抽油機動態(tài)負荷模擬控制系統(tǒng)設計與開發(fā)

任旭虎，陳曉偉，李慧娟

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東青島 266555)

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抽油機動態(tài)負荷模擬控制系統(tǒng)設計與開發(fā)

任旭虎，陳曉偉，李慧娟

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東青島 266555)

針對抽油機的特殊工況，為了方便快捷的測量抽油機電機的節(jié)電效率，在實驗室設計開發(fā)了抽油機動態(tài)負荷模擬控制系統(tǒng)，利用DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過FFT算法實時計算電機功率，結(jié)合上位機軟件，利用微分先行PID算法控制直流電機產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩，加載至抽油機電機模擬抽油機現(xiàn)場工況?，F(xiàn)場試驗表明，系統(tǒng)模擬精度較高，能精確測量抽油機電機在動態(tài)負荷下的效率，為抽油機電機節(jié)能評價提供有效的依據(jù)，具有很大的應用價值。

抽油機；電機；動態(tài)負荷；PID算法；DSP

0 引言

抽油機是油田機采系統(tǒng)中的主要設備，抽油機電機損耗占系統(tǒng)總損耗的30%[1]。為了降低電機的自身損耗，提高系統(tǒng)效率，引入節(jié)能電機，但卻沒有合適的節(jié)能電機效率評價方法，傳統(tǒng)電機試驗無法反映電機在真實井況下的能效狀態(tài)，而現(xiàn)場實驗則只能考察不同電機在同一口油井上的節(jié)能效果，無法獲得電機的單體效率。因此，綜合上述情況，如何合理的評價抽油機節(jié)能電機的品質(zhì)[2]，并將其與抽油機的具體工況進行合理匹配，以充分挖掘其節(jié)能潛質(zhì)，是當前一項急需解決的問題。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文采用DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機軟件結(jié)合的方法，設計開發(fā)出了一套抽油機動態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室測試取代現(xiàn)場測試，使機采系統(tǒng)的節(jié)能電機改造更具有針對性，避免盲目選用節(jié)能電機所帶來的損失，使系統(tǒng)節(jié)能改造的效果更好。

1 系統(tǒng)方案設計

抽油機動態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)主要通過DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算抽油機電機輸入端電參數(shù)，傳輸至上位機軟件，通過命令傳遞控制直流調(diào)速器，再通過直流調(diào)速器控制直流電機產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩，加載至抽油機電機，從而在抽油機電機的負載端，模擬抽油機的現(xiàn)場工況，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖

抽油機電機輸入端的三相電壓電流，經(jīng)過互感器之后接入電壓電流調(diào)理電路，經(jīng)調(diào)理之后AD采集至DSP進行計算，軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過硬件分頻電路之后，由外部中斷接入DSP采集系統(tǒng)。DSP將計算之后的電參數(shù)打包通過網(wǎng)絡傳輸至上位機，上位機預設抽油機現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)，利用控制算法，將控制命令傳回給DSP，DSP通過DA輸出控制電壓控制直流調(diào)速器，即間接控制直流電機產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩的大小。

整個系統(tǒng)設計共分為3部分：硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計和算法設計。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 電壓電流調(diào)理電路設計

抽油機電機輸入端電壓經(jīng)過互感器之后，接入DSP系統(tǒng)板的電壓信號調(diào)理電路。如圖2所示，電壓信號經(jīng)過互感器之后變?yōu)殡娏餍盘?，電流信號?jīng)過運算放大器U12A以及電阻R31和R32組成的電流電壓轉(zhuǎn)換電路之后，變?yōu)?3 ～ +3 V的電壓信號，其中電容C37為了防止放大電路產(chǎn)生自激振蕩；電容C36和電阻R30用于校正互感器原邊和副邊之間的相位角，之后為了提升電壓信號的帶負載能力，接入一級跟隨電路，為了防止現(xiàn)場的沖擊信號燒毀AD輸入端口，采用雙向肖特基二極管BAT54S進行保護，當電壓大于3 V或小于0 V時，其中的一個二極管導通，將電壓嵌位在3 V或0 V。

圖2 電壓信號調(diào)理電路圖

電流經(jīng)過50∶1的電流互感器，接入電流信號調(diào)理電路。如圖3所示，R50為50 mΩ高精度采樣電阻，用來將大電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，之后由運放U14A以及電阻R51、R53組成同相比例放大器，考慮到小電流信號可能因放大倍數(shù)不足引起采樣漏洞，之后再接入程控放大器，其放大倍數(shù)可以程序控制為1、10、100倍，放大之后的信號，經(jīng)過濾波跟隨電路之后，再接雙向肖特基二極管BAT54S進行保護之后送AD采集。

