一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法，该方法利用变频器对永磁同步电机进行无传感器反馈的开环距离计算的控制，实现精确计算冲程距离及换向距离，即完全采用变频器内部的电机运行参数进行冲程距离计算，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，塔架式曳引抽油机开环控制系统独立的运用变频器控制逻辑单元，将积分时间缩短至微秒级，对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求。本发明采用变频器对外转子永磁同步电机的运行距离及换向点进行有效计算，摒弃编码器或距离检测传感器，整套系统更加适用野外条件，降低了设备故障率，为用户提高了采油效率。
【专利说明】
一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制技术。
技术背景
[0002]塔架式曳引抽油机是一种油气开采中新兴的一种采油设备，采用类似于电梯运行情况的机械运行机制，实现了冲程距离长，占地面积小的目标。目前塔架式曳引抽油机多使用永磁同步电机与距离传感器相结合来进行抽油机的冲程计算与换向控制，但是在长时间的户外环境使用下，距离传感器容易老化损坏，同时传感器成本高、精度要求严格等特点，导致这种运行机制很难适用于野外井场恶劣的使用环境。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法，以解决塔架式曳引抽油机适应野外恶劣使用环境工况的技术问题。
[0004]为了实现上述发明目的，本发明实现上述发明目的的技术方案如下:
[0005]—种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法，所述塔架式曳引抽油机系统包括变频器、外转子永磁同步电机、位置校准传感器、抱闸控制器、能耗制动控制单元、往复运动控制电路、点动控制电路和急停保护控制电路;所述外转子永磁同步电机用于对塔架式曳引抽油机提供运行动力，实现塔架式曳引抽油机的往复运动;所述抱闸控制器用于电机停止时将电机抱死，防止溜车;所述能耗制动控制单元用于消耗塔架式曳引抽油机不平衡而带来的过剩能量;所述往复运动控制电路用于对变频器发出运行指令信号，并负责运行动作的执行;所述点动控制电路用于发出点动控制触发信号，并负责点动动作的执行;所述的变频器对永磁同步电机进行无传感器反馈的开环距离计算的控制，实现精确计算冲程距离及换向距离，即完全采用变频器内部的电机运行参数进行冲程距离计算，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，塔架式曳引抽油机开环控制系统独立的运用变频器控制逻辑单元，将积分时间缩短至微秒级，对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求;所述的变频器把输入内部的电机运行参数，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，输入给单向开环控制逻辑模块，进行冲程距离计算;然后单向开环控制逻辑模块再控制所述的外转子永磁同步电机，达到用户所设定的冲程，冲次。
[0006]具体步骤如下:
[0007]步骤S000，程序开始；
[0008]步骤SOlO，程序初始化；
[0009]步骤S020，判断抽油机运行状态，分别为自动和手动两种状态，在自动状态时，运行步骤S030，在手动状态时，运行步骤S021;
[0010]步骤S030，自动运行状态下，按下启动按钮则运行步骤S040，抽油机自动正常运行，如果没有按下启动则返回步骤S020等待启动指令；
[0011]步骤S040，抽油机以转速4rpm向下运转；
[0012]步骤S050，在抽油机配重块撞到下限位时，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之，贝lJ返回步骤S040，继续以抽油机以转速4rpm向下运转；
[0013]步骤S070，调整抽油机运行速度，如果速度没有调整，则按照步骤S071原定速度运行;反之，则按照步骤S072设定速度运行；
