一种基于电功率和平衡配重的示功图采集装置及方法与流程

本发明涉及一种抽油机井综合应用技术，具体为一种基于电功率和平衡配重的示功图采集装置及方法。

背景技术：

悬点示功图是一种以载荷和位移为坐标的封闭图形。在油田生产中，该图形常用于判断单个油井的工作状态、计算产油量和判断动液位高度等方面，也可利用多口油井的示功图对区块的供液能力进行分析。示功图对油田的安全稳定生产具有较大的意义，是一种不可或缺的现场数据。

目前，常用测量示功图的方法都需要在游梁或是悬点上安装设备，用以测量悬点位置和载荷的变化。这类设备不仅造价较高，而且安装过程中也存在安全隐患。此外，这类传感器普遍采用有线供电和信号传输，即便采用有源和无线信号传输的方式，也需要定期给传感器更换电池，极大的增加了后期维护的工作量，也增加了使用的成本。

技术实现要素：

针对现有技术中示功图传感器在使用过程中增加设备后期维护工作量以及存在安全隐患等弊端，本发明要解决的问题是提供一种可解决示功图传感器安装安全隐患和后期维护困难的基于电功率和平衡配重的示功图采集装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种基于电功率和平衡配重的示功图采集装置，安装于抽油机控制系统中，包括电参数采集模块、通讯模块、死点识别模块以及工业计算机，其中：

电参数采集模块，通过一次检测元件采集设备的运行电流、电压充及功率；

死点识别模块，测量抽油机曲柄运动中的下死点；

通讯模块，将电参数采集模块、死点识别模块采集到的数据传输至工业计算机，并接收工业计算机的指令传送至工业计算机供电控制模块；

工业计算机，通过通讯模块接收电参数采集模块上传的数据，运行示功图计算算法，输出获得示功图。

电参数采集模块包括电压互感器、电流互感器、第一、二放大电路、第一、二有源低通滤波电路、第一、二有源全波整流电路以及第一、二阻容滤波电路，其中，电压互感器采集到的电网则电压信号依次经第一放大电路、第一有源低通滤波电路、第一有源全波整流电路以及第一阻容滤波电路传输至输出接口；电流互感器采集到的电网则电流信号依次经第二放大电路、第二有源低通滤波电路、第二有源全波整流电路以及第二阻容滤波电路传输至输出接口；在第一有源低通滤波电路、第一有源全波整流电路之间的节点与第二有源低通滤波电路、第二有源全波整流电路的节点之间设有相位差检测电路。

还具有信号无线发射模块，示功图通过有线连接利用设备进行显示，或通过信号无线发射模块，利用无线发送的方式将示功图传送至远程终端。

通讯模块包括mcu模块、rs232通讯电路、rs485通讯电路、adc输入接口、脉冲捕获输入接口、光电隔离输入接口以及光电隔离输出接口以及w5500网络通讯电路，其中adc数据输入接口、脉冲捕获输入接口以及光电隔离输入接口接收电参数采集模块采集的电参数信号传输至mcu模块，mcu模块通过光电隔离输出接口与上位机相连；mcu模块的其他接口通过rs232通讯电路、rs485通讯电路以及w5500网络通讯电路与上位机进行双向通讯连接。

死点识别模块采用接近开关，接近开关安装在曲柄上。

本发明基于电功率和平衡配重的示功图采集装置的采集方法，其特征在于包括以下步骤：

1)由工业计算机通过通讯模块定时发送采集命令至参数采集模块，参数采集模块由待机状态进入采集状态；

2)利用安装在曲柄上的死点识别模块采集曲柄的运动周期，确定曲柄运动的下死点，并对电参数采集模块的采样时间和频率进行控制；

3)当到工业计算机接收到电参数采集模块上传的电参数后，首先计算出悬点在一个周期内的位移规律，然后根据电参数和曲柄配重求出悬点载荷，最后将载荷和位移相对应，既能获得示功图。

