CN110895396B - 游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法，该方法首先分析抽油机***运动规律和能量流通机理，建立电动机输入电功率积分值的变化和抽油机平衡度之间的关联关系数学模型；其次通过采集游梁式抽油机实时运行电参数，计算单位冲程或多冲程上、下冲程的功率积分比值在线检测抽油机***平衡度；最后根据计算得平衡度并判断抽油机运行***平衡状态，采用随动式伺服方法控制电动机带动丝杠调节平衡箱***置移动以改变平衡力矩从而实现抽油机的最佳平衡状态的调整。与相关技术相比，本发明的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置提高了抽油机平衡调节的工作效率和生产安全系数，节能率可达3％，其工程应用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种抽油机控制技术领域，尤其涉及一种游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置。
背景技术
游梁式抽油机平衡状态运行是保证安全高效采油的关键因素之一。抽油机处于不平衡状态时，会缩短电动机的使用寿命、增加抽油耗电量，破坏曲柄旋转速度的均匀性、使驴头上下摆动不均匀、影响抽油机和抽油泵的正常工作，引起抽油机的振动、缩短抽油机的使用寿命、严重情况甚至会造成不可预估的损失。
常规抽油机的平衡度调控主要有两种方式：一是由人工来增加抽油机自身的游梁平衡重或者移动曲柄平衡块，该方式基本上是由技术人员计算出曲柄平衡块所需要移动的距离或所需要增加的游梁平衡块数目之后，由操作人员进行高强度的平衡调节作业，这将导致平衡调节的工作效率低下、操作难度大、浪费人力物力，而且调整的精确度在很大程度上受人为主观操作的影响。二是当抽油机自身的平衡配重也不能够继续调节抽油机平衡时，通过在抽油机上安装平衡调节装置来继续调节，目前实现自动调节平衡的方式有直接更换数字化抽油机或在原抽油机上安装机械部件(卷筒装置)来实现的，这类调节方式都需要在停机静态情况下调平衡，属于静态调平方式，不能动态跟踪抽油机实时平衡状态而导致抽油机长期运行于不平衡状态。
因此，有必要提供一种新的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种操作方便、调节效率高且安全性好的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1、将所述抽油机的尾梁平衡重结构安装于尾梁，移动配重块调整至中间位置；
步骤S2、利用功率积分法作所述抽油机平衡度检测，根据公式(1)计算当前时刻平衡度PHD0；
公式(1)中，PHD为平衡度；EPt上、Ept下为单个冲程周期电机消耗的总电能，或多个冲程周期Ept上K、Ept下K的平均值。
其中，Ept下K是上冲程合相电能代数和，Ept上K是下冲程合相电能代数和，如公式(2)所示：
公式(2)中，t上是抽油机上死点位置的时间；t下是抽油机下死点位置的时间；I上、I下分别是上、下冲程过程中电机输入瞬时电流；U是瞬时电压值；T＝t下-t0表示一个冲程周期的时间；
当前抽油机处于非平衡状态时，统计当前时刻T1单位时间内的瞬时功率耗能量Ept0，表示如下；
步骤S3、根据随动调平k系数变化参照表判断平衡状态，确定调节系数k0值，根据随动调平调整约束函数调节位置满足约束条件L(3)后，进行单次调节后等待10min，再根据公式(1)计算当前平衡度PHD1并判断其平衡状态，如果达到平衡状态，则跳转至步骤7；随动调平调整约束函数如下：
其中，约束条件L(1)表示最终调节尾梁平衡重位置后的反馈平衡度与平衡范围差值的绝对值小于等于5％；约束条件L(2)是指是经过随动调节平衡后瞬时有功功率P1(t)与未调平时电机瞬时有功功率P(t)在同一T1单位时间内的耗电量有减小；约束条件L(3)表示配重箱在尾梁上的位置S(t)小于尾梁可移动范围S，可移动范围S如下式：
S(t)(i+1)＝S(t)(i)+k*ΔS,(i＝0,1,2,…)
其中，k＝{-3、-2、-1、0、1、2、3}，k*ΔS为当前调节平尾梁平衡重位移量且S(t)(i)-|k*ΔS|≥0，k取决于当前平衡度是否在平衡状态范围，如果不在范围，取决于当前平衡度与平衡状态范围的差值大小，具体k取值大小和方向参考表2进行实际调节,ΔS为单位移动距离。可调整距离S，单位m，尾梁电机上端点为S的零点位置，随动调平控制的起始点位置S(t)(0)为中间位置；
