CN107681635B - 油井电机智能控制保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明的油井电机智能控制保护装置，涉及油井用电机保护设备，是由壳体，主控板和电源板构成，所述的壳体的正面设有按键显示板，壳体的顶面设有上导电板，壳体的底面设有下导电板和接线端子，所述的接线端子外接启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器，壳体的内部设有主控板、电源板和真空开关本发明的油井电机智能控制保护装置，其有益效果在于：该装置安装方便、操作简单，实现了一体化；由于真空开关的开关器件采用了真空管，其灭弧能力强，分断能力大、触头寿命长；由于真空开关的电磁驱动采用了直流励磁，克服了铁芯的磁带损耗，减小了能耗和噪声，而且降低了铁芯的成本；功能完善。

Description

油井电机智能控制保护装置

技术领域

本发明涉及油井用电机保护设备，尤其涉及一种油井电机智能控制保护装置。

背景技术

目前，油井的动力源都是电动机，包括游梁式抽油机、螺杆泵抽油机及潜油电泵抽油机。电动机的控制还是采用按钮+接触器+保护器的结构，实现本地的启停控制及保护停机功能。这种控制存在诸多的缺点和不足：一是普通接触器的触点寿命不够长，电磁线圈用交流励磁，功耗大，发热量高，易烧；二是接触器和保护器简单的组合，匹配度不高，所占的空间较大，而且接线复杂，故障多；三是功能单一，满足不了油井生产的多种功能需求，例如电机的定时启停控制、远程启停控制、电压线电压和电流三相电流的远程测量以及停机状态及停机原因的远程上报等功能，这些功能都是油田电机所需要的。

发明内容

本发明对于上述现有技术的不足，提供了一种油井电机智能控制保护装置。

本发明的油井电机智能控制保护装置，是由壳体，主控板和电源板构成，所述的壳体的正面设有按键显示板，壳体的顶面设有上导电板，壳体的底面设有下导电板和接线端子，所述的接线端子外接启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器，壳体的内部设有主控板、电源板和真空开关，所述的真空开关是由磁轭、电磁线圈、铁芯、衔铁、衔铁弹簧、转轴、拐臂、拉杆、压杆弹簧、连接块、动触杆和真空管构成，所述的磁轭固定于壳体内壁铁芯固定于磁轭上，铁芯外侧套有电磁线圈，衔铁位于铁芯的正前方，衔铁的下端与磁轭通过衔铁弹簧相连，衔铁的上端连接拐臂，拐臂为L形，拐臂通过转轴固定于壳体的内部，拐臂的顶部与拉杆连接，拉杆的下端与连接块连接，连接块的底部固定动触杆，动触杆电路连接上导电板，动触杆深入真空管内，动触杆的端头设有动触头，动触头位于真空管内，在真空管内，动触头的下方设有静触头，静触头与下导电板相连。

作为本发明的进一步改进，所述的主控板由电源变压器T1、整流模块、滤波模块、稳压模块1、稳压模块2、充电模块、充电电池E1、DC/DC隔离模块、信号处理模块1、信号处理模块2、A/D转换模块、光电隔离模块、微控制器MCU、时钟芯片DS12C877+、GSM模块、驱动模块1、继电器KA1、继电器KA2及插座ZKJ1～ZKJ7组成，插座ZKJ1既和电源变压器T1的输入端相连，又和电压互感器TV1的输入端相连；电源变压器T1的输出端和整流模块输入端相连；整流模块的输出端和滤波模块输入端相连；滤波模块的输出端和稳压模块1输入端相连；稳压模块1的输出端既和稳压模块2的输入端相连，又和DC/DC隔离模块相连；稳压模块2的输出端和充电模块的输入端相连；充电模块的输出端和充电电池E1相连；电压互感器TV1的输出端和信号处理模块1输入端相连；插座ZKJ4和信号处理模块2的输入端相连；信号处理模块1和信号处理模块2的输出端都和A/D转换模块相连；A/D转换模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ5和光电隔离模块相连；光电隔离模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ6和微处理器MCU相连；时钟芯片DS12C877+和微处理器MCU相连；插座ZKJ7和GSM模块相连；GSM模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ2和继电器KA1的输出端相连；插座ZKJ3和继电器KA2的输出端相连；继电器KA1、KA2的输入端均和驱动模块1的输出端相连；驱动模块1的输入端和微处理器MCU相连。

