任旭虎，陳曉偉，李慧娟

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266555)

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抽油機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

任旭虎，陳曉偉，李慧娟

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266555)

針對(duì)抽油機(jī)的特殊工況，為了方便快捷的測(cè)量抽油機(jī)電機(jī)的節(jié)電效率，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)了抽油機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬控制系統(tǒng)，利用DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)FFT算法實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)功率，結(jié)合上位機(jī)軟件，利用微分先行PID算法控制直流電機(jī)產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩，加載至抽油機(jī)電機(jī)模擬抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工況。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)模擬精度較高，能精確測(cè)量抽油機(jī)電機(jī)在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的效率，為抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)提供有效的依據(jù)，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

抽油機(jī)；電機(jī)；動(dòng)態(tài)負(fù)荷；PID算法；DSP

0 引言

抽油機(jī)是油田機(jī)采系統(tǒng)中的主要設(shè)備，抽油機(jī)電機(jī)損耗占系統(tǒng)總損耗的30%[1]。為了降低電機(jī)的自身?yè)p耗，提高系統(tǒng)效率，引入節(jié)能電機(jī)，但卻沒有合適的節(jié)能電機(jī)效率評(píng)價(jià)方法，傳統(tǒng)電機(jī)試驗(yàn)無(wú)法反映電機(jī)在真實(shí)井況下的能效狀態(tài)，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)則只能考察不同電機(jī)在同一口油井上的節(jié)能效果，無(wú)法獲得電機(jī)的單體效率。因此，綜合上述情況，如何合理的評(píng)價(jià)抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)的品質(zhì)[2]，并將其與抽油機(jī)的具體工況進(jìn)行合理匹配，以充分挖掘其節(jié)能潛質(zhì)，是當(dāng)前一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。

針對(duì)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(jī)軟件結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試取代現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，使機(jī)采系統(tǒng)的節(jié)能電機(jī)改造更具有針對(duì)性，避免盲目選用節(jié)能電機(jī)所帶來(lái)的損失，使系統(tǒng)節(jié)能改造的效果更好。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)主要通過(guò)DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算抽油機(jī)電機(jī)輸入端電參數(shù)，傳輸至上位機(jī)軟件，通過(guò)命令傳遞控制直流調(diào)速器，再通過(guò)直流調(diào)速器控制直流電機(jī)產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩，加載至抽油機(jī)電機(jī)，從而在抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)載端，模擬抽油機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)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(jī)電機(jī)輸入端的三相電壓電流，經(jīng)過(guò)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(jìn)行計(jì)算，軸轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)硬件分頻電路之后，由外部中斷接入DSP采集系統(tǒng)。DSP將計(jì)算之后的電參數(shù)打包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)預(yù)設(shè)抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工況數(shù)據(jù)，利用控制算法，將控制命令傳回給DSP，DSP通過(guò)DA輸出控制電壓控制直流調(diào)速器，即間接控制直流電機(jī)產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩的大小。

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分為3部分：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓電流調(diào)理電路設(shè)計(jì)

抽油機(jī)電機(jī)輸入端電壓經(jīng)過(guò)互感器之后，接入DSP系統(tǒng)板的電壓信號(hào)調(diào)理電路。如圖2所示，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器之后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)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(hào)，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(hào)的帶負(fù)載能力，接入一級(jí)跟隨電路，為了防止現(xiàn)場(chǎng)的沖擊信號(hào)燒毀AD輸入端口，采用雙向肖特基二極管BAT54S進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電壓大于3 V或小于0 V時(shí)，其中的一個(gè)二極管導(dǎo)通，將電壓嵌位在3 V或0 V。

圖2 電壓信號(hào)調(diào)理電路圖

電流經(jīng)過(guò)50∶1的電流互感器，接入電流信號(hào)調(diào)理電路。如圖3所示，R50為50 mΩ高精度采樣電阻，用來(lái)將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，之后由運(yùn)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(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)濾波跟隨電路之后，再接雙向肖特基二極管BAT54S進(jìn)行保護(hù)之后送AD采集。

圖3 電流信號(hào)調(diào)理電路圖

2.2 硬件分頻電路設(shè)計(jì)

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(cè)量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩與動(dòng)態(tài)過(guò)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(hào)(光電碼盤式)：120個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)；傳感器信號(hào)輸出：方波信號(hào)、幅值5 V，負(fù)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(hào)，DSP要求的信號(hào)幅值不能大于3 V，并且頻率過(guò)高，不利于采集的準(zhǔn)確性，考慮到抽油機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為1 500 rad/min，因此，傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率大概為3 kHz，轉(zhuǎn)矩的輸出方波信號(hào)頻率在10 kHz左右，為了使得DSP采集信號(hào)準(zhǔn)確度更高，采用分頻電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行分頻和降幅，如圖4所示，對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出進(jìn)行20分頻，為了防止傳感器輸出信號(hào)對(duì)調(diào)理電路的沖擊干擾，用光耦進(jìn)行隔離，隔離后的信號(hào)作為74LS90的CLK信號(hào)輸入。用兩片74LS90進(jìn)行分頻電路的設(shè)計(jì)，兩片74LS90級(jí)聯(lián)組成20分頻電路。

2.3 直流調(diào)速器控制電路設(shè)計(jì)

DA輸出-10～+10 V直流電壓來(lái)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(jī)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(guò)兩級(jí)反相放大電路之后，輸出電壓范圍-10～+10 V，具體計(jì)算公式為：

(1)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，如圖6所示，下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)抽油機(jī)電機(jī)輸入端以及軸端電參數(shù)采集測(cè)量，并負(fù)責(zé)命令執(zhí)行，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示處理以及控制命令的發(fā)送，上下位機(jī)合作完成整個(gè)抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬試驗(yàn)。