步骤S4、根据表随动调平k系数变化参照表判断平衡状态，确定当前调节系数k1值，调节位置满足约束条件L(3)后，进行单次调节后等待10min，再计算当前平衡度PHD2并判断其平衡状态，如果达到平衡状态，则跳转至步骤S7；
步骤S5、根据随动调节方向函数判断：平衡度小于100％时，随动调节方向e<0表示调节方向正确，平衡度大于100％时，随动调节方向e>0表示调节方向正确，随动调节方向函数如下：
否则认为调节方向错误，再次计算当前平衡度，判断其随动调节方向的正确性；
步骤S6、判断当前抽油机平衡度是否满足约束条件L(1)，满足则进行下一步，否则跳转至步骤S2进行迭代调节；
步骤S7、当调整至95％≤PHDi<105％且调整误差为0，统计当前T1单位时间内的耗能量Ept1，表示如下；
步骤S8、判断调节前后抽油机驱动电机耗能量是否满足约束条件L(2)：
若不满足L(2)，跳转至步骤2进行迭代调节；若满足L(2)，则再按照约束条件L(4)进行判断：
若满足L(4)，表示本次随动调节完成，抽油机达到平衡状态；若不满足L(4)，跳转至所述步骤2进行迭代调节。
优选的，在所述步骤S5中，否则认为调节方向错误，再次计算当前平衡度，判断其随动调节方向的正确性，该判断方向错误的过程进行连续三次。
优选的，在所述步骤S8中，如果连续两次调节均不能满足调节约束条件，发出调平故障告警。
本发明还提供一种平衡度调控机械尾臂，该平衡度调控机械尾臂运用于本发明提供的上述游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中，所述平衡度调控机械尾臂包括尾梁、传动机构、移动式平衡臂箱体以及限位开关；
所述传动机构包括固定于所述尾梁顶面其中一端的电机、两端分别支撑固定于所述尾梁顶面两端且与所述尾梁平行设置的丝杠以及连接所述丝杠与所述电机的弹性膜片联轴器；
所述移动式平衡臂箱体套设于所述丝杠并与所述丝杠形成螺纹转动连接，且所述移动式平衡臂箱体套设于所述尾梁并形成滑动连接；
所述限位开关包括上限位开关和下限位开关，所述上限位开关设置于所述丝杠靠近所述电机的一端，所述下限位开关设置于所述丝杠远离所述电机的一端。
优选的，所述传动机构还包括装设于所述丝杠两端的防护套。
本发明还提供一种基于双DSP结构的智能测控装置，其运用于本发明的上述游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中；所述基于双DSP结构的智能测控装置包括用向前测控通道、算法控制处理模块以及向后测控通道；
所述向前测控通道包括三相电压检测模块、三相电流检测模块、4～20mA检测回路模块；
所述算法控制处理模块包括模拟信号调理模块、第一DSP***模块、第一DSP***模块、压频转换模块、第一磁耦合器、第二磁耦合器、第三磁耦合器、串行通信模块、液晶显示模块、键盘模块以及CPLD逻辑与组合***模块；所述三相电压检测模块与所述模拟信号调理模块连接，并经所述第一DSP***处理后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述三相电压检测模块与所述模拟信号调理模块连接，并经所述第一DSP***处理后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述4～20mA检测回路模块经所述压频转换模块连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述第一DSP***模块与所述第一DSP***模块连接且均连接于所述CPLD逻辑与组合***模块；所述串行通信模块经所述第一磁耦合器模块隔断后连接至所述第二DSP***模块；所述液晶显示模块经所述第二DSP***模块隔断后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述键盘模块经所述第三磁磁耦合器隔断后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述第一磁耦合器模块、所述第二磁耦合器模块以及所述第三磁耦合器模块均与所述CPLD逻辑与组合***模块直接连接；