步骤2)中对电参数采集模块的采样时间和频率进行控制为：

201)当曲柄第一次旋转到下死点并触发死点识别模块，接近开关发送脉冲信号至电参数采集模块，电参数采集模块开始计时；

202)待曲柄第二次旋转到下死点时，接近开关再次发送一个脉冲信号至电参数采集模块，此时电参数采集模块根据两次脉冲的间隔确定采样时间和采样频率；

203)电参数采集模块根据计算好的采样频率对进行采集，并将采集到一个冲次的电参数存储到电参数采集模块的存储器中。

步骤3)中，计算出悬点在一个周期内的位移规律，包括：

301)收集油井的机械结构数据，包括曲柄半径、连杆长度、游梁后臂长度、游梁前臂长度、基杆长度、结构不平衡重、平衡块重、平衡块重心距离、曲柄重、曲柄重心距离、基杆投影长度；

302)根据抽油机四连杆几何结构，曲柄角位移θ从12点钟位置算起，顺时针为正；曲柄参考角、连接杆参考角、游梁参考角均已oo1为参考，逆时针方向为正；驴头运动方向垂直向上取为正，通过以下公式计算下述参数：

曲柄参考角：

连接杆参考角：θ2＝2π-θ+α

其中，r为曲柄半径；p为连杆长度；c为游梁后臂长度；k为基杆长度；i为基杆投影长度；l为曲柄销轴心到游梁支撑中心的距离；β为基杆到曲柄销轴心至游梁支撑中心连线的夹角；χ为曲柄销轴心至游梁支撑中心连线到游梁后臂的夹角；φ为基杆到游梁后臂的夹角；θ为12点钟方向到曲柄半径r的夹角；

通过上述角度，根据游梁前臂长度a和角度θ4计算出悬点的运动轨迹：

sc＝aθ4

其中sc为驴头悬点位移，a为游梁前臂长度；

303)通过以下公式计算悬点载荷：

其中tn为曲柄轴净扭矩，w为悬点载荷，b为结构不平衡重，q为平衡块重，v为平衡块重心距离，q为曲柄重，r为曲柄重心距离，θ为曲柄转角，为扭矩因数；

在上式中，平衡块重q、平衡块重心距离v、曲柄重q、曲柄重心距离r和平衡块重心距离v由油井机械参数确定；

304)对到电参数采集模块采集到的电参数进行时序的调整，将位移时间与载荷时间对应，以位移为横坐标，以悬点载荷为纵坐标，将载荷样本和位移样本的顺序相对应，完成计算示功图。

步骤303)中曲柄轴净扭矩tn通过以下公式计算：

tn＝tno×ηbelt×ηgb

其中pmotor为电机的瞬时功率，rot为电机转速，ibelt为皮带轮直径和电机轮直径之比，igb为减速箱传动比，ηbelt为皮带传动效率，ηgb为减速箱传动效率；

电机转速通过下式计算：

rot＝igb×ibelt×n

其中n为冲次。

步骤303)中扭矩因数通过以下公式计算：

对进行处理；

其中，r为曲柄半径，c为游梁后臂长度；a为游梁前臂长度；k为基杆长度；p为连杆长度；α为曲柄参考角；β1为连杆到游梁后臂的夹角；θ2为曲柄半径到l的夹角；为k到c的夹角。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提供的基于电参数生成示功图的方法和装置，根据抽油机工作过程中电机功率与曲柄产生的扭矩和四连杆机构运动规律进行分析，实现利用电参数对悬点示功图进行计算，利用计算代替常规传感器测量，无需在驴头和游梁等位置安装载荷和位移传感器，不仅延长使用寿命，而且降低作业的难度及风险，同时也提高了设备的可维护性，很大程度上降低了油田的生产成本。

2.本发明采用自行开发的电参数采集模块，采用二瓦法计算电机功率，接线方式快捷，并且在工业计算机中增加供电检测控制模块，确保系统的稳定性；计算出的示功图可通过查阅、数据导出的方式在现场进行收集，也可以通过数据远传等方式通过移动设备app，短信，计算机进行远程收集，收集过程方便快捷，可实现对油井的状态进行实时监控。

附图说明

图1为本发明结构拓扑图；

图2为本发明流程图；

图3为本发明涉及的四连杆结构示意图；

图4为本发明电参数采集模块结构图；

图5为本发明通讯模块结构图；

图6为应用本发明方法得到的示功图图例。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种基于电功率和平衡配重的示功图采集装置，包括电参数采集模块、通讯模块、死点识别模块、工业计算机以及工业计算机供电控制模块，其中：