[0014]步骤S080，根据速度对时间的积分，计算实际运行冲程距离；
[0015]步骤S090和步骤SlOO，判断配重块到达上、下限位，如果到达，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之则继续正常运行；
[0016]步骤SllO，根据S80计算的距离，判断是否达到设定冲程，如果到达，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之则继续正常运行；
[0017]步骤S120，判断是否有故障报警和配重块撞到上、下极限，如果确定有故障报警或配重块撞到上、下极限，则运行步骤SI30，停止抽油机运转；
[0018]步骤S130，抽油机紧急停止或停止运行，在判断为紧急停止或停止运行后返回步骤S030等待启动;反之则返回步骤S071，按照原定速度运行；
[0019]步骤S140，抽油机停止运行后刹车。
[0020]步骤S021和步骤S022，在抽油机手动状态下，判断慢动方向，分别为向下和向上运行。
[0021 ] 步骤S023和步骤S024，分别以转速4rpm向下或向上慢动运转。
[0022]步骤S025和步骤S026，判断是否有故障报警，如果有报警则停止运转，跳到步骤S140刹车;反之则继续运行。
[0023]步骤S027和步骤S028，判断是否慢动停止，当有停止时，则返回步骤S021和步骤S022等待;反之则返回步骤S023和步骤S024，以转速4rpm向下和向上运转。
[0024]步骤SI 50，程序结束。
[0025]步骤S160，结束。
[0026]单向开环控制逻辑模块具体过程为:在不需要距离传感器反馈的情况下，变频器控制逻辑单元利用输入的积分时间常数和电机转速控制计算的速度，计算出行程和缓冲距离。变频器控制逻辑单元将积分时间缩短至微秒级，最大限度的对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求，根据计算结果，比较计算行程与设定行程及确定换向点，控制电机运行及换向。本发明的有益效果如下:
[0027]本发明提供一种塔架式曳引抽油机开环控制系统，具有以下优点:(1)户外恶劣环境适应性强，系统结构稳定可靠；⑵冲程、冲次无级调节；(3)能耗少、噪音低、占地面积小。
【附图说明】
[0028]图1为本发明提供塔架式曳引抽油机开环控制系统原理示意图；
[0029]图2为本发明提供塔架式曳引抽油机开环控制系统电路原理示意图；
[0030]图3为本发明提供塔架式曳引抽油机开环控制系统程序流程框图；
[0031 ]图4为本发明提供塔架式曳引抽油机开环控制系统距离计算流程框图；
[0032]图5为本发明提供塔架式曳引抽油机开环控制系统抽油机机械部分示意图；
【具体实施方式】
[0033]本发明所述一种塔架式曳引抽油机开环控制系统，该控制系统依靠变频器控制外转子永磁同步电机，利用变频器对电机的精确控制，采用速度对时间的积分，在不需要任何外部距离、位置信息反馈的基础上达到精准计算塔架式曳引抽油机冲程，使塔架式曳引抽油机在不需要安装编码器或距离检测传感器的前提下，实现塔架式曳引抽油机的不间断往复运动。本发明控制系统包括变频器、外转子永磁同步电机、位置校准传感器、抱闸控制器、能耗制动控制单元、往复运动控制电路、点动控制电路、急停保护控制电路。所述变频器用来控制永磁同步电机运转，并在变频器内进行开环距离计算;所述外转子永磁同步电机用于对塔架式曳引抽油机提供运行动力，实现塔架式曳引抽油机的往复运动;所述抱闸控制器用于电机停止时将电机抱死，防止溜车;所述能耗制动控制单元用于消耗塔架式曳引抽油机不平衡而带来的过剩能量;所述往复运动控制电路用于对变频器发出运行指令信号，并负责运行动作的执行;所述点动控制电路用于发出点动控制触发信号，并负责点动动作的执行;所述急停保护控制电路用于紧急情况的系统急停的触发和动作执行。