所述向后测控通道包括油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块、总开关状态模块、平衡电机正转上限位状态模块、平衡电机反转下限位状态模块以及油机闭锁状态模块、开关信号调理电路模块以及五个光耦模块；所述CPLD逻辑与组合***模块分别经五个所述光耦模块后与所述油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块连接；所述总开关状态模块、所述平衡电机正转上限位状态模块、所述平衡电机反转下限位状态模块以及所述油机闭锁状态模块分别经所述开关信号调理电路连接至所述CPLD逻辑与组合***模块。
相较于现有技术，本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置中，通过分析游梁式抽油机***运动规律和能量流通机理，先分析该抽油机***运动规律和能量流通机理，建立电动机输入电功率积分值的变化和抽油机平衡度之间的关联关系数学模型，其次通过采集该抽油机实时运行电参数，计算单位冲程或多冲程上、下冲程的功率积分比值，在线检测抽油机***平衡度，最后采用随动式伺服方法控制电动机带动丝杠调节平衡箱***置移动，以改变平衡力矩从而实现抽油机的最佳平衡状态的调整。现场试验结果表明，该方法可准确检测抽油机平衡度，迭代逼近控制随动平衡重，可使抽油机达到最佳平衡状态，提高了抽油机平衡调节的工作效率和生产安全系数，节能率可达3％，其工程应用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中的抽油机***能量流通机理框图；
图2为相关技术中游梁式抽油机不同方法判定平衡度曲线图；
图3为本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中的抽油机受力示意图；
图4为本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中随动调平控制结构框图；
图5为本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中随动调平相关量变化过程示意图；
图6为本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中的基于双DSP结构硬件的智能测控平台的原理框图；
图7为图6中智能测控平台的控制流程图；
图8为本发明提供的运用于游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中的平衡度调控机械尾臂。
图9为本发明实施例一中抽油机瞬时有功功率变化曲线图，其中(a)为抽油机欠平衡状态下瞬时有功功率变化曲线图；(b)为抽油机平衡状态下瞬时有功功率变化曲线图；(c)为抽油机过平衡状态下瞬时有功功率变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过分析游梁式抽油机***运动规律和能量流通机理，提出一种迭代逼近的游梁式抽油机随动调平控制方法。首先分析抽油机最佳平衡状态判定依据、抽油机平衡度与配重量关联关系，提出可随动调节配重的二次平衡迭代控制方法，即采用功率积分法计算得平衡度，通过对平衡度的反馈情况和固定时间内的抽油机驱动电机耗电量变化情况，迭代控制随动配重块移动方向和移动距离，从而改变平衡力矩，达到测量抽油机驱动电机实时功率的改变来调节平衡度，实现抽油机平衡的二次调节，通过设计智能测控平台，及电动机带动丝杠沿导轨调节平衡箱体移动的随动调平机械结构，通过仿真及工程实验表明，该方法可准确检测抽油机平衡度，迭代逼近控制随动平衡重，可使抽油机达到最佳平衡状态。
本发明提供了一种游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1、将所述抽油机的尾梁平衡重结构安装于尾梁，移动配重块调整至中间位置。本实施方式中，所述抽油机为现有技术中的游梁式抽油机。
步骤S2、利用功率积分法作所述抽油机平衡度检测，根据公式(1)计算当前时刻平衡度PHD0；
公式(1)中，PHD为平衡度；EPt上、Ept下为单个冲程周期电机消耗的总电能，或多个冲程周期Ept上K、Ept下K的平均值。
其中，Ept下K是上冲程合相电能代数和，Ept上K是下冲程合相电能代数和，如公式(2)所示：
公式(2)中，t上是抽油机上死点位置的时间；t下是抽油机下死点位置的时间；I上、I下分别是上、下冲程过程中电机输入瞬时电流；U是瞬时电压值；T＝t下-t0表示一个冲程周期的时间；
