CN103233721A - 游梁式抽油机地面机械***动态定位方法及装置 - Google Patents

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游梁式抽油机地面机械***动态定位方法及装置。 根据结构力学和流体力学原理，合适的悬点运动速度分布模式能明显起到减少泵效损失和减轻抽油杆负荷的作用。一种 游梁式抽油机地面机械***动态定位方法 ， 在游梁式抽油机的不同位置上安装多点传感器对抽油机各个部分的运动状态进行数据采集整理，结合已知的游梁式抽油机的位置因数和扭矩因数，再利用上位机***内置的专用程序和计算方法进行***综合定位，由电机的旋转运动状态直接推导出悬点的直线运动状态。本发明用于抽油机地面机械***动态定位 。

Description

游梁式抽油机地面机械***动态定位方法及装置
技术领域
本发明涉及一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法及装置。
背景技术
根据结构力学和流体力学原理，合适的悬点运动速度分布模式能明显起到减少泵效损失和减轻抽油杆负荷的作用。改变抽油机结构(如双驴头抽油机和直线塔架式抽油机)能够改变抽油机悬点运动的速度分布模式，但由于其仅在抽油机机械结构上做了一定的改进，对于驱动电机和悬点之间并未建立比较直接的运动关联关系，并不能最大限度的从根本接近和达到理想的悬点运动速度分布模式，对整个抽油机***的能耗控制也无法起到相应的作用。将游梁式抽油机***的地面与井下有效结合，对游梁式抽油机各运动部分进行精确的动态实时定位，使游梁式抽油机从动力源(电机)到最终的负载点(悬点)之间建立可靠的运动位置对应关系，并利用传感器技术和特殊数学计算方法实时监测和反馈井下负载状态并调整抽油机运行速度和扭矩是解决问题的最佳途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种由多点传感器检测抽油机各运动部位的运动状态参数，利用抽油机已知的位置因数和扭矩因数计算游梁式抽油机的驱动电机相对于下死点的角位移、以及该角坐标处的角速度与角加速度，与悬点(光杆)相对下死点的线位移、以及该位置的线速度与线加速之间的对应关系。达到优化控制目的的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法及装置。
所述目的是通过如下方案实现的：
一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，在游梁式抽油机的不同位置上安装多点传感器对抽油机各个部分的运动状态进行数据采集整理，结合已知的游梁式抽油机的位置因数和扭矩因数，再利用上位机***内置的专用程序和计算方法进行***综合定位，由电机的旋转运动状态直接推导出悬点的直线运动状态。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，首先依据电机角位移传感器与起始点传感器提供的电机相对起始点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度实时数据，导出曲柄相对起始点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度，然后利用游梁式抽油机所固有的位置因数和扭矩因数，得出电机相对于下死点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度与悬点相对下死点的线位移、线速度与线加速之间的对应关系；最后预设悬点的运行速度与加速的分布方案后，反向导出电机的速度与加速度预设运行方案。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，首先单片机***将检测到的电机角位移传感器信号和曲柄死点传感器信号经计算处理后建立电机与悬点之间的运动状态对应曲线，并结合所采集到的电机功率、电流的电参数通过单片机***分析处理后转换成为抽油机运动的数学模型作为数控装置进行控制的初始参照值，同时根据过程中光杆实时受力情况构造出合理的悬点速度分布曲线。