[0034]所述的变频控制器对永磁同步电机进行无传感器反馈的开环控制技术，不需要任何外部传感器信号回馈，实现精确计算冲程距离及换向距离;完全采用变频控制器内部的电机运行参数进行冲程距离计算，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，塔架式曳引抽油机开环控制系统独立的运用变频器控制逻辑单元，将积分时间缩短至微秒级，最大限度的对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求;辅助的抱闸控制器和能耗制动控制单元，塔架式曳引抽油机开环控制系统可实现机械条件允许内的任意距离的点动功能。
[0035]完全采用变频控制器内部的电机运行参数进行冲程距离计算，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，塔架式曳引抽油机开环控制系统独立的运用变频器控制逻辑单元，将积分时间缩短至微秒级，最大限度的对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求。
[0036]所述变频器用来控制永磁同步电机运转，在变频器内进行开环距离计算，外转子永磁同步电机用于对塔架式曳引抽油机提供运行动力，实现塔架式曳引抽油机的往复运动，使得塔架式曳引抽油机具有软启动功能、冲程无级调整、冲次无级调整、点动慢上/慢下功能。
[0037]所述抱闸控制器用于电机停止时将电机抱死，防止溜车;所述能耗制动控制单元用于消耗塔架式曳引抽油机不平衡而带来的过剩能量。
[0038]所述往复运动控制电路用于对变频器发出运行指令信号，并负责运行动作的执行；
[0039]所述点动控制电路用于发出点动控制触发信号，并负责点动动作的执行。
[0040]所述急停保护控制电路用于紧急情况的系统急停的触发和动作执行，实现了紧急停车保护功能。
[0041 ]以下结合附图对本发明进行详细说明:
[0042]本发明提供一种塔架式曳引抽油机开环控制系统，如图1所示，所述控制系统包括变频器102、外转子永磁同步电机103、位置校准传感器107、抱闸控制器108、能耗制动控制单元106、往复运动控制电路105、点动控制电路104、急停保护控制电路100，其中变频器102由控制逻辑单元1I和电机驱动单元109组成；其特征是:所述变频器102的电机驱动单元109用来控制永磁同步电机103运转，而在变频器102的控制逻辑单元101内进行基本的逻辑控制及开环计算冲程距离;所述外转子永磁同步电机103用于对塔架式曳引抽油机提供运行动力，实现塔架式曳引抽油机的往复运动;所述抱闸控制器108用于电机停止时将电机抱死，防止溜车;所述能耗制动控制单元106用于消耗塔架式曳引抽油机不平衡而带来的过剩能量;所述往复运动控制电路105用于对控制逻辑单元101发出运行指令信号，并负责运行动作的执行;所述点动控制电路104用于发出点动控制触发信号，并负责点动动作的执行；所述急停保护控制电路100用于紧急情况的系统急停的触发和动作执行;所述的位置校准传感器107用于长时间的运行后，对抽油机的运行冲程累计偏差进行校对。
[0043]本发明提供一种塔架式曳引抽油机开环控制系统的电路原理，如图2所示，控制原理如下:
[0044]外部提供交流380￥电源，0?1、0?2、0?3、0?4为空气开关，0?1为电路总开关，0?2为变频器电机驱动单元开关，QF3为抱闸控制器开关，QF4为逻辑控制电路开关。
[0045]变频器电机驱动单元109在空气开关QF2和交流接触器KMl闭合时，变频方式控制外转子永磁同步电机103。
[0046]能耗制动单元106由变频器外接三根大功率电阻组成，当抽油机不平衡时将变频器直流母线电压升高，超过限值将烧毁变频器，能耗制动单元106将消耗的过剩能量，使变频器直流母线电压维持在一个合理的范围。
[0047]抱闸控制器108在空气开关QF3和交流接触器KM2闭合时，将电机抱死刹车。
[0048]逻辑控制回路电源通过空气开关QF4和隔离变压器BYQ从交流380V变成的交流220V电源。
[0049]变频器控制逻辑单元101通过外部电位器DW控制变频器的输出频率，控制电机运转速度；当中间继电器KA6闭合，变频器启动，断开则变频器停止;开关SB3为故障复位，当变频器故障排除后，按下SB3，则变频器故障复位；中间继电器KA4和KA5控制往复控制电路，KA4、KA5分别常开触点闭合则变频器输出换向；变频器的故障输出则控制中间继电器KAl得电；变频器常开触点NO控制抱闸控制电路，当变频器控制电机运行时，常开触点断开，当变频器控制电机停止时，常开触点闭合。