当前抽油机处于非平衡状态时，统计当前时刻T1单位时间内的瞬时功率耗能量Ept0，表示如下；
请结合图1所示，为游梁式抽油机***能量流通机理框图。输入电能经过驱动电动机模块、减速器模块将能量传递给四连杆机构，将电动机圆周运动转化为抽油杆上、下周期性往复直线运动，而依靠平衡块改善四连杆机构的不平衡受力。忽略各个模块能量传递损失时，电动机的输入电能就转换成对驴头悬点的周期性做功，而游梁式抽油机在整个工作循环内载荷是不均匀的。对静载荷来说，上冲程时驴头悬点需提起抽油杆柱和油柱,这时电动机处于电动状态并大量对外做功；到下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，不但不需要电动机提供动力反而对电动机做功使电动机处于发电运行状态。因此电动机在上、下冲程的负载是非常不均匀的，故在游梁式抽油机***中通过各种平衡方式解决平衡问题，尽可能消除负功使电动机、减速箱的载荷变均匀。
抽油机最佳平衡度辨识：
目前测量平衡状态的方法有电流法、功率法和扭矩法，因直接测量减速箱曲柄扭矩比较困难，多采用电流法、功率法的方式进行测量，抽油机在采油过程受地质变化、油井结蜡、反复振动等影响，原有平衡状态不断被改变，抽油机支点两端载荷不平衡，常出现电机反向发电的现象。在这种抽油过程电机反向发电情况下，电流法或常规利用功率峰值计算平衡度的方法会出现“假象平衡”现象，不能客观、准确判定抽油机的平衡度，以此判定结果作为调节平衡重依据显然是不科学的。
结合图2所示，功率积分法更接***衡状态，在同一平衡状态下不同的判定方法得出的平衡度是不同的。以扭矩所得平衡度为判定标准，功率积分法最为精准，电流法判定误差最大。因此，功率积分法作为抽油机平衡度检测方法是科学且准确。因此，本步骤中，采用上述公式(1)计算平衡度。
抽油机平衡度与配重量关联关系分析：
根据上述功率积分法计算抽油机平衡度的原理和抽油机能量转换机理，抽油机平衡度的改变必然与抽油机配重量的改变有直接关系，因此，可依据三相异步电动机电机能量守恒定律、抽油机能量流通机理、力矩平衡原理与四连杆机构几何关系分析随动测控***的测量量平衡度与控制量配重量之间的关联关系，从而有效改变平衡配重，实现抽油机平衡状态的迭代逼近。
以复合平衡游梁式抽油机做以基础分析，结合图3所示，为了便于分析，引入参数见表1所示，为抽油机参数表，将驱动电机输入能量和悬点载荷输出能量分别折算至减速器曲柄输出扭矩，得到上述公式(3)抽油机能量流通方程。其中曲柄角θ从12点钟位置算起顺时针方向为正,驴头悬点运动方向垂直向上取为正。
其中，扭矩因数
取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角，其意义为单位悬点载荷在曲柄上所产生的扭矩。其中α和β由四连杆机构参数求出，J可由四连杆定参数得到，在此不作推导。
通过对公式(3)简化后计算建立起悬点载荷、平衡块重量、电动机输出功率之间的数学模型公式，如公式(4)：
公式(4)中，W，B，M，
θ是定值，在抽油机型号确定的情况下是定值。平衡度调节是在根据上节抽油机平衡度计算方式，改变输入功率的变化，则需要增加额外的平衡重ΔGy达到二次平衡(单位：kN)。
表1抽油机参数表
对于运行中的游梁平衡的抽油机，本发明中采用随动调平其游梁平衡块的重量调整量ΔGy的单位是kN，ΔGy为正，表示要增加游梁平衡块的重量，ΔGy为负，表示要减少游梁平衡块的重量，如公式(5)所示：
其中
是上冲程电动机平均输出功率，kW；
是下冲程电动机平均输出功率，kW；ηT是抽油机的机械传动效率；Ns是光杆冲次，min-1；Hy是平衡块在竖直方向上的位移，S(t)是平衡块沿尾梁方向上的位移，Ly是抽油机平衡臂长度，m；A是抽油机前臂长度，m；L是光杆冲程，m；α是游梁平衡角(下偏角)，rad；Hy与S(t)表示如式(6)所示：
由公式(5)、(6)得到平衡块重量与电动机输入功率之间的数学模型公式(7)：
从公式(7)可得出，在已有抽油机条件在抽油过程中不能自动调整的情况下，则需要增加可动态调整的平衡配重ΔGy来达到改变平衡度计算参数P1，实现抽油机平衡状态的调整。
从公式(6)可知，ηT、NS、α是定量，可以通过调节配重箱在尾梁上的位置S(t)来改变游梁平衡块的重量调整量ΔGy，从而实现随动平衡重的调节，使抽油机达到平衡状态。