一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其组成包括：具有主板信号端子a和主板信号端子b的单片机***、电动机，所述电动机通过皮带轮组连接减速机，所述电动机连接电机角位移传感器，所述减速机连接旋转式死点传感器。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述减速机连接曲柄，所述曲柄连接平衡块、支架和连杆，所述连杆与所述支架均连接游梁，所述游梁连接应变式死点传感器或角度式死点传感器。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述游梁连接驴头，所述驴头通过吊绳连接悬绳器；所述游梁与所述支架之间装有支架轴，所述游梁与所述连杆之间装有连杆轴，所述支架、所述连杆与所述曲柄之间通过曲柄连接，所述支架、所述连杆、所述曲柄之间相对转动。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述减速机与所述支架均连接底座，所述减速机具有减速机输出轴，所述电机具有电机输出轴；所述皮带轮组包括电机皮带轮，所述电机皮带轮通过皮带连接减速机皮带轮，所述减速机皮带轮装在所述减速机输出轴上，所述电机皮带轮装在所述电机输出轴上。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述电机角位移传感器具有信号处理电路，所述信号处理电路连接死点信号采集电路、角位移信号采集电路、时钟信号电路、角位移信号输出电路、死点信号输出电路、上位机数据通讯电路。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述死点信号采集电路包括主板信号端子b，所述主板信号端子b连接电阻R3和滤波电容C4，所述电阻R3连接电源Vcc；所述主板信号端子b连接所述信号处理电路。
所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述死点信号采集电路包括主板信号端子a，所述主板信号端子a连接电阻R2和滤波电容C3，所述电阻R2连接电源Vcc；所述主板信号端子a连接所述信号处理电路。
本发明的有益效果是：
本发明解决了游梁式抽油机从驱动电机到负荷悬点的运动机构定位问题，使电机、减速机、曲柄和悬点(光杆)之间的运动关系清晰可见，运动传递函数明确。将电机旋转运动的做功完全高效的转化为悬点(光杆)直线运动的做功，提高了***效率；可根据悬点和曲柄等负载端的负载变化情况及时有效的对整个抽油机地面运动***进行调整，使抽油机以最高的效率运行。可有效的解决由于皮带打滑或井下负载异常所导致的设备磨损、电机效率降低等问题。
与采用复杂昂贵的专用检测设备和井下传感器相比，本发明不需要安装工图仪等专用设备，仅利用电机角位移传感器和抽油机死点传感器分别检测和提供电机、曲柄、游梁和光杆的运动状态信息，通过比较和修正，构建由动力源到最终负载点的速度传递关系、传动比，为上位机***根据设备和负载情况进行闭环精确控制建立一个完整的坐标体系。
本发明从根本上解决了抽油机皮带打滑所引起的传动比误差问题，使过程量更加准确可靠。
本发明利用上位机***和电机驱动器的电能监测功能，实现地面采油设备和井下负载状态(井况)的真正闭环控制，为用数控的方式达到供采平衡、提高泵效、降低损耗、减小设备磨损、延长设备使用周期提供了一条捷径。
附图说明
附图1是本发明的原理图。
附图2是本发明具有旋转式死点传感器的结构示意图。
附图3是本发明具有应变式死点传感器的结构示意图。
附图4是本发明具有角度式死点传感器的结构示意图。
附图5是本发明动态定位方法实现方式的整体框图。
附图6是附图2、附图3、附图4中具有旋转式死点传感器的减速机的结构示意图。
附图7是本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。
实施例一
一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，在游梁式抽油机的不同位置上安装多点传感器对抽油机各个部分的运动状态进行数据采集整理，结合已知的游梁式抽油机的位置因数和扭矩因数，再利用上位机***内置的专用程序和计算方法进行***综合定位，由电机的旋转运动状态直接推导出悬点的直线运动状态。
计算公式其中M：传动比(电机端∶曲柄端)。
Q1：单位时间内电机旋转的圈数(由电机角位移传感器测得)。
Q2：单位时间内曲柄旋转的圈数(由死点传感器测得)。
e：电机角位移传感器分辨率。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于，如附图1所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，首先依据电机角位移传感器与起始点传感器提供的电机相对起始点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度实时数据，导出曲柄相对起始点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度，然后利用游梁式抽油机所固有的位置因数和扭矩因数，得出电机相对于下死点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度与悬点相对下死点的线位移、线速度与线加速之间的对应关系；最后预设悬点的运行速度与加速的分布方案后，反向导出电机的速度与加速度预设运行方案。