作为本发明的进一步改进，所述的电源板由熔断器FU1、二极管D1～D4、电容C1及插座DYJ1～DYJ6组成，所述的插座DYJ1的1端和熔断器FU1的一端相连，FU1的另一端既和插座DYJ2的2端相连，又和二极管D1、D3的连接端相连；插座DYJ1的2端既和插座DYJ2的1端相连，又和插座DYJ3的1端相连；插座DYJ3的2端和二极管D2、D4的连接端相连；二极管D3、D4的连接端和插座DYJ5的1端相连；二极管D1、D2的连接端和插座DYJ5的2端相连；插座DYJ4的1端既和电容C1的一端相连，也和插座DYJ6的1端相连；插座DYJ4的2端既和电容C1的另一端相连，也和插座DYJ6的2端相连。

作为本发明的进一步改进，所述的电源板的插座DYJ1外接交流380V电源；插座DYJ2通过排线和主控板的插座ZKJ1相连；插座DYJ3通过排线和主控板2的插座ZKJ2相连；插座DYJ4通过排线和主控板2的插座ZKJ3相连；电磁线圈由启动线圈、维持线圈、二极管D5及插头DXJ1、DXJ2组成，插座DYJ5和电磁线圈的插头DXJ1相连；插座DYJ6和电磁线圈的插头DXJ2相连；主控板的插座ZKJ4和电流互感器相连；插座ZKJ5和启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器相连；插座ZKJ6通过排线和按键显示板的插座AXJ1相连；插座ZKJ7和GSM天线相连。

作为本发明的进一步改进，所述的按键显示板由电阻R1～R6、发光二极管D6、二极管D7、三极管V1、蜂鸣器Y1、数码管及键盘接口芯片BC7281BES、驱动模块2、数码管、按键S1～S4及插座AXJ1组成，插座AXJ1既和接口芯片BC7281BES相连，又和发光二极管D6负极相连，又和电阻R2一端相连；发光二极管D6的正极和电阻R1相连；电阻R1的另一端和插座AXJ1相连；电阻R2的另一端和三极管V1的基极相连；三极管V1的发射极和插座AXJ1相连；三极管V1的集电极和蜂鸣器的正极相连；蜂鸣器的负极接地；接口芯片BC7281BES和驱动模块2相连；驱动模块2和数码管相连；接口芯片BC7281BES和电阻R3～R6相连；R3～R6分别和按键S1～S4相连；按键S1～S4的另一端连在一起再和二极管D7的负极相连；二极管D7的正极和驱动模块2相连。

本发明的油井电机智能控制保护装置，其有益效果在于：

(1)该装置安装方便、操作简单，实现了一体化，其接线简单只需接三相电源、本地启停按钮、GSM天线，以及连接在游梁式抽油机上的上支点传感器、下支点传感器和人体红外传感器，同时其将真空开关、电磁机构和电路板有机整合在一起，体积小、便于操作；

(2)由于真空开关的开关器件采用了真空管，其灭弧能力强，分断能力大、触头寿命长；

(3)由于真空开关的电磁驱动采用了直流励磁，克服了铁芯的磁带损耗，减小了能耗和噪声，而且降低了铁芯的成本；

(4)功能完善：一是定时启停功能，实现了油井的间抽；二是针对游梁式抽油机的上冲程电流、下冲程电流及冲速的测量及远程读取，实现了工作人员不必到现场就可完成相关数据的报表任务；三是停机原因远程及时上报功能，解决了油井停机不能及时被发现，故障不能及时被处理，影响油井的产量；四是远程启停功能，实现了油井的远程控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明侧视图；

