CN104393810A - 一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法 - Google Patents

Abstract

一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，属于潜油电机配电领域。为了解决现有配电方法中不能够及时地可靠地对潜油电机实现调整和保护的问题。本发明是基于上位机和数据采集卡实现的，上位机采用LabVIEW实现的，它包括：建立与数据采集卡实时通讯的步骤；输入采样信号并存储的步骤；根据采样信号，运行状态子VI对电机运行状态进行监控，将监控到的温度发送给控制信号子VI的步骤；当控制信号子VI判断出监控的温度超出设定的阈值范围，获得此时潜油电机负载对应的频率，并根据所述频率，向数据采集卡发送相应的电压控制信号及最佳压频比的步骤；实时显示监控的温度并存储的步骤。它用于潜油电机配电。

Description

一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法

技术领域

本发明属于潜油电机配电领域。

背景技术

潜油电机一般在地下2km～3km深处工作，通过长线电缆与地面电源连接。由于潜油电机的工作空间极其狭小，散热效果十分不好，因此电机的各方面运行情况监测显得尤其重要，但是现有技术不能够及时地可靠地对潜油电机实现调整和保护。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有配电方法中不能够及时地可靠地对潜油电机实现调整和保护的问题，提供一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法。

本发明包括以下步骤：

所述方法是基于上位机和数据采集卡实现的，所述上位机采用LabVIEW实现的，它包括如下步骤：

建立与数据采集卡的实时通讯的步骤；

输入采样信号，并将所述采样信号进行存储的步骤；

根据采样信号，运行状态子VI对电机的运行状态进行监控，并将监控到的温度信号发送给控制信号子VI的步骤；

当控制信号子VI判断出监控的温度信号超出设定的阂值范围，获得此时潜油电机的负载对应的频率，并根据所述频率，向数据采集卡发送相应的电压控制信号及最佳压频比的步骤；数据采集卡将电压控制信号及最佳压频比输入给变频器进而控制潜油电机配电；

实时显示监控的温度，同时将所述监控的温度进行存储的步骤。

运行状态子VI包括参数辨识子VI、电感辨识子VI、转速辨识子VI、温度辨识子VI和温度预测子VI。

所述参数辨识子VI参数辨识的过程为：

对采样信号分别进行滤波和傅里叶变换，滤波后得到当前电压和电流有效值，并将当前电压和电流有效值发送给电感辨识子VI，对傅里叶变换的信号根据基频选择不同频率范围找出转子槽谐波的位置，并将所述位置发送给转速辨识子VI。

所述电感辨识子VI电感辨识的过程为：

由不同负载情况下对应的电压和电流有效值，构成矩阵方程，结合LabVIEW自带的伪逆矩阵函数块求解构成的矩阵方程，最终获得定转子电感、互感和漏磁系数，并输入给转速辨识子VI。

转速辨识子VI的转速辨识过程为：

根据输入的定转子电感、互感和漏磁系数，再结合输入的采样信号中的定子电压、电流，建立潜油电机的模型辨识出电机的参数，再结合输入的转子槽谐波的位置，通过转子槽谐波方法进一步得到电机转差率和电机转速，并发送给温度辨识子VI和温度预测子VI。

温度预测子VI温度预测的过程为：

在公式节点中计算出电机状态方程中的矩阵系数，所述状态方程以字符串的形式送入LabVIEW的欧拉函数模块中，用欧拉方法解微分方程，根据解出的微分方程计算200个点的迭代结果，根据所述结果和输入的电机转差率和电机转速得出温度预测曲线，根据所述温度预测曲线得到温度预测终值，将所述终值发送给控制信号子VI。

温度辨识子VI的温度辨识过程为：

根据输入的电机转差率和电机转速，进行地面离线实验，获得潜油电机的转速-温度曲线，进而辨识出潜油电机唯一的温度。

所述方法还包括：

当控制信号子VI判断出监控的温度信号超出设定的阂值范围，进行采用报警器进行声光报警的步骤。

所述方法还包括：

根据存储的数据，生成潜油电机运行状态报告的步骤；

将存储的数据和潜油电机运行状态报告打印的步骤。本发明的有益效果：本发明实现数字化油井控制室内的远端实时通讯、状态监控、定期测试、自动报警、数据统计等功能，用LabVIEW开发潜油电机远程状态监控上位机组态。最终要达到的结果为在上位机中根据温升预测趋势实时监测电机所处的运行状态并根据稳态温度预测终值进行准确的故障诊断，进而开启反馈控制算法，即针对不同的负载情况通过上位机发出相应电压信号进行降频调速，同时匹配最佳压频比，既预防电机因过热而发生故障又使损耗降至最低，达到基于自适应智能配电分析的数字化油井状态实时监控，具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图。