[0050]急停保护控制电路100主要由急停按钮SJ组成，当由紧急情况发生，拍下急停按钮SJ，则逻辑控制回路断电，抱闸控制电路动作，将电机抱死刹车。
[0051 ] 往复运动控制电路105主要由中间继电器KA4、KA5、KA8，旋钮开关SAl、SA2组成，旋转旋钮SAl选择点动运行状态或正常运行状态，在不同的状态下KA4、KA5输出不同的型号给变频器控制逻辑单元101。
[0052 ] 点动控制电路104主要由中间继电器KA4、KA5、KA8和旋钮开关SAl、SA2组成，在KA8通电时，旋转SA2，则KA4或KA5输出信号给变频器，抽油机实现点动的向上或向下运行。
[0053]位置校准传感器107主要由接近开关XWl和XW2组成，在正常运行时，如果抽油机碰到接近开关，则变频器对冲程累计偏差进行校对，并以此接近开关为基点重新进行冲程运行。
[0054]按下开关SB2，中间继电器KA6得电，输出给KMl，则抽油机正常运行，KA6自锁;按下开关SBl，中间继电器KA6失电，KMl断电，则抽油机停止运行；如果变频器有故障KAl得电或在点动状态KA8得电，则抽油机不能正常运行。
[0055]抱闸控制器108由抱闸控制电路及抱闸控制电机组成。
[0056]抱闸控制电路由开关SA3，交流接触器KM2和中间继电器组成，旋转SA3或变频器输出NO打开，则KA7断电，则KM2断电，抱闸控制电机断电，抱闸打开;变频器输出NO闭合，KA7得电，KM2得电，抱闸控制电机得电，抱闸闭合;如果热继电器RJ报警，则KM2断电，抱闸打开。
[0057]抱闸控制电机为一台三相普通异步电机，通电电机得电，抱闸控制器闭合;断电电机失电，抱闸控制器打开。
[0058]如图3所示，为所述的塔架式曳引抽油机开环控制系统程序流程框图，控制方法的具体步骤如下:
[0059]步骤S000，程序开始。
[0060]步骤SOlO，程序初始化。
[0061 ]步骤S020，判断抽油机运行状态，分别为自动和手动两种状态，在自动状态时，运行步骤S030，在手动状态时，运行步骤S021。
[0062]步骤S030，自动运行状态下，按下启动按钮则运行步骤S040，抽油机自动正常运行，如果没有按下启动则返回步骤S020等待启动指令。
[0063]步骤S040，抽油机以转速4rpm向下运转。
[0064]步骤S050，在抽油机配重块撞到下限位时，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之，贝lJ返回步骤S040，继续以抽油机以转速4rpm向下运转。
[0065]步骤S070，调整抽油机运行速度，如果速度没有调整，则按照步骤S071原定速度运行;反之，则按照步骤S072设定速度运行
[0066]步骤S080，根据速度对时间的积分，计算实际运行冲程距离，详细计算见图3。
[0067]步骤S090和步骤SlOO，判断配重块到达上、下限位，如果到达，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之则继续正常运行。
[0068]步骤SllO，根据S80计算的距离，判断是否达到设定冲程，如果到达，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之则继续正常运行。
[0069]步骤S120，判断是否有故障报警和配重块撞到上、下极限，如果确定有故障报警或配重块撞到上、下极限，则运行步骤SI30，停止抽油机运转。
[0070]步骤S130，抽油机紧急停止或停止运行，在判断为紧急停止或停止运行后返回步骤S030等待启动;反之则返回步骤S071，按照原定速度运行。
[0071 ]步骤S140，抽油机停止运行后刹车。
[0072]步骤S021和步骤S022，在抽油机手动状态下，判断慢动方向，分别为向下和向上运行。
[0073]步骤S023和步骤S024，分别以转速4rpm向下或向上慢动运转。
[0074]步骤S025和步骤S026，判断是否有故障报警，如果有报警则停止运转，跳到步骤S140刹车;反之则继续运行。