图3为本发明仰视图；

图4为本发明的真空开关结构示意图；

图5为本发明的电源板电路组成图；

图6为本发明的电磁线圈电路组成图；

图7为本发明的主控板电路组成图；

图8为本发明的按键显示板电路组成图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的油井电机智能控制保护装置，是由壳体1，主控板2和电源板3构成，所述的壳体1的正面设有按键显示板4，壳体1的顶面设有上导电板5，壳体1的底面设有下导电板6和接线端子7(如图3)，所述的接线端子7外接启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器，壳体1的内部设有主控板2、电源板3和真空开关8(如图2)，所述的真空开关8用于接通和断开油井电机三相电源、其是由磁轭9、电磁线圈10、铁芯11、衔铁12、衔铁弹簧13、转轴14、拐臂15、拉杆16、压杆弹簧17、连接块18、动触杆19和真空管20构成(如图4)，所述的磁轭9固定于壳体1内壁铁芯11固定于磁轭9上，铁芯11外侧套有电磁线圈10，衔铁12位于铁芯11的正前方，衔铁12的下端与磁轭9通过衔铁弹簧13相连，此结构主要用于驱动真空开关8分合，其采用直流励磁，其减小振动噪声、降低功率损耗、线圈不易过热、寿命长；衔铁12的上端连接拐臂15，拐臂15为L形，拐臂15通过转轴14固定于壳体1上，拐臂15的顶部连接了拉杆16，拉杆16的下端与连接块18连接，连接块18的底部固定动触杆19，连接块18通过软连接与外部的上导电板5连接，动触杆19深入真空管20内，动触杆19的端头设有动触头，动触头位于真空管20内，在真空管20内，动触头的下方设有静触头，静触头与下导电板6相连；所述的动触头和静触头均封闭在真空开关管内，其灭弧能力强、分断能力大、触头寿命长,特别适用于频繁操作。

使用时，当电磁线圈10失电，即无励磁电流时，在衔铁弹簧13推力作用下，衔铁12向左运动，带动拐臂15以转轴14为中心逆时针转动，拐臂15通过拉杆16带动动触杆19向上运动，即动触头向上运动，动触头与静触头分开，实现断开功能；当电磁线圈10得电，即有励磁电流时，在电磁吸力的作用下，衔铁12向右运动，衔铁12带动拐臂15以转轴14为中心顺时针转动，拐臂15通过压杆弹簧17使动触19杆向下运动，即动触头向下运动，动触头与静触头闭合，实现接通功能。

本装置的电路采用多种传感器和微控制器MCU，保证了智能化及多功能化的实现。电路由三部分组成，即主控板2、电源板3和按键显示板4。

如图5所示，主控板2由电源变压器T1、整流模块、滤波模块、稳压模块1、稳压模块2、充电模块、充电电池E1、DC/DC隔离模块、信号处理模块1、信号处理模块2、A/D转换模块、光电隔离模块、微控制器MCU、时钟芯片DS12C877+、GSM模块、驱动模块1、继电器KA1、继电器KA2及插座ZKJ1～ZKJ7组成，插座ZKJ1既和电源变压器T1的输入端相连，又和电压互感器TV1的输入端相连；电源变压器T1的输出端和整流模块输入端相连；整流模块的输出端和滤波模块输入端相连；滤波模块的输出端和稳压模块1输入端相连；稳压模块1的输出端既和稳压模块2的输入端相连，又和DC/DC隔离模块相连；稳压模块2的输出端和充电模块的输入端相连；充电模块的输出端和充电电池E1相连；电压互感器TV1的输出端和信号处理模块1输入端相连；插座ZKJ4和信号处理模块2的输入端相连；信号处理模块1和信号处理模块2的输出端都和A/D转换模块相连；A/D转换模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ5和光电隔离模块相连；光电隔离模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ6和微处理器MCU相连；时钟芯片DS12C877+和微处理器MCU相连；插座ZKJ7和GSM模块相连；GSM模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ2和继电器KA1的输出端相连；插座ZKJ3和继电器KA2的输出端相连；继电器KA1、KA2的输入端均和驱动模块1的输出端相连；驱动模块1的输入端和微处理器MCU相连。