图2为具体实施方式一所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，所述方法是基于上位机和数据采集卡实现的，所述上位机采用LabVIEW实现的，它包括如下步骤：

建立与数据采集卡的实时通讯的步骤；

输入采样信号，并将所述采样信号进行存储的步骤；

根据采样信号，运行状态子VI对电机的运行状态进行监控，并将监控到的温度信号发送给控制信号子VI的步骤；

当控制信号子VI判断出监控的温度信号超出设定的阂值范围，获得此时潜油电机的负载对应的频率，并根据所述频率，向数据采集卡发送相应的电压控制信号及最佳压频比的步骤；数据采集卡将电压控制信号及最佳压频比输入给变频器进而控制潜油电机配电；

实时显示监控的温度，同时将所述数据进行存储的步骤。

本实施方式中的LabVIEW是一种用计算机硬件和操作***模拟并替代各种传统仪器功能的虚拟化平台。这种虚拟仪器平台可以模拟测量及控制过程中几乎所有的软硬件设备，不需要用实际的仪器前面板，也不受硬件测量电路与自带软件程序的限制，其功能完全由用户自定义。因此采用这种虚拟仪器技术开发功能强大且性价比极高的软件，能够方便地实现数据的采集、分析、显示、存储、共享等功能。

本实施方式的数据采集卡采用的是研华公司PCI-1711型多功能采集卡。研华公司提供的PCI系列LabVIEW驱动为数据采集与控制提供了功能丰富函数模块，用户只需直接调用即可。

LabVIEW中的驱动函数以子VI的形式给出，在编程过程中直接调用这些子VI，即可通过板卡完成数据的输入输出操作。因此，以PCI-1711数据采集卡为硬件平台，借助LabVIEW驱动程序提供的子VI函数，可方便的进行信号采集与仪器控制。

研华PCI-1711数据采集卡包含16路单端模拟量输入和2路模拟量输出，由于本十实施方式想要实现的目标是将电压电流传感器采集到的信号通过数据采集卡输入到上位机中，经过计算处理后输出一个0～10V的电压信号再通过数据采集卡送至变频器的模拟量输入端口，因此实时通讯部分的程序设计包括两部分：一是多通道模拟量输入信号的采样部分；二是模拟量信号的输出部分。

首先在后面板中研华公司的LabVIEW函数库中，找到SelectDevicePop函数，置于程序框图中，用于弹出对话框选择合适的设备。如果无扩张板则返回0到条件结构，即“假”，同时输出安装在Device Manager下的硬件号。如果有扩张板，则返回“真”，并用SelectModulePop函数弹出对话框窗口安装指定子设备，列表供用户选择并输出子设备号。添加打开设备函数DeviceOpen，然后经DeviceOpen函数加载设备驱动程序到内存，完成数据采集设备的初始化，使其做好I/O准备工作。

在前面板中添加两个数值输入控件，用于采样通道信息的输入，然后添加波形显示控件和停止按钮控件等，同时后面板中出现对应的函数图标。然后在后面板中添加模拟量配置函数MAIConfig，通过MAIConfig函数以及所创建的输入控件在前面板中输入StartChannel及NumOfChans以确定输入通道信息，此处分别设置为0和2，即采样AI0通道和AI1通道的信号。再添加一个While循环结构，在循环结构中添加时钟函数和数值常量，用于软件设定采样频率。添加多通道模拟量电压输入函数MAIVoltageIn，将采集到的数据不断从设备缓存中读出。输出的VoltageList通过ArraySplit和前面板中所添加的波形显示控件在虚拟仪器波形图表中显示出相应的波形。通过一个或非函数构造循环条件，当程序出现错误或人为按下Boolean型按键Stop时循环结束，最后经过设备关闭函数DeviceClose关闭设备，并释放资源，为下一个DeviceOpen等操作做准备。

由于在温度监控的计算过程中需要单独的电压信号和电流信号，因此需要对多通道模拟量输入信号进行分解，此处采用“信号拆分”这一功能函数。此时经过信号拆分以及数组重排等函数后的两通道混合信号被拆分为电压采样信号和电流采样信号。

模拟量输出部分设备初始化的步骤与模拟量信号采样过程类似。然后在前面板中添加两个数值输入控件，一个用于通道号输入，一个用于模拟量电压值输入，再添加按钮控件和波形显示控件，将波形显示控件的Y轴标尺范围改为0-10。程序框图中，设备初始化函数添加后，加入While循环结构，再在循环结构中添加模拟量电压输出函数AOVoltageOut，其他函数同信号采样程序框图，分别将数值输入控件、按钮控件、波形显示控件拖入While循环结构中。