[0075]步骤S027和步骤S028，判断是否慢动停止，当有停止时，则返回步骤S021和步骤S022等待;反之则返回步骤S023和步骤S024，以转速4rpm向下和向上运转。
[0076]步骤SI 50，程序结束。
[0077]步骤S160，结束。
[0078]如图4所示，为所述的塔架式曳引抽油机开环控制系统距离计算流程框图，原理为变频控制器对永磁同步电机进行无距离传感器反馈的开环控制技术，即在不需要任何外部传感器信号回馈的基础上实现精确计算冲程距离及换向距离，其特征是:所述的变频器控制系统400把输入内部的电机运行参数，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，输入给所述的单向开环控制逻辑模块401，进行冲程距离计算;然后所述的单向开环控制逻辑模块401再控制所述的外转子永磁同步电机402，达到用户所设定的冲程，冲次。
[0079]如图4所示，所述的单向开环控制逻辑模块401具体过程为:在不需要距离传感器反馈的情况下，变频器控制逻辑单元把输入的积分时间常数403和所述的电机转速控制计算的速度404，计算出行程和缓冲距离405。变频器控制逻辑单元将积分时间缩短至微秒级，最大限度的对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求，根据计算结果，比较计算行程与设定行程及确定换向点406，控制电机运行及换向407。
[0080]如图5所示，所述的塔架式曳引抽油机开环控制系统抽油机机械部分示意图，其运行系统和位置校正包括外转子永磁同步电机501、曳引机构504、机械主体构架503、动力控制系统506、位置校正开关502、位置校正开关505。所述的外转子永磁同步电机501对系统提供动力输出，由钢丝绳连接曳引机构504，利用动滑轮原理实现上下往复运动，同时动滑轮将负载力减半;所述的动力控制柜506对电机进行能量输出，并通过所述的变频器102本身的内部电机参数进行微积分计算，实现运行距离和换向距离的精确输出，并且在位置校正开关502和505的辅助下，实现精准的冲程运行。
[0081]如图5所示所述的位置校准传感器502和505用于长时间的运行后，对抽油机的运行累计偏差进行校对，塔架式曳引抽油机能始终保持原冲程的运行位置。
[0082]本发明提供一种用于塔架式曳引抽油机开环控制系统，其工作原理为:完全采用变频控制器内部的电机运行参数进行冲程距离计算，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，塔架式曳引抽油机开环控制系统独立的运用变频器控制逻辑单元，将积分时间缩短至微秒级，最大限度的对冲程距离及换向距离进行精确计算，使运行冲程满足用户要求;辅助的抱闸控制器和能耗制动控制单元，塔架式曳引抽油机开环控制系统可实现机械条件允许内的任意距离的点动功能，设备维护保养、检修优化更加方便快捷，同时不使用转速编码器进行外部距离检测，控制系统更加适用于野外运行环境，降低了设备故障率，为用户提高了采油效率。
[0083]本发明还提供一种应用上述开环控制系统的塔架曳引抽油机。
[0084]以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是，对于本技术领域的技术人员应该知晓的是，在符合本发明原理精神的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法，所述塔架式曳引抽油机系统包括变频器、外转子永磁同步电机、位置校准传感器、抱闸控制器、能耗制动控制单元、往复运动控制电路、点动控制电路和急停保护控制电路;所述外转子永磁同步电机用于对塔架式曳引抽油机提供运行动力，实现塔架式曳引抽油机的往复运动;所述抱闸控制器用于电机停止时将电机抱死，防止溜车;所述能耗制动控制单元用于消耗塔架式曳引抽油机不平衡而带来的过剩能量;所述往复运动控制电路用于对变频器发出运行指令信号，并负责运行动作的执行;所述点动控制电路用于发出点动控制触发信号，并负责点动动作的执行；其特征在于，所述的变频器对永磁同步电机进行无传感器反馈的开环距离计算的控制，实现精确计算冲程距离及换向距离，即完全采用变频器内部的电机运行参数进行冲程距离计算，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，塔架式曳引抽油机开环控制系统独立的运用变频器控制逻辑单元，将积分时间缩短至微秒级，对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求;所述的变频器把输入内部的电机运行参数，结合用户设定的需求冲程及运行冲次，输入给单向开环控制逻辑模块，进行冲程距离计算;然后单向开环控制逻辑模块再控制所述的外转子永磁同步电机，达到用户所设定的冲程，冲次。