圖3 電流信號調(diào)理電路圖

2.2 硬件分頻電路設計

本系統(tǒng)采用JN338-1 A系列直連式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，可測量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩與動態(tài)過程的旋轉(zhuǎn)扭矩。根據(jù)其技術(shù)參數(shù)：零扭矩頻率輸出：10 kHz；正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：15 kHz；反向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：5 kHz；轉(zhuǎn)速輸出信號(光電碼盤式)：120個脈沖/轉(zhuǎn)；傳感器信號輸出：方波信號、幅值5 V，負載電流<15 mA；功耗：4 W。

本系統(tǒng)采用DSP采集轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，DSP要求的信號幅值不能大于3 V，并且頻率過高，不利于采集的準確性，考慮到抽油機電機的轉(zhuǎn)速一般為1 500 rad/min，因此，傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號頻率大概為3 kHz，轉(zhuǎn)矩的輸出方波信號頻率在10 kHz左右，為了使得DSP采集信號準確度更高，采用分頻電路對傳感器輸出信號進行分頻和降幅，如圖4所示，對轉(zhuǎn)矩信號輸出進行20分頻，為了防止傳感器輸出信號對調(diào)理電路的沖擊干擾，用光耦進行隔離，隔離后的信號作為74LS90的CLK信號輸入。用兩片74LS90進行分頻電路的設計，兩片74LS90級聯(lián)組成20分頻電路。

2.3 直流調(diào)速器控制電路設計

DA輸出-10～+10 V直流電壓來控制直流調(diào)速器DCS550，使得與直流調(diào)速器相連的直流電機產(chǎn)生-2 000 - +2 000 N·m的轉(zhuǎn)矩。如圖5所示， 16位DA轉(zhuǎn)化芯片輸出經(jīng)過兩級反相放大電路之后，輸出電壓范圍-10～+10 V，具體計算公式為：

(1)

3 系統(tǒng)的軟件設計

抽油機動態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)的軟件設計分為上位機和下位機兩部分，如圖6所示，下位機軟件負責抽油機電機輸入端以及軸端電參數(shù)采集測量，并負責命令執(zhí)行，上位機軟件負責數(shù)據(jù)顯示處理以及控制命令的發(fā)送，上下位機合作完成整個抽油機動態(tài)載荷模擬試驗。

圖7抽油機動態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)的軟件運行流程圖。(1)上位機軟件進行初始化數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場軸功率曲線導入系統(tǒng)，選擇一個完整的沖程周期數(shù)據(jù)作為控制目標；(2)開始加載控制，同時下位機開始采集數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)至上位機，抽油機電機、直流調(diào)速器、直流電機等硬件設備啟動；(3)上位機將DSP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與控制目標進行比較，根據(jù)算法公式，計算調(diào)節(jié)偏差量，將偏差量通過命令發(fā)送至DSP，DSP控制DA輸出電路，進而控制直流調(diào)速器和直流電機，再次循環(huán)檢測偏差量大小，制止誤差在允許范圍內(nèi)；(4)后續(xù)數(shù)據(jù)處理，試驗結(jié)束之后，對計算機存儲的數(shù)據(jù)進行處理，計算抽油機電機效率等參數(shù)，評價電機。

圖4 硬件20分頻電路圖

圖5 DA雙極性輸出電路原理圖

圖6 系統(tǒng)軟件功能框圖

圖7 軟件運行流程圖

4 算法設計

抽油機動態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)算法設計分為下位機測量算法設計和上位機控制算法設計。

4.1 DSP測量算法設計

DSP需要根據(jù)抽油機輸入端電壓電流計算抽油機電機有功功率、視在功率、功率因數(shù)等。首先要根據(jù)離散的采樣點準確標定電壓電流大小，其次是計算有功功率，本文采用FFT(快速傅里葉卷積)[3]計算采集信號的幅值和頻率，并根據(jù)抽油機電機多為三相異步電動機可視為對稱負載的特點，采用兩表法[4]計算其有功功率和視在功率。FFT算法的計算公式為：

(2)

FFT算法可提取出諧波含量大的信號中基波以及各次諧波的幅值和相位關(guān)系，從而求得有功功率以及電能，F(xiàn)FT應用于信號分析中，有著簡單、精確、快速的特點。

兩表法測有功功率適用于對稱負載的情況，本系統(tǒng)中可測得線電壓線電流，以C相作為公共端，則有功功率計算公式為：

(3)