实施例三
本实施例与实施例一的不同之处在于，如附图1所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，首先单片机***将检测到的电机角位移传感器信号和曲柄死点传感器信号经计算处理后建立电机与悬点之间的运动状态对应曲线，并结合所采集到的电机功率、电流的电参数通过单片机***分析处理后转换成为抽油机运动的数学模型作为数控装置进行控制的初始参照值，同时根据过程中光杆实时受力情况构造出合理的悬点速度分布曲线。
实施例四
一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，如附图2、附图5、附图6所示，其组成包括：具有主板信号端子a和主板信号端子b的单片机***1、电动机2所述电动机通过皮带轮组连接减速机4，所述电动机连接电机角位移传感器3，所述减速机连接旋转式死点传感器5。
电机角位移传感器安装在游梁式抽油机驱动电机的第二轴伸端(风扇端)，根据不同的电动机轴径有相应尺寸的传感器配套安装；旋转式死点传感器安装在游梁式抽油机的减速机输出轴19上，位于曲柄与减速机之间，其中发射极17固定在减速机输出轴上，并与曲柄同步旋转。接收极18(感应极)固定在减速机输出轴轴承外盖16上；电机角位移传感器和旋转式死点传感器与单片机***相连并将检测到的位置/位移信号传送到单片机***中。
实施例五
本实施例与实施例四的不同之处在于，如附图3所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述减速机连接曲柄6，所述曲柄连接平衡块14、支架7和连杆13，所述连杆与所述支架均连接游梁8，所述游梁连接应变式死点传感器20。应变式死点传感器安装在游梁式抽油机的游梁上部支架轴的正上方；电机角位移传感器和应变式死点传感器与单片机***相连并将检测到的位置/位移信号传送到单片机***中。
实施例六
本实施例与实施例五的不同之处在于，如附图4所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述游梁连接角度式死点传感器21。角度式死点传感器安装在游梁式抽油机支架上端的支架轴上；电机角位移传感器和死点传感器与角度式单片机***相连并将检测到的位置/位移信号传送到单片机***中。
实施例七
本实施例与实施例五或实施例六的不同之处在于，如附图3、附图4所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述游梁连接驴头10，所述驴头通过吊绳11连接悬绳器12；所述游梁与所述支架之间装有支架轴9，所述游梁与所述连杆之间装有连杆轴29，所述支架、所述连杆与所述曲柄之间通过曲柄连接，所述支架、所述连杆、所述曲柄之间相对转动。
实施例八
本实施例与实施例五或实施例六的不同之处在于，如附图3、附图4所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述减速机与所述支架均连接底座15，所述减速机具有减速机输出轴，所述电机具有电机输出轴；所述皮带轮组包括电机皮带轮，所述电机皮带轮通过皮带30连接减速机皮带轮，所述减速机皮带轮装在所述减速机输出轴上，所述电机皮带轮装在所述电机输出轴上。
实施例九
本实施例与实施例四或实施例五或实施例六的不同之处在于，如附图6所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述电机角位移传感器具有信号处理电路24，所述信号处理电路连接死点信号采集电路22、角位移信号采集电路23、时钟信号电路25、角位移信号输出电路26、死点信号输出电路27、上位机数据通讯电路28。
死点信号采集电路，由上拉电阻R3、滤波电容C4连接构成，信号输入后经上拉电阻R3提高电平并经滤波电容C4消除干扰提高信号质量后输出。
角位移信号采集电路，由上拉电阻R2、滤波电容C3连接构成，信号输入后经上拉电阻R2提高电平并经滤波电容C3消除干扰提高信号质量后输出。
信号处理电路，由单片机、数据存储器和运算器组成，对信号采集电路发送过来的传感器信号进行位置、倍频及特殊算法处理和速度、位置运算。
时钟信号电路，由石英体振荡器Y1、滤波电容C7、C8组成，为单片机***提供稳定的时钟信号。
角位移信号输出电路，由限流电阻R17、分压电阻R18、功率放大三极管Q2及滤波电容C10构成。
死点信号输出电路，由限流电阻R14、分压电阻R15、功率放大三极管Q1及滤波电容C9构成。
上位机数据通讯电路，由专用通讯电路模块组成，以MODBUS协议的格式发送单片机***送来的数据。
实施例十
本实施例与实施例九的不同之处在于，如附图7所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述死点信号采集电路包括主板信号端子b，所述主板信号端子b连接电阻R3和滤波电容C4，所述电阻R3连接电源Vcc；所述主板信号端子b连接所述信号处理电路。