2.根据权利要求1所述的一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法，其特征在于，具体步骤如下: 步骤SOOO，程序开始； 步骤SO10，程序初始化； 步骤S020，判断抽油机运行状态，分别为自动和手动两种状态，在自动状态时，运行步骤S030，在手动状态时，运行步骤S021 ； 步骤S030，自动运行状态下，按下启动按钮则运行步骤S040，抽油机自动正常运行，如果没有按下启动则返回步骤S020等待启动指令； 步骤S040，抽油机以转速4rpm向下运转； 步骤S050，在抽油机配重块撞到下限位时，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之，贝1J返回步骤S040，继续以抽油机以转速4rpm向下运转； 步骤S070，调整抽油机运行速度，如果速度没有调整，则按照步骤S071原定速度运行；反之，则按照步骤S072设定速度运行； 步骤S080，根据速度对时间的积分，计算实际运行冲程距离； 步骤S090和步骤SlOO，判断配重块到达上、下限位，如果到达，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之则继续正常运行； 步骤S110，根据S80计算的距离，判断是否达到设定冲程，如果到达，则运行步骤S060，触发抽油机电机减速并换向；反之则继续正常运行； 步骤S120，判断是否有故障报警和配重块撞到上、下极限，如果确定有故障报警或配重块撞到上、下极限，则运行步骤SI30，停止抽油机运转； 步骤S130，抽油机紧急停止或停止运行，在判断为紧急停止或停止运行后返回步骤S030等待启动;反之则返回步骤S071，按照原定速度运行； 步骤S140，抽油机停止运行后刹车。 步骤S021和步骤S022，在抽油机手动状态下，判断慢动方向，分别为向下和向上运行。 步骤S023和步骤S024，分别以转速4rpm向下或向上慢动运转。 步骤S025和步骤S026，判断是否有故障报警，如果有报警则停止运转，跳到步骤S140刹车;反之则继续运行。 步骤S027和步骤S028，判断是否慢动停止，当有停止时，则返回步骤S021和步骤S022等待;反之则返回步骤S023和步骤S024，以转速4rpm向下和向上运转。 步骤S150，程序结束。 步骤S160，结束。3.根据权利要求1所述的一种塔架式曳引抽油机系统的开环控制方法，其特征在于，单向开环控制逻辑模块具体过程为:在不需要距离传感器反馈的情况下，变频器控制逻辑单元利用输入的积分时间常数和电机转速控制计算的速度，计算出行程和缓冲距离;变频器控制逻辑单元将积分时间缩短至微秒级，最大限度的对冲程距离及换向距离进行精确计算，使得塔架式抽油机的运行冲程满足用户要求，根据计算结果，比较计算行程与设定行程及确定换向点，控制电机运行及换向。
【文档编号】E21B43/00GK106065770SQ201610377054
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月1日 公开号201610377054.9, CN 106065770 A, CN 106065770A, CN 201610377054, CN-A-106065770, CN106065770 A, CN106065770A, CN201610377054, CN201610377054.9
【发明人】高肇凌, 张少雷, 刘凯辉, 邢福林, 陈艳东, 卞和满
【申请人】河北华北石油荣盛机械制造有限公司