电参数采集模块，通过一次检测元件采集设备的运行电流、电压充及功率；

死点识别模块，测量抽油机曲柄运动中的下死点；

通讯模块，将电参数采集模块、死点识别模块采集到的数据传输至工业计算机，并接收工业计算机的指令传送至工业计算机供电控制模块；

工业计算机，通过通讯模块接收电参数采集模块上传的数据，运行示功图计算算法，输出获得示功图；

工业计算机供电控制模块，根据工业计算机和通讯模块之间的通讯情况，对工业计算机工作状态进行监控，在工业计算机出现死机情况时执行掉电重启。

本发明还具有信号无线发射模块，示功图通过有线连接利用设备进行显示，或通过信号无线发射模块，利用无线发送的方式将示功图传送至远程终端。

本实施例中，死点识别模块采用接近开关，接近开关安装在曲柄上；如图4所示，电参数采集模块包括电压互感器、电流互感器、第一、二放大电路、第一、二有源低通滤波电路、第一、二有源全波整流电路以及第一、二阻容滤波电路，其中，电压互感器采集到的电网则电压信号依次经第一放大电路、第一有源低通滤波电路、第一有源全波整流电路以及第一阻容滤波电路传输至输出接口；电流互感器采集到的电网则电流信号依次经第二放大电路、第二有源低通滤波电路、第二有源全波整流电路以及第二阻容滤波电路传输至输出接口；在第一有源低通滤波电路、第一有源全波整流电路之间的节点与第二有源低通滤波电路、第二有源全波整流电路的节点之间设有相位差检测电路。

如图5所示，通讯模块包括mcu模块、rs232通讯电路、rs485通讯电路、adc输入接口、脉冲捕获输入接口、光电隔离输入接口以及光电隔离输出接口以及w5500网络通讯电路，其中adc数据输入接口、脉冲捕获输入接口以及光电隔离输入接口接收电参数采集模块采集的电参数信号传输至mcu模块，mcu模块通过光电隔离输出接口与上位机相连；mcu模块的其他接口通过rs232通讯电路、rs485通讯电路以及w5500网络通讯电路与上位机进行双向通讯连接。本实施例中，还可具有uart通讯电路，为预留接口，用于连接其他设备。

本发明采用了自行开发的电参数采集模块，采用二瓦法计算电机功率，接线方式快捷；并且给工业计算机增加了供电检测控制模块，确保了系统的稳定性；计算出的示功图可通过查阅、数据导出的方式在现场进行收集，也可以通过数据远传等方式通过移动设备app，短信，计算机进行远程收集，收集过程方便快捷，可实现对油井的状态进行实时监控。

如图2所示，本发明基于电功率和平衡配重的示功图采集装置的采集方法，包括以下步骤：

步骤1)由工业计算机通过通讯模块定时发送采集命令至参数采集模块，参数采集模块由待机状态进入采集状态；

步骤2)中对电参数采集模块的采样时间和频率进行计算为：

201)当曲柄第一次旋转到下死点(即油井曲柄运行过程中的最低点，通过传感器识别该位置)并触发死点识别模块，接近开关发送脉冲信号至电参数采集模块，电参数采集模块开始计时，记录下时刻t1；

202)待曲柄第二次旋转到下死点时，接近开关再次发送一个脉冲信号至电参数采集模块，此时电参数采集模块记录下时刻t2，根据两次脉冲的间隔t2-t1确定采样时间和采样频率；

203)电参数采集模块根据计算好的采样频率对电参数进行采集，并将采集到一个冲次的电参数存储到电参数采集模块的存储器中；

本步骤中，电参数采集模块根据计算好的采样频率对电参数进行采集，数据采集的方式按下式进行；在一个冲程内，本发明欲计算出的示功图是由300个点构成，因此，一个冲程内的电参数也应该包含300个点；并且为了避免噪声和异常点造成的影响，每一个点都由100个点的平均值求得，如下式所示：