步骤S3、根据随动调平k系数变化参照表(如下表2)判断平衡状态，确定调节系数k0值，根据随动调平调整约束函数调节位置满足约束条件L(3)后，进行单次调节后等待10min，再根据公式(1)计算当前平衡度PHD1并判断其平衡状态，如果达到平衡状态，则跳转至步骤7；随动调平调整约束函数如下：
其中，约束条件L(1)表示最终调节尾梁平衡重位置后的反馈平衡度与平衡范围差值的绝对值小于等于5％；约束条件L(2)是指是经过随动调节平衡后瞬时有功功率P1(t)与未调平时电机瞬时有功功率P(t)在同一T1单位时间内的耗电量有减小；约束条件L(3)表示配重箱在尾梁上的位置S(t)小于尾梁可移动范围S，可移动范围S如下式：
S(t)(i+1)＝S(t)(i)+k*ΔS,(i＝0,1,2,…)
其中，k＝{-3、-2、-1、0、1、2、3}，k*ΔS为当前调节平尾梁平衡重位移量且S(t)(i)-|k*ΔS|≥0，k取决于当前平衡度是否在平衡状态范围，如果不在范围，取决于当前平衡度与平衡状态范围的差值大小，具体k取值大小和方向参考表2进行实际调节,ΔS为单位移动距离。可调整距离S，单位m，尾梁电机上端点为S的零点位置，随动调平控制的起始点位置S(t)(0)为中间位置。
随动控制***是指给定信号随时间的变化规律事先不能确定的控制***，是一种以位移、速度或力、力矩等作为被控量的反馈控制***。被控制量跟随输入量的变化而变化，而输入量的变化规律是事先不能确定的。随动***的任务是在各种情况下快速、准确地使被控量跟踪给定值的变化。
结合图4所示，其中位置调节器采用的是数字控制器，***的输出是调节部分的给定量，而调节闭环是随动***的平衡度检测随动修正部分。随动***的被控量是平衡度信号，当调节平衡度的输出位置产生偏差时，通过平衡度反馈将实际抽油机平衡状态计算出来，通过与给定位置的平衡度信号比较产生偏差，经位置环校正，通过丝杠调节***控制位置量变化，实现闭环随动控制。其中，执行电机输出结果直接表达对***动态性能要求的做法,对于调节运动控制***往往是很直观和方便的。
依据图4所示的随动调平控制结构图，其随动控制量对应关系如图5所示。图5中，实际调整位移表示如下：
S(t)(i+1)＝S(t)(i)+k*ΔS,(i＝0,1,2,…)
其中，k＝{-3、-2、-1、0、1、2、3}，k*ΔS为当前调节平尾梁平衡重位移量且S(t)(i)-|k*ΔS|≥0，k取决于当前平衡度是否在平衡状态范围，如果不在范围，取决于当前平衡度与平衡状态范围的差值大小，具体k取值大小和方向参考表2进行实际调节,ΔS为单位移动距离。可调整距离S，单位m，尾梁电机上端点为S的零点位置，随动调平控制的起始点位置S(t)(0)为中间位置。
随动调节方向函数如下公式(8)所示：
公式(8)中，e为随动单步调节方向，主要判别平衡调节方向是否正确。
随动调平调整约束函数如下公式(9)所示：
式中，约束条件L(1)表示最终调节尾梁平衡重位置后的反馈平衡度与平衡范围差值的绝对值小于等于5％；约束条件L(2)是指是经过随动调节平衡后瞬时有功功率P1(t)与未调平时电机瞬时有功功率P(t)在同一T1单位时间内的耗电量有减小；约束条件L(3)表示配重箱在尾梁上的位置S(t)小于尾梁可移动范围S。
表2随动调平k系数变化参照表
| 平衡度 | k值变化 | 结果分析 |
| PHD<65％ | —— | 增加配重块数量 |
| 65％≤PHD<80％ | 3 | 配重较轻 |
| 80％≤PHD<95％ | 2 | 平衡状态 |
| 95％≤PHD<105％ | 1 | 最佳平衡状态 |
| 105％≤PHD<120％ | -1 | 配重偏重 |
| 120％≤PHD<135％ | -2 | 配重较重 |
| 135％≤PHD<150％ | -3 | 配重过重 |
步骤S4、根据表随动调平k系数变化参照表判断平衡状态，确定当前调节系数k1值，调节位置满足约束条件L(3)后，进行单次调节后等待10min，再计算当前平衡度PHD2并判断其平衡状态，如果达到平衡状态，则跳转至步骤S7；
步骤S5、根据随动调节方向函数判断：平衡度小于100％时，随动调节方向e<0表示调节方向正确，平衡度大于100％时，随动调节方向e>0表示调节方向正确，随动调节方向函数如下：
否则认为调节方向错误，再次计算当前平衡度，判断其随动调节方向的正确性。本步骤中，“否则认为调节方向错误，再次计算当前平衡度，判断其随动调节方向的正确性”该判断方向错误的过程进行连续三次。
步骤S6、判断当前抽油机平衡度是否满足约束条件L(1)，满足则进行下一步，否则跳转至步骤S2进行迭代调节；