如图6所示，电源板3由熔断器FU1、二极管D1～D4、电容C1及插座DYJ1～DYJ6组成，所述的插座DYJ1的1端和熔断器FU1的一端相连，FU1的另一端既和插座DYJ2的2端相连，又和二极管D1、D3的连接端相连；插座DYJ1的2端既和插座DYJ2的1端相连，又和插座DYJ3的1端相连；插座DYJ3的2端和二极管D2、D4的连接端相连；二极管D3、D4的连接端和插座DYJ5的1端相连；二极管D1、D2的连接端和插座DYJ5的2端相连；插座DYJ4的1端既和电容C1的一端相连，也和插座DYJ6的1端相连；插座DYJ4的2端既和电容C1的另一端相连，也和插座DYJ6的2端相连。

所述的电源板3的插座DYJ1外接交流380V电源；插座DYJ2通过排线和主控板2的插座ZKJ1相连；插座DYJ3通过排线和主控板2的插座ZKJ2相连；插座DYJ4通过排线和主控板2的插座ZKJ3相连；电磁线圈10由启动线圈、维持线圈、二极管D5及插头DXJ1、DXJ2组成(如图7)，插座DYJ5和电磁线圈10的插头DXJ1相连；插座DYJ6和电磁线圈10的插头DXJ2相连；主控板2的插座ZKJ4和电流互感器相连；插座ZKJ5和启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器相连；插座ZKJ6通过排线和按键显示板4的插座AXJ1相连；插座ZKJ7和GSM天线相连。

如图8所示，按键显示板4由电阻R1～R6、发光二极管D6、二极管D7、三极管V1、蜂鸣器Y1、数码管及键盘接口芯片BC7281BES、驱动模块2、数码管、按键S1～S4及插座AXJ1组成，插座AXJ1既和接口芯片BC7281BES相连，又和发光二极管D6负极相连，又和电阻R2一端相连；发光二极管D6的正极和电阻R1相连；电阻R1的另一端和插座AXJ1相连；电阻R2的另一端和三极管V1的基极相连；三极管V1的发射极和插座AXJ1相连；三极管V1的集电极和蜂鸣器的正极相连；蜂鸣器的负极接地；接口芯片BC7281BES和驱动模块2相连；驱动模块2和数码管相连；接口芯片BC7281BES和电阻R3～R6相连；R3～R6分别和按键S1～S4相连；按键S1～S4的另一端连在一起再和二极管D7的负极相连；二极管D7的正极和驱动模块2相连。

本发明的工作流程为：当主控板2的MCU接收到本地启动按钮主控板2的插座ZKJ5外接的启停按钮按下信号或GSM模块接收到的远程启动信号或定时启动信号后，MCU发出控制信号，控制继电器KA2先得电，它的常开触点闭合，将电磁线圈的维持部分短路，100毫秒后，KA1也得电，它的常开触点闭合，电源板3的整流桥得电，整流输出直流给电磁线圈的启动部分供电，励磁电流较大，产生足够的电磁吸力，通过电磁机构使真空开关闭合；启动3秒后，KA2失电，此时电源板3整流桥输出的直流同时给电磁线圈的启动和维持部分供电，励磁电流较小，减小能耗，而且产生的电磁吸力足以维持真空开关闭合；为了保证GSM远程启动及定时启动的安全，对于游梁式抽油机，还要检测油井平衡块下是否有人，只有检测到无人的情况下，方能执行启动，而平衡块下有无人的检测是通过主控板2的插座ZKJ5外接人体红外传感器来检测的。当主控板2的MCU接收到本地停止按钮按下或GSM模块接收到的远程停止信号或定时停信号后，MCU发出控制信号，KA1和KA2同时失电，常开触点断开，电源板3的整流桥失电，电磁线圈无励磁电流，电磁吸力消失，电磁机构驱动真空开关断开。装置的定时启、停功能的定时功能是通过主控板2上的DS12C877实钟芯片来完成的，由于其内部自带锂电池，即使外部掉电，内部信息也能长期保持，避免了停电再来电后，时间需要重新校对的麻烦。