進而根據(jù)電路公式推導，視在功率的計算公式為：

(4)

因此功率因數(shù)的計算公式為：

λ=P有功/P視在

(5)

4.2 上位機控制算法設計

上位機控制算法采用工業(yè)普遍使用的PID控制算法，由于現(xiàn)場輸入量都為數(shù)字量，因此將普通PID算法進行數(shù)字化，采用增量式PID[5]，其算法公式為：

(6)

為了更好的適應系統(tǒng)輸入變化快且現(xiàn)場干擾大的特點，對普通PID算法改進為微分先行PID算法[6]：

(7)

5 現(xiàn)場測試

共實施了46臺次的抽油機電機動態(tài)性能實驗，分別模擬跟蹤了各種不同型號、不同井號、不同工況的抽油機電機電工圖。包括：皮帶式抽油機中載荷振動異常、嚴重欠平衡、無倒發(fā)電、缺液、含氣等工況，游梁式抽油機中沖程損失較大、缺液、抽油桿斷裂、齒箱振動異常、嚴重氣體影響+氣鎖、缺液+上遇阻等工況。

圖8、圖9是本系統(tǒng)根據(jù)在油井現(xiàn)場所測兩組平衡度相差較大的皮帶式抽油機電功率曲線數(shù)據(jù)，在試驗室模擬所得電機電功率曲線，由圖看出，吻合程度較好，利用三相異步電動機和永磁電動機測得的數(shù)據(jù)如表1。

圖8 皮帶式抽油機平衡度84.78%測試數(shù)據(jù)

圖9 皮帶式抽油機平衡度23.09%測試數(shù)據(jù)

電機平衡度/%負載率/%η總/%P損/kWP損/P地損(%)三相異84.7819.0265.582.13590.12步電機23.0918.7772.341.93875.17永磁電84.7825.287.130.78732.86動機23.0922.8387.070.66525.79

圖10、11是游梁式抽油機模擬測量數(shù)據(jù)，表2是游梁式抽油機模擬試驗測試數(shù)據(jù)。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，得出由于皮帶抽油機傳動損耗較小，異步電動機的損耗甚至可以占到地面損耗的90%以上，在平衡度較差且存在倒發(fā)電的的情況下，異步電動機和永磁電機的正向效率均有所下降；在平衡度較好的情況下，異步電機在游梁式抽油機上的效率要比在皮帶抽油機上的效率高，但更易受平衡度變化影響，而永磁電機的效率則受平衡度變化的影響較小。

圖10 游梁式抽油機平衡度94.53%測試數(shù)據(jù)

圖11 游梁式抽油機平衡度32.17%測試數(shù)據(jù)

電機平衡度/%負載率/%η總/%P損/kWP損/P地損(%)三相異84.7819.0265.582.13590.12步電機23.0918.7772.341.93875.17永磁電84.7825.287.130.78732.86動機23.0922.8387.070.66525.79

6 結(jié)束語

抽油機動態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)由DSP數(shù)據(jù)采集單元、實驗室電機控制加載臺等單元組成，用上位機控制軟件實現(xiàn)了在實驗室模擬抽油機現(xiàn)場工況，方便抽油機電機測試評價，節(jié)省大量人力物力，具有廣泛的推廣應用價值。

本文中采用DSP作為數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)暮诵膯卧?，有時候會出現(xiàn)DSP死機問題，而且上位機控制軟件也有待進一步優(yōu)化，數(shù)據(jù)處理方式要進一步完善。

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Design and Development of Pumping Dynamic Load Control Simulation System

REN Xu-hu, CHEN Xiao-wei, LI Hui-juan

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266555,China)

According to the special characteristics of pumping unit, in the laboratory, pumping dynamic load control simulation system was designed and developed in order to measure the energy-saving efficiency of pumping motor easily and efficiently. By using DSP data acquisition system, real-time motor power was calculated through FFT algorithm. Combining with the PC software, differential forward PID algorithm was used to control the DC motor to produce alternating torque load to pumping motor, and pumping site conditions were simulated. The field test shows that, the system has high simulation accuracy, can accurately measure the efficiency of the pumping motors under dynamic loads, and provide an effective basis for evaluating the energy-saving efficiency of pumping motor, thus having the quite big application value.

pumping unit; motor; dynamic load; PID algorithm; DSP

2014-11-05 收修改稿日期：2015-06-28

TM343+.2；TE08

A

1002-1841(2015)09-0095-04

任旭虎(1973—)，副教授。主要研究方向：電子技術(shù)。