步骤S7、当调整至95％≤PHDi<105％且调整误差为0，统计当前T1单位时间内的耗能量Ept1，表示如下。
步骤S8、判断调节前后抽油机驱动电机耗能量是否满足约束条件L(2)：
若不满足L(2)，跳转至步骤2进行迭代调节；若满足L(2)，则再按照约束条件L(4)进行判断：
若满足L(4)，表示本次随动调节完成，抽油机达到平衡状态；若不满足L(4)，跳转至所述步骤2进行迭代调节。
更优的，如果连续两次调节均不能满足调节约束条件，发出调平故障告警。排查抽油机运行设置参数是否正确、驱动电机运行电压电流是否正常等问题，进行维护维修。
本发明的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中，需要使用到游梁式抽油机平衡度调控***，其包括基于双DSP结构的智能测控平台作为软件控制部分，以及平衡度调控机械尾臂作为机械硬件部分。
基于双DSP结构的智能测控平台的设计，智能测控平台是基于双DSP结构的高性能硬件平台，该硬件平台由参数采集与控制输出板、主控板和显示及按键操作板三部分组成，包括算法控制处理模块、向前测控通道和向后测控通道三个环节。因此，本发明还提供了一种基于双DSP结构的智能测控装置，如图6所示，其运用于本发明的上述游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中。
所述基于双DSP结构的智能测控装置包括用向前测控通道、算法控制处理模块以及向后测控通道。
所述向前测控通道包括三相电压检测模块、三相电流检测模块、4～20mA检测回路模块；
所述算法控制处理模块包括模拟信号调理模块、第一DSP***模块、第一DSP***模块、压频转换模块、第一磁耦合器、第二磁耦合器、第三磁耦合器、串行通信模块、液晶显示模块、键盘模块以及CPLD逻辑与组合***模块；所述三相电压检测模块与所述模拟信号调理模块连接，并经所述第一DSP***处理后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述三相电压检测模块与所述模拟信号调理模块连接，并经所述第一DSP***处理后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述4～20mA检测回路模块经所述压频转换模块连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述第一DSP***模块与所述第一DSP***模块连接且均连接于所述CPLD逻辑与组合***模块；所述串行通信模块经所述第一磁耦合器模块隔断后连接至所述第二DSP***模块；所述液晶显示模块经所述第二DSP***模块隔断后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述键盘模块经所述第三磁磁耦合器隔断后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述第一磁耦合器模块、所述第二磁耦合器模块以及所述第三磁耦合器模块均与所述CPLD逻辑与组合***模块直接连接；
所述向后测控通道包括油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块、总开关状态模块、平衡电机正转上限位状态模块、平衡电机反转下限位状态模块以及油机闭锁状态模块、开关信号调理电路模块以及五个光耦模块；所述CPLD逻辑与组合***模块分别经五个所述光耦模块后与所述油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块连接；所述总开关状态模块、所述平衡电机正转上限位状态模块、所述平衡电机反转下限位状态模块以及所述油机闭锁状态模块分别经所述开关信号调理电路连接至所述CPLD逻辑与组合***模块。