电源电压的测量是通过主控板2上的电压互感器TV1将电源电压进行变换，再经过信号处理，再经过A/D转换变为数字量，再经过微控制器MCU的换算，最后通过按键显示板4的显示器件显示出来。负载电流的测量是通过主控板2的插座ZKJ4外接电流互感器将电流进行变换，再经过信号处理，再经过A/D转换变为数字量，再经过微控制器MCU的换算，最后通过按键显示板4的显示器件显示出来。对于游梁式抽油机测量上冲程电流和下冲程电流原理是先是通过主控板的插座ZKJ5外接上死点传感器和下死点传感器来检测上死点位置和下死点位置，在此基础上，测量出从下死点运动到上死点过程中的最大电流，即上冲程电流；测量从下死点运动到下死点过程中的最大电流，即下冲程电流；测量在一分钟内完成的冲次数，即是冲速。一个冲次是指抽油杆从下死点运动到上死点，再从上死点运动到下死点的过程。

通过按键显示板4中的设置按键，进行上限电压、下限电压、过载电流、轻载电流、三相电流不对称度的设置后，主控板2上的微控制器MCU将上述这些设定值和实时测量值进行比较，做出判断，执行相应的过压保护、欠压保护、过载保护、空载断皮带保护、缺相保护，这些保护的执行都是通过主控板2的继电器KA1和KA2动作，常开触点断开，使真空开关断开，切断油井电机电源来实施保护，停机原因以故障代码的形式在按键显示板4的显示窗口显示。

通过主控板2上的GSM模块，实现该装置和手机之间信息传递。手机访问该装置采用的是“密码+功能码”的形式，密码设置由该装置绑定的一部手机有权限设置，其它手机可以通过“密码+功能码”的形式完成对该装置的访问。如相关的工作人员可以通过自己的手机，向该装置的GSM模块发送“密码+功能码”，当GSM模块收到信息后，通过微控制器MCU的分析，根据功能码的要求，执行相应的任务，如控制油井电机的启停；读取电压、电流的测量值；对于游梁式抽油机还可以读取上冲程电流、下冲程电流、冲速；当油田电机停机时，微控制器MCU通过GSM模块向油井管理人员的手机及时发出停机的原因，如人为停机、停电停机、过电压停机、欠电压停机、过载停机、空载断皮带停机、缺相停机等。为了保证“停电停机”信息能够正常传输，该装置配备了充电池和充电模块，保证电源断电后，MCU和GSM模块还能正常工作一段时间。

Claims (4)

1.油井电机智能控制保护装置，是由壳体(1)，主控板(2)和电源板(3)构成，其特征在于所述的壳体(1)的正面设有按键显示板(4)，壳体(1)的顶面设有上导电板(5)，壳体(1)的底面设有下导电板(6)和接线端子(7)，所述的接线端子(7)外接启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器，壳体(1)的内部设有主控板(2)、电源板(3)和真空开关(8)，所述的真空开关(8)是由磁轭(9)、电磁线圈(10)、铁芯(11)、衔铁(12)、衔铁弹簧(13)、转轴(14)、拐臂(15)、拉杆(16)、压杆弹簧(17)、连接块(18)、动触杆(19)和真空管(20)构成，所述的磁轭(9)固定于壳体(1)内壁，铁芯(11)固定于磁轭(9)上，铁芯(11)外侧套有电磁线圈(10)，衔铁(12)位于铁芯(11)的正前方，衔铁(12)的下端与磁轭(9)通过衔铁弹簧(13)相连，衔铁(12)的上端连接拐臂(15)，拐臂(15)为L形，拐臂(15)通过转轴(14)固定于壳体(1)的内部，拐臂(15)的顶部与拉杆(16)相连，拉杆(16)的下端与连接块(18)相连，连接块(18)的底部固定动触杆(19)，动触杆(19)电路连接上导电板(5)，动触杆(19)深入真空管(20)内，动触杆(19)的端头设有动触头，动触头位于真空管(20)内，在真空管(20)内，动触头的下方设有静触头，静触头与下导电板(6)相连；所述主控板(2)由电源变压器T1、整流模块、滤波模块、稳压模块1、稳压模块2、充电模块、充电电池E1、DC/DC隔离模块、信号处理模块1、信号处理模块2、A/D转换模块、光电隔离模块、微控制器MCU、时钟芯片DS12C877+、GSM模块、驱动模块1、继电器KA1、继电器KA2及插座ZKJ1～ZKJ7组成，插座ZKJ1既和电源变压器T1的输入端相连，又和电压互感器TV1的输入端相连；电源变压器T1的输出端和整流模块输入端相连；整流模块的输出端和滤波模块输入端相连；滤波模块的输出端和稳压模块1输入端相连；稳压模块1的输出端既和稳压模块2的输入端相连，又和DC/DC隔离模块相连；稳压模块2的输出端和充电模块的输入端相连；充电模块的输出端和充电电池E1相连；电压互感器TV1的输出端和信号处理模块1输入端相连；插座ZKJ4和信号处理模块2的输入端相连；信号处理模块1和信号处理模块2的输出端都和A/D转换模块相连；A/D转换模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ5和光电隔离模块相连；光电隔离模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ6和微处理器MCU相连；时钟芯片DS12C877+和微处理器MCU相连；插座ZKJ7和GSM模块相连；GSM模块和微处理器MCU相连；插座ZKJ2和继电器KA1的输出端相连；插座ZKJ3和继电器KA2的输出端相连；继电器KA1、KA2的输入端均和驱动模块1的输出端相连；驱动模块1的输入端和微处理器MCU相连。