其中，xi为一个冲程内第i个电参数，nj为xi点附近的电参数，i为一个冲程内电参数编号，j为xi点附近的电参数编号；

204)由于位移起始点为驴头的下死点，此时曲柄位于上死点，但是电参数的采集是从曲柄的下死点开始，位移与载荷存在二分之一冲程时差，因此，对采集到的电参数进行时序的调整。

205)将电参数通过通讯模块发送到工业计算机中。

步骤3)中，计算出悬点在一个周期内的位移规律，包括：

301)收集油井的机械结构数据，包括曲柄半径、连杆长度、游梁后臂长度、游梁前臂长度、基杆长度、结构不平衡重、平衡块重、平衡块重心距离、曲柄重、曲柄重心距离、基杆投影长度；

302)根据抽油机四连杆几何结构，如图3所示，曲柄角位移θ从12点钟位置算起，顺时针为正；曲柄参考角、连接杆参考角、游梁参考角均已oo1为参考，逆时针方向为正；驴头运动方向垂直向上取为正，通过以下公式计算下述参数：

曲柄参考角：

连接杆参考角：θ2＝2π-θ+α

其中，r为曲柄半径，m；p为连杆长度，m；c为游梁后臂长度，m；k为基杆长度，m；i为基杆投影长度，m；l为曲柄销轴心到游梁支撑中心的距离，m；β为基杆到曲柄销轴心至游梁支撑中心连线的夹角，rad；χ为曲柄销轴心至游梁支撑中心连线到游梁后臂长度c的夹角，rad；φ为基杆到游梁后臂的夹角，rad；θ为12点钟方向到曲柄半径r的夹角，rad；

通过上述角度，根据游梁前臂长度a和角度θ4计算出悬点的运动轨迹：

sc＝aθ4

其中sc为驴头悬点位移，单位m；a为游梁前臂长度，单位m；

303)通过以下公式计算悬点载荷：

其中tn为曲柄轴净扭矩，单位kg·m；w为悬点载荷，单位kg；b为结构不平衡重，单位kg；q为平衡块重，单位kg；r为平衡块重心距离，单位m；q为曲柄重，单位kg；r为曲柄重心距离，单位m；θ为曲柄转角，单位°；为扭矩因数，无量纲；

在上式中，平衡块重q、平衡块重心距离r、曲柄重q、曲柄重心距离r和平衡块重心距离r由油井机械参数(根据油井机械图纸确定)确定；

步骤303)中曲柄轴净扭矩tn通过以下公式计算：

tn＝tno×ηbelt×ηgb

其中pmotor为电机的瞬时功率，rot为电机转速，ibelt为皮带轮直径和电机轮直径之比，igb为减速箱传动比，ηbelt为皮带传动效率，ηgb为减速箱传动效率；

由于油井采用配重设计，因此在整个冲程中电机具备常规机转差率，即转差率小于5％，可视为转速基本不变，则认为曲柄转速等于常数，电机转速可通过下式计算：

rot＝igb×ibelt×n

其中n为冲次。

步骤303)中采用二瓦法计算电机的功率：

pmotor＝p1+p2

其中uab为ab两相之间相电压，单位v；ucb为cb两相之间相电压，单位v；iab为ab两相之间相电流，单位a；icb为cb两相之间相电流，单位a；为ab相的功率因数，为cb相的功率因数。

步骤303)中扭矩因数通过以下公式计算：

由于是一种类正弦函数，其存在两个零点，又由计算悬点载荷w的公式中包含的倒数，所以需对进行处理：

其中，r为曲柄半径，c为游梁后臂长度，m；a为游梁前臂长度，m；k为基杆长度，m；p为连杆长度，m；α为曲柄参考角，rad；β1为连杆到游梁后臂的夹角，rad；θ2为曲柄半径r到曲柄销轴心至游梁支撑中心连线的夹角，rad；φ为基杆到游梁后臂的夹角，rad；

经此处理后可以有效避免在零点附近悬点载荷波动过大的问题。

步骤303)中曲柄转角θ可由下式计算：

其中t为时间；n为冲次。

步骤4)：通过上述方法采集到的示功图可通过有线连接利用设备进行显示，也可以通过信号无线发射模块，将示功图传送至远程终端，包括手机短信、移动设备app、计算机等。

如图6所示，为本实施例通过以上步骤得到的示功图图例。