平衡度计算所需的实时有功功率参数由所述向前测控通道(驱动电动机电参量采集单元电流、电压互感器实时采集，经所述模拟信号调理模块进行滤波、数字化后传输给所述第一DSP***模块(驱动电动机电参量算法控制处理模块DSP1***)，平衡度计算流程、平衡度判断与随动控制流程由所述第二DSP***模块(DSP2***)完成。其中随动尾梁平衡结构调节越限信号通过所述4～20mA检测回路模块经过所述压频转换模块后进入所述CPLD逻辑与组合***模块，以完成调节越限信号的采集；随动控制信号经过所述第二DSP***模块运算处理后发出抽油机启停、平衡电机上下调控的信号，经由所述向后测控通道完成控制信号的输出，当尾梁平衡电机接收到配重上移或下移的信号时，进行正转或反转驱动丝杠运动实现尾梁平衡块的上下位移S(t)移动，从而调节平衡度PHD。控制过程中，配重调节超过尾梁可调节长度范围时，平衡电机则不再移动，所述第二DSP***判断为配重调节越限时，发出不平衡告警信号，经过所述CPLD逻辑与组合***模块以及所述向后测控通道输出，可在外部配置语音告警、响铃告警等达到提醒平衡越限的信息，亦可采用液晶显示或通讯后台监控的方式实现越限告警。抽油机平衡度检测与随动控制处理子程序工作流程请参图7所示。
本发明的基于双DSP结构的智能测控装置中，三相电压检测模块采用三只并列的电压互感器(如HPT304A、HRPT-1),三相电流检测模块采用三只并列的电流互感器(如HCT255A、HRCT-1),4-20mA检测回路经压频转换模块，将模拟信号经过由I/V转换、TVS保护以及通用阻容器件组成的滤波器滤波后，通过压频转换模块(如LM331压频转换芯片)将模拟信号转换成频率信号经光耦隔离后直接进入到CPLD逻辑与组合***。
模拟信号调理模块由I/V转换及放大电路(如RVC420、LM324及***辅助元件)、钳位二极管(如IN4148)、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现；
第一DSP***模块可采用内置A/D的数字信号处理器(如TMS320F2812)；
第二DSP***模块采用DSPIC30F6014A、ADuC8XX系列单片机。
CPLD逻辑与组合***模块采用MAX7000系列器件(如EPM7128)。
串口通信模块可选用MAX485等器件构成或直接选用串口专用模块(如HV2002D-TX、XXX)。
第一磁耦合器模块、第二磁耦合器模块、第三磁耦合器模块均选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。
五个开出回路(油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块)均采用通用控制继电器(如JQX-14)或固态继电器SSR(如S310ZK)。
五个光耦模块即五个功率光电耦合器，选用输出驱动能力较大的光耦器件(如TLP127)。
4～20mA检测回路模块直接取自配电箱中空气开关的辅助触点信号、尾梁平衡重上下限位置开关信号，开关量信号调理电路模块采用由钳位二极管(如IN4001)、限幅稳压管、通用阻容器件、通用光电耦合器(如TLP521-X)构成的典型防抖与隔离电路实现。
结合上述基于双DSP结构的智能测控平台，所述平衡度调控机械尾臂，如图8所示，该平衡度调控机械尾臂80包括：尾梁81、传动机构82、移动式平衡臂箱体83以及限位开关。
尾梁81，作为平衡主体结构。
传动机构82，固定于尾梁81顶面的其中一端；本实施方式中，传动机构82包括电机821、两端分别支撑固定于尾梁81顶面的两端且与尾梁81平行设置的丝杠822以及弹性膜片联轴器823。
电机821配置减速机，用以提供更大的驱动力。
丝杠822靠近电机821的一端通过弹性膜片联轴器823与电机821连接。电机821和丝杆822通过弹性膜片联轴器823连接可以消除电机821的输出轴与丝杆822有微量同轴度的偏差，滑动方式可选直线导轨，精度高、阻力小有利于智能化控制，保证了移动过程中可实现相对精确运动。
移动式平衡臂箱体83套设于丝杠822并与丝杠822形成螺纹转动连接；同时，移动式平衡臂箱体83套设于尾梁81并形成滑动连接。通过电机821驱动丝杠822转动，以驱动移动式平衡臂箱体沿尾梁81来回移动调节。
限位开关包括上限位开关841和下限位开关842。上限位开关841设置于丝杠822靠近电机821的一端，下限位开关842设置于丝杠822远离电机821的一端。
工作过程是传动机构82的电机821驱动丝杠带822动“n”字型的移动式平衡箱体83沿尾梁81前后移动，改变配重在尾梁81上的位置，以改变平衡度调控机械尾臂80对抽油机产生的力矩，从而实现调节抽油机的平衡状态的改变。
考虑到现场野外环境条件，为了避免风沙等对丝杠822部位精密度的影响，在丝杆822两端都加装防护套824。不仅可以保护丝杆822免受环境侵蚀，还可以提高丝杆822寿命。
另外，因移动式平衡臂箱体83重要较大，在尾梁81与移动式平衡臂箱体83之间可加设移动滚轮85，用于使移动式平衡臂箱体83更顺利精准的移动。