2.如权利要求1所述的油井电机智能控制保护装置，其特征在于所述的电源板(3)由熔断器FU1、二极管D1～D4、电容C1及插座DYJ1～DYJ6组成，所述的插座DYJ1的1端和熔断器FU1的一端相连，FU1的另一端既和插座DYJ2的2端相连，又和二极管D1、D3的连接端相连；插座DYJ1的2端既和插座DYJ2的1端相连，又和插座DYJ3的1端相连；插座DYJ3的2端和二极管D2、D4的连接端相连；二极管D3、D4的连接端和插座DYJ5的1端相连；二极管D1、D2的连接端和插座DYJ5的2端相连；插座DYJ4的1端既和电容C1的一端相连，也和插座DYJ6的1端相连；插座DYJ4的2端既和电容C1的另一端相连，也和插座DYJ6的2端相连。

3.如权利要求1所述的油井电机智能控制保护装置，其特征在于电源板(3)的插座DYJ1外接交流380V电源；插座DYJ2通过排线和主控板(2)的插座ZKJ1相连；插座DYJ3通过排线和主控板(2)的插座ZKJ2相连；插座DYJ4通过排线和主控板(2)的插座ZKJ3相连；电磁线圈(10)由启动线圈、维持线圈、二极管D5及插头DXJ1、DXJ2组成，插座DYJ5和电磁线圈(10)的插头DXJ1相连；插座DYJ6和电磁线圈(10)的插头DXJ2相连；主控板(2)的插座ZKJ4和电流互感器相连；插座ZKJ5和启停按钮、人体红外传感器、上死点传感器、下死点传感器相连；插座ZKJ6通过排线和按键显示板(4)的插座AXJ1相连；插座ZKJ7和GSM天线相连。

4.如权利要求1所述的油井电机智能控制保护装置，其特征在于按键显示板(4)由电阻R1～R6、发光二极管D6、二极管D7、三极管V1、蜂鸣器Y1、数码管及键盘接口芯片BC7281BES、驱动模块2、数码管、按键S1～S4及插座AXJ1组成，插座AXJ1既和接口芯片BC7281BES相连，又和发光二极管D6负极相连，又和电阻R2一端相连；发光二极管D6的正极和电阻R1相连；电阻R1的另一端和插座AXJ1相连；电阻R2的另一端和三极管V1的基极相连；三极管V1的发射极和插座AXJ1相连；三极管V1的集电极和蜂鸣器的正极相连；蜂鸣器的负极接地；接口芯片BC7281BES和驱动模块2相连；驱动模块2和数码管相连；接口芯片BC7281BES和电阻R3～R6相连；R3～R6分别和按键S1～S4相连；按键S1～S4的另一端连在一起再和二极管D7的负极相连；二极管D7的正极和驱动模块2相连。

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