圖7抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行流程圖。(1)上位機(jī)軟件進(jìn)行初始化數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場(chǎng)軸功率曲線導(dǎo)入系統(tǒng)，選擇一個(gè)完整的沖程周期數(shù)據(jù)作為控制目標(biāo)；(2)開始加載控制，同時(shí)下位機(jī)開始采集數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)，抽油機(jī)電機(jī)、直流調(diào)速器、直流電機(jī)等硬件設(shè)備啟動(dòng)；(3)上位機(jī)將DSP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與控制目標(biāo)進(jìn)行比較，根據(jù)算法公式，計(jì)算調(diào)節(jié)偏差量，將偏差量通過(guò)命令發(fā)送至DSP，DSP控制DA輸出電路，進(jìn)而控制直流調(diào)速器和直流電機(jī)，再次循環(huán)檢測(cè)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(yàn)結(jié)束之后，對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算抽油機(jī)電機(jī)效率等參數(shù)，評(píng)價(jià)電機(jī)。

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(yùn)行流程圖

4 算法設(shè)計(jì)

抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)分為下位機(jī)測(cè)量算法設(shè)計(jì)和上位機(jī)控制算法設(shè)計(jì)。

4.1 DSP測(cè)量算法設(shè)計(jì)

DSP需要根據(jù)抽油機(jī)輸入端電壓電流計(jì)算抽油機(jī)電機(jī)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(diǎn)準(zhǔn)確標(biāo)定電壓電流大小，其次是計(jì)算有功功率，本文采用FFT(快速傅里葉卷積)[3]計(jì)算采集信號(hào)的幅值和頻率，并根據(jù)抽油機(jī)電機(jī)多為三相異步電動(dòng)機(jī)可視為對(duì)稱負(fù)載的特點(diǎn)，采用兩表法[4]計(jì)算其有功功率和視在功率。FFT算法的計(jì)算公式為：

(2)

FFT算法可提取出諧波含量大的信號(hào)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(yīng)用于信號(hào)分析中，有著簡(jiǎn)單、精確、快速的特點(diǎn)。

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

(3)

進(jìn)而根據(jù)電路公式推導(dǎo)，視在功率的計(jì)算公式為：

(4)

因此功率因數(shù)的計(jì)算公式為：

λ=P有功/P視在

(5)

4.2 上位機(jī)控制算法設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制算法采用工業(yè)普遍使用的PID控制算法，由于現(xiàn)場(chǎng)輸入量都為數(shù)字量，因此將普通PID算法進(jìn)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(yīng)系統(tǒng)輸入變化快且現(xiàn)場(chǎng)干擾大的特點(diǎn)，對(duì)普通PID算法改進(jìn)為微分先行PID算法[6]：

(7)

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

共實(shí)施了46臺(tái)次的抽油機(jī)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)，分別模擬跟蹤了各種不同型號(hào)、不同井號(hào)、不同工況的抽油機(jī)電機(jī)電工圖。包括：皮帶式抽油機(jī)中載荷振動(dòng)異常、嚴(yán)重欠平衡、無(wú)倒發(fā)電、缺液、含氣等工況，游梁式抽油機(jī)中沖程損失較大、缺液、抽油桿斷裂、齒箱振動(dòng)異常、嚴(yán)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(chǎng)所測(cè)兩組平衡度相差較大的皮帶式抽油機(jī)電功率曲線數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)室模擬所得電機(jī)電功率曲線，由圖看出，吻合程度較好，利用三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1。

圖8 皮帶式抽油機(jī)平衡度84.78%測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 皮帶式抽油機(jī)平衡度23.09%測(cè)試數(shù)據(jù)

電機(jī)平衡度/%負(fù)載率/%η總/%P損/kWP損/P地?fù)p(%)三相異84.7819.0265.582.13590.12步電機(jī)23.0918.7772.341.93875.17永磁電84.7825.287.130.78732.86動(dòng)機(jī)23.0922.8387.070.66525.79

圖10、11是游梁式抽油機(jī)模擬測(cè)量數(shù)據(jù)，表2是游梁式抽油機(jī)模擬試驗(yàn)測(cè)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(jī)傳動(dòng)損耗較小，異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和永磁電機(jī)的正向效率均有所下降；在平衡度較好的情況下，異步電機(jī)在游梁式抽油機(jī)上的效率要比在皮帶抽油機(jī)上的效率高，但更易受平衡度變化影響，而永磁電機(jī)的效率則受平衡度變化的影響較小。

圖10 游梁式抽油機(jī)平衡度94.53%測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 游梁式抽油機(jī)平衡度32.17%測(cè)試數(shù)據(jù)

電機(jī)平衡度/%負(fù)載率/%η總/%P損/kWP損/P地?fù)p(%)三相異84.7819.0265.582.13590.12步電機(jī)23.0918.7772.341.93875.17永磁電84.7825.287.130.78732.86動(dòng)機(jī)23.0922.8387.070.66525.79

6 結(jié)束語(yǔ)

抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬控制系統(tǒng)由DSP數(shù)據(jù)采集單元、實(shí)驗(yàn)室電機(jī)控制加載臺(tái)等單元組成，用上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室模擬抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工況，方便抽油機(jī)電機(jī)測(cè)試評(píng)價(jià)，節(jié)省大量人力物力，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本文中采用DSP作為數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)暮诵膯卧袝r(shí)候會(huì)出現(xiàn)DSP死機(jī)問(wèn)題，而且上位機(jī)控制軟件也有待進(jìn)一步優(yōu)化，數(shù)據(jù)處理方式要進(jìn)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)。