶動平衡塊在曲柄上移動。控制電路使電機能向正、反兩個方向運動。要想實現電機的正反向控制，將其電源中任意兩相對調即可。為了保證2個接觸器工作時能夠可靠調換電動機的相序，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，保護電機、接觸器。調平衡的電機雙重聯鎖正反轉電路原理如圖7。

圖7 雙重聯鎖正反轉電路原理

圖7中FU為熔斷器，QS為組合開關，KM1與KM2為接觸器，FR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為控制電機正反轉的控制信號邏輯框圖。

圖9 控制信號邏輯框圖

4 系統軟件設計

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

圖10 系統軟件功能框圖

4.1 下位機軟件

下位機軟件是核心電路的關鍵，從系統通電開始，要完成電路狀態初始化、硬件電路配置、數據交互、接收控制命令、輸出控制信號等功能。下位機軟件運行流程如圖11。

圖11 平衡調整軟件流程

平衡調整工作流程為：系統通電后，首先進行各個參數初始化，然后檢測傾角傳感器和電參數采集模塊是否正常工作；待初始化完成后，進入參數采集狀態，程序開始向傾角模塊和電參數采集模塊發送電參數采集命令，讀取傾角和電參數，并傳送給上位機，同時等待平衡調整命令。當接收到上位機發送來的平衡調整參數與命令后，首先檢測當前抽油機狀態是否符合模型平衡要求，若符合要求停止調整，若不符合要求則由平衡調整電機輸出部分輸出調整量，待運行穩定后，繼續重復以上步驟。軟件還保留了人工調整功能，可以人工根據實際情況確定調整量。

4.2 上位機軟件

自平衡游梁式抽油機智能控制系統PC端上位機監控軟件是系統的重要組成部分，軟件實現的主要功能有：

1) 通過網絡接口與下位機進行數據交互，接收下位機系統采集到的實時數據。

2) 對接收到的數據如電參數、傾角參數進行整理計算分析，得到抽油機平衡度等信息，并將數據和分析結果展示在界面上，同時存儲到數據庫中。

3) 根據不同的平衡度計算調整方法發送平衡度自動調整命令，并實時監視平衡調整進程，同時可以發送異常停止命令。

4) 能夠調用查看存儲在數據庫中的指定時間段的抽油機參數并可以導出到EXCEL表格中。

5 平衡度計算調整方法設計

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

5.1 傳統的平衡度計算調整方法

常用的傳統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。抽油機平衡度為抽油機下沖程對應的電動機最大輸入電流與抽油機上沖程對應的電動機最大輸入電流之比[5]，即：

(1)

式中：φ為抽油機平衡度，%；Idmax為抽油機下沖程電機最大輸入電流，A；Iumax為抽油機上沖程電機最大輸入電流，A。

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

(2)

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

5.2 基于“最小功率”平衡調整方法

平衡塊位置發生改變，電機功率隨之改變。抽油機平衡狀態越好，電機功率越小，抽油機能耗越低。抽油機在理想平衡條件下最節能，即使抽油機的輸入電功率最小[10-12]。基于“最小功率”的調節方法，就是基于這個思路，通過不斷改變抽油機平衡狀態，檢測其在一個沖次內的輸入功率，將其最小時的狀態認定為理想平衡狀態。如圖12所示，曲線上功率的最小值點為最佳平衡狀態。

當下位機收到上位機基于“最小功率”的平衡調整命令后，計算并保存當前運行狀態下的平均功率；然后根據設置的輸出控制量輸出控制，使平衡塊驅動電機工作特定時間，實現平衡塊沿某一方向移動一段距離；延時一段時間，待抽油機運行穩定后，計算當前狀態下的平均功率，并與上次保存的值相比較，記錄變化趨勢。重復上述步驟，最終在存儲平衡塊位置與平均功率數據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的最佳位置。

圖12 基于“最小功率”的平衡反饋調節示意

6 系統現場測試

在完成系統的設計與開發后，在現場對系統進行了多次測試。

結合油田現場測試條件和自平衡抽油機平衡度調節特點設計了測試方案：保持抽油機運行狀態基本不變，將平衡塊由曲柄一端(標為位置1)開始調節，一直到另一端(標為位置7)，觀測并記錄自平衡游梁式抽油機在各個平衡位置的各項參數，最終分析系統的實際應用效果。

表1為平衡塊在不同位置時，系統獲取并應用不同平衡度計算方法得到抽油機平衡度數據。

表1 平衡度測試數據

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在油田現場運行正常，但受其機械結構的限制，無法到達理想平衡狀態。由圖13可得，平衡塊處于位置1時抽油機平衡狀態最好，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”的平衡度調節方法可以很好地適應并指導油井在此狀態下的平衡度調整。

圖13 平衡塊處于位置1和位置7功率曲線

7 結論

1) 新型自平衡游梁式抽油機智能控制系統能夠完成自平衡游梁式抽油機運行狀態參數的獲取，可實現實時平衡度自動調整，使抽油機的平衡度與井下不同工況相匹配，減少了抽油機能耗，提高了系統整體效率。

2) 基于“最小功率”的平衡調節方案，適用于新型自平衡游梁抽油機。需進一步研究該方法在不同井況下的應用效果。本文中的測試方法具有一定的局限性。

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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：油氣田生產過程的智能測控技術、智能信息處理，E-mail：rxh@upc.edu.cn。

TE933.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.005