将前面板中的数值输入控件替换为垂直指针滑动控件。在数据采集卡对应的输出端口用万用表测量输出信号电压值，与前面板中输入信号一致，即可以输出满足数据采集卡需要的0-10V连续变化的电压信号。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法的进一步限定，运行状态子VI包括参数辨识子VI、电感辨识子VI、转速辨识子VI、温度辨识子VI和温度预测子VI。

当采样信号被准确采入、分离后，需要对电机的运行状态进行监控，其中主要包括参数辨识、转速辨识、温度辨识、温度预测、控制信号，由于程序算法比较复杂，运行过程中会占用较大的内存空间，因此将代码封装成子VI，通过调用子VI的方式实现程序的各种功能，同时也使程序更加简洁，逻辑关系更加清晰。

将多通道模拟量输入部分的程序代码与模拟量输出部分的程序代码相结合，While循环外部关于设备打开、设备初始化与设备关闭的代码共用，在While循环内部嵌套一个For循环，用于信号的采样，采样频率设为5kHz，总数接线端N，即For循环内部的代码执行次数设置为10000，通过For循环索引隧道将得到电压、电流信号每采样10000个点构成的一位数组。在For循环外部添加状态监控子VI，然后将一维数组输入到状态监控子VI中进行运算，在输出转速温度的同时发出反馈信号VC，输入到AOVoltageOut端口中，进而控制电机变频调速。

主程序While循环每执行一次，状态监控程序的输入输出更新一次，为实现相关参数的反馈，需要在主程序的While循环中添加移位寄存器，并对移位寄存器赋初值进行初始化，每次程序运行时调用前一次的运行结果，只要VI不退出，寄存器一直保持前一次的值。采用这种循环中的移位寄存器来实现各参量的循环反馈。

所述参数辨识子VI参数辨识的过程为：

对采样信号分别进行滤波和傅里叶变换，滤波后得到当前电压和电流有效值，并将当前电压和电流有效值发送给电感辨识子VI，对傅里叶变换的信号根据基频选择不同频率范围找出转子槽谐波的位置，并将所述位置发送给转速辨识子VI。

所述电感辨识子VI电感辨识的过程为：

由不同负载情况下对应的电压和电流有效值，构成矩阵方程，结合LabVIEW自带的伪逆矩阵函数块求解构成的矩阵方程，最终获得定转子电感、互感和漏磁系数，并输入给转速辨识子VI。

所述转速辨识子VI的转速辨识过程为：

根据输入的定转子电感、互感和漏磁系数，再结合输入的采样信号中的定子电压、电流，建立潜油电机的模型辨识出电机的参数，再结合输入的转子槽谐波的位置，通过转子槽谐波方法进一步得到电机转差率和电机转速，并发送给温度辨识子VI和温度预测子VI。

所述温度预测子VI温度预测的过程为：

在公式节点中计算出电机状态方程中的矩阵系数，所述状态方程以字符串的形式送入LabVIEW的欧拉函数模块中，用欧拉方法解微分方程，根据解出的微分方程计算200个点的迭代结果，根据所述结果和输入的电机转差率和电机转速得出温度预测曲线，根据所述温度预测曲线得到温度预测终值，将所述终值发送给控制信号子VI。

在子VI程序中，均用到了公式节点，用这种与C语言类似的表达式代替部分计算程序，可以简化程序代码。

所述温度辨识子VI的温度辨识过程为：

根据输入的电机转差率和电机转速，进行地面离线实验，获得潜油电机的转速-温度曲线，进而辨识出潜油电机唯一的温度。

控制信号子VI整个控制过程将信号频率控制在20Hz到50Hz之间，并通过移位寄存器反馈到下一次循环中。最后将频率信号转化为对应的电压信号VC送入主程序的AOVoltageOut端口中，实现电机的变频调速控制。

综上所述，用LabVIEW图形化的编程语言编写不同功能的子VI程序代码，并结合实时通讯的建立，最终实现了电机状态的实时监测、故障诊断与在线控制。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法的进一步限定，

当控制信号子VI判断出监控的温度信号超出设定的阂值范围，进行采用报警器进行声光报警的步骤。

温度报警包括报警和预警两部分，在前面板中加入两个圆形指示灯控件，当辨识温度超过设定阂值时，报警灯亮，需要人为检查或停机维修。当温度预测终值超过设定阂值时，预警灯亮，提示电机即将温度过高发生故障，此时所开发的上位机程序会发送相应的信号进行自适应智能控制，也可以人为采取相应的措施。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法的进一步限定，