实施例十一
本实施例与实施例九的不同之处在于，如附图7所示，所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，所述死点信号采集电路包括主板信号端子a，所述主板信号端子a连接电阻R2和滤波电容C3，所述电阻R2连接电源Vcc；所述主板信号端子a连接所述信号处理电路。
本实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，其特征在于在游梁式抽油机的不同位置上安装多点传感器对抽油机各个部分的运动状态进行数据采集整理，结合已知的游梁式抽油机的位置因数和扭矩因数，再利用上位机***内置的专用程序和计算方法进行***综合定位，由电机的旋转运动状态直接推导出悬点的直线运动状态。
2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，其特征在于首先依据电机角位移传感器与起始点传感器提供的电机相对起始点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度实时数据，导出曲柄相对起始点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度，然后利用游梁式抽油机所固有的位置因数和扭矩因数，得出电机相对于下死点的角位移、角坐标处的角速度与角加速度与悬点相对下死点的线位移、线速度与线加速之间的对应关系；最后预设悬点的运行速度与加速的分布方案后，反向导出电机的速度与加速度预设运行方案。
3.根据权利要求1所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法，其特征在于首先单片机***将检测到的电机角位移传感器信号和曲柄死点传感器信号经计算处理后建立电机与悬点之间的运动状态对应曲线，并结合所采集到的电机功率、电流的电参数通过单片机***分析处理后转换成为抽油机运动的数学模型作为数控装置进行控制的初始参照值，同时根据过程中光杆实时受力情况构造出合理的悬点速度分布曲线。
4.一种游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其组成包括：具有主板信号端子a和主板信号端子b的单片机***、电动机，其特征在于所述电动机通过皮带轮组连接减速机，所述电动机连接电机角位移传感器，所述减速机连接旋转式死点传感器。
5.根据权利要求4所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其特征在于所述减速机连接曲柄，所述曲柄连接平衡块、支架和连杆，所述连杆与所述支架均连接游梁，所述游梁连接应变式死点传感器或角度式死点传感器。
6.根据权利要求5所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其特征在于所述游梁连接驴头，所述驴头通过吊绳连接悬绳器；所述游梁与所述支架之间装有支架轴，所述游梁与所述连杆之间装有连杆轴，所述支架、所述连杆与所述曲柄之间通过曲柄连接，所述支架、所述连杆、所述曲柄之间相对转动。
7.根据权利要求5所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其特征在于所述减速机与所述支架均连接底座，所述减速机具有减速机输出轴，所述电机具有电机输出轴；所述皮带轮组包括电机皮带轮，所述电机皮带轮通过皮带连接减速机皮带轮，所述减速机皮带轮装在所述减速机输出轴上，所述电机皮带轮装在所述电机输出轴上。
8.根据权利要求4或5所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其特征在于所述电机角位移传感器具有信号处理电路，所述信号处理电路连接死点信号采集电路、角位移信号采集电路、时钟信号电路、角位移信号输出电路、死点信号输出电路、上位机数据通讯电路。
9.根据权利要求8所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其特征在于所述死点信号采集电路包括主板信号端子b，所述主板信号端子b连接电阻R3和滤波电容C4，所述电阻R3连接电源Vcc；所述主板信号端子b连接所述信号处理电路。
10.根据权利要求8所述的游梁式抽油机地面机械***动态定位方法所用的装置，其特征在于所述死点信号采集电路包括主板信号端子a，所述主板信号端子a连接电阻R2和滤波电容C3，所述电阻R2连接电源Vcc；所述主板信号端子a连接所述信号处理电路。
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