所述方法还包括：

根据存储的数据，生成潜油电机运行状态报告的步骤；

将存储的数据和潜油电机运行状态报告打印的步骤。

存储数据工用于生成潜油电机运行状态报告，当***出现问题时，通过记录数据的信息可以方便寻找并排查故障点，利于***的维护；另外在线的图像显示并不能给出精确的结果，有时工程技术人员需要针对特定的工况对数据进行进一步的分析、比对和研究，甚至需要修正程序代码，因此有必要对采集到的信号数据以及当前算法得出的结果进行存储。在程序框图中添加“写入测量文件Express VI”模块，在弹出的配置框中输入数据存入地址和文件名，文件格式可以选文本测量文件、二进制测量文件或Microsoft Excel文件。如选择将采样电压信号存入文本文件，存入数据的相关信息描述为voltage。从存入文件中可以清楚的看到该测量数据的具体信息，如日期、时间、通道及采样个数、测量值、描述信息等。

基于上述LabVIEW的监控***上位机组态，即图形化语言编程建立了软硬件之间的实时通讯，实现了模拟量信号的采样和输出，并在LabVIEW的程序框图中完成了电机运行状态的监控程序编写，同时实现了附加的温度告警以及数据存入的功能。

在上位机界面中实时观测到电机当前及未来的温度状态，并提前做出自适应控制，完整地实现了控制室内的在线状态监控全过程。

Claims (9)

1.一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：所述方法是基于上位机和数据采集卡实现的，所述上位机采用LabVIEW实现的，它包括如下步骤：

建立与数据采集卡的实时通讯的步骤；

输入采样信号，并将所述采样信号进行存储的步骤；

根据采样信号，运行状态子VI对电机的运行状态进行监控，并将监控到的温度信号发送给控制信号子VI的步骤；

当控制信号子VI判断出监控的温度信号超出设定的阈值范围，获得此时潜油电机的负载对应的频率，并根据所述频率，向数据采集卡发送相应的电压控制信号及最佳压频比的步骤；数据采集卡将电压控制信号及最佳压频比输入给变频器进而控制潜油电机配电；

实时显示监控的温度，同时将所述监控的温度进行存储的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：

运行状态子VI包括参数辨识子VI、电感辨识子VI、转速辨识子VI、温度辨识子VI和温度预测子VI。

3.根据权利要求2所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：

所述参数辨识子VI参数辨识的过程为：

对采样信号分别进行滤波和傅里叶变换，滤波后得到当前电压和电流有效值，并将当前电压和电流有效值发送给电感辨识子VI，对傅里叶变换的信号根据基频选择不同频率范围找出转子槽谐波的位置，并将所述位置发送给转速辨识子VI。

4.根据权利要求3所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：

所述电感辨识子VI电感辨识的过程为：

由不同负载情况下对应的电压和电流有效值，构成矩阵方程，结合LabVIEW自带的伪逆矩阵函数块求解构成的矩阵方程，最终获得定转子电感、互感和漏磁系数，并输入给转速辨识子VI。

5.根据权利要求4所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：转速辨识子VI的转速辨识过程为：

根据输入的定转子电感、互感和漏磁系数，再结合输入的采样信号中的定子电压、电流，建立潜油电机的模型辨识出电机的参数，再结合输入的转子槽谐波的位置，通过转子槽谐波方法进一步得到电机转差率和电机转速，并发送给温度辨识子VI和温度预测子VI。

6.根据权利要求5所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：温度预测子VI温度预测的过程为：

在公式节点中计算出电机状态方程中的矩阵系数，所述状态方程以字符串的形式送入LabVIEW的欧拉函数模块中，用欧拉方法解微分方程，根据解出的微分方程计算200个点的迭代结果，根据所述结果和输入的电机转差率和电机转速得出温度预测曲线，根据所述温度预测曲线得到温度预测终值，将所述终值发送给控制信号子VI。

7.根据权利要求5所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：温度辨识子VI的温度辨识过程为：

根据输入的电机转差率和电机转速，进行地面离线实验，获得潜油电机的转速-温度曲线，进而辨识出潜油电机唯一的温度。

8.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：所述方法还包括：

当控制信号子VI判断出监控的温度信号超出设定的阈值范围，进行采用报警器进行声光报警的步骤。

9.根据权利要求8所述的一种基于LabVIEW的潜油电机智能配电方法，其特征在于：所述方法还包括：

根据存储的数据，生成潜油电机运行状态报告的步骤；

将存储的数据和潜油电机运行状态报告打印的步骤。