将上述平衡度调控机械尾臂80加设或改造至普通抽油机上，便可实现游梁式抽油机平衡度调控***的硬件机械条件的建立。
本发明的游梁式抽油机的迭代逼近承运调平控制方法运用的实施例如下：
通过在某大型油田采油一厂王7-171、王8-171等多口油井试验测试，未调整平衡度和经过随动调平后抽油机平衡度实测数据结果如表2所示，以王8-171为例，驱动电机输入的有功功率调平前后变化曲线如图9所示。
试验井抽油机的型号为CYJY5-1.8-13HF(K)，按照国标SY/T5044-2003可以查出抽油机四连杆机构长度、角度等基本抽油机参数值，其中结构不平衡重B为-0.3kN，抽油机驱动电机功率为7.5kW，额定电压380V，抽油机冲程为1.8m；尾梁随动平衡重整机质量40kg，可调节丝杠长度范围为S为1.6m，平衡电机额定功率为0.55kW，平衡电机输出转速为25.9r/min，减速器传动比29:1，额定电压380V，额定电流2.2A，可增减单块平衡块的重量为8.5kg，丝杠运行距离与电机转速关系为10mm/r，ΔS为100mm，平衡电机可调节单步长时间：5s。
图9(a)是现场试验测试的抽油机欠平衡状态下的抽油机驱动电机输入有功功率的单周期实时变化曲线，图9(b)是经过随动调平后悬点运行位移和和抽油机驱动电机输入有功功率的单周期实时变化曲线，图9(c)抽油机过平衡状态下的抽油机驱动电机输入有功功率的单周期实时变化曲线。图9中可以看出游梁式抽油机上、下冲程电动机有功功率积分所围成的面积分别为S1和S2。在图9(a)中，S1明显大于S2，即抽油机处于欠平衡状态，经现场实际测量，此时的平衡度为75％；在图9(b)中，S2基本等于S1，即抽油机处于平衡状态，经现场实际测量，此时的平衡度为97％，在图9(c)中，S2明显大于S1，即抽油机处于过平衡状态，经现场实际测量，此时的平衡度为150％。图9中同一口井在调节平衡重前后抽油机驱动电机瞬时功率的变化情况证实了功率积分法判断平衡度的可行性与准确性，及随动调平控制方法的有效性。
具体实验数据参表3所示以及实测数据参表4所示。
表3实验数据
表4实验数据
表3和表4数据表明，电流法和功率法判定抽油机运行状态均不一定符合实际生产状况，根据功率积分法检测平衡度判定不平衡状态并对抽油机进行调整后，抽油机耗电量明显减少。即采用功率积分法检测得出试验井井况均存在不平衡状态，电机反转；随动***进行平衡度调节后的耗电量减小3％左右，即工况好转。此***很好地解决了抽油机的平衡调节问题，能够实现抽油机随动智能平衡度调控，实现了抽油机的节能降耗，为抽油机实现数字化改造的研究提供了新思路。
相较于现有技术，本发明游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置中，通过分析游梁式抽油机***运动规律和能量流通机理，先分析该抽油机***运动规律和能量流通机理，建立电动机输入电功率积分值的变化和抽油机平衡度之间的关联关系数学模型，其次通过采集该抽油机实时运行电参数，计算单位冲程或多冲程上、下冲程的功率积分比值，在线检测抽油机***平衡度，最后采用随动式伺服方法控制电动机带动丝杠调节平衡箱***置移动，以改变平衡力矩从而实现抽油机的最佳平衡状态的调整。现场试验结果表明，该方法可准确检测抽油机平衡度，迭代逼近控制随动平衡重，可使抽油机达到最佳平衡状态，提高了抽油机平衡调节的工作效率和生产安全系数，节能率可达3％，其工程应用性强。
(1)通过采集游梁式抽油机运行时的电参数，利用功率积分法分析抽油机实时运行状况得出其此刻平衡度，根据随动测控***的测量量平衡度与控制量配重量之间的线性关联关系，得到随动调整尾梁平衡重可改变抽油机运行过程中的平衡状态，从而实现动态跟踪调平。
(2)根据随动控制思路和抽油机能量转换机理，本发明中的随动调平控制结构完成了当调节平衡度的输出位置产生偏差时，通过平衡度反馈将实际抽油机平衡状态计算出来，再与给定位置的平衡度信号比较产生偏差，经位置环迭代校正，通过丝杠调节***控制位置量变化，实现了抽油机闭环随动调平控制。
(3)现场试验结果表明，该随动调平控制方法可实现抽油机运行状态动平衡的测量与平衡调节，设计智能测控平台能够满足实时平衡度的计算和随动调平控制算法的实现，设计平衡度调控***机械结构，随动***控制调节电动机带动丝杠移动平衡箱体以改变平衡力矩，优化平衡度，能有效降低***的控制难度，提高平衡度调控运动的平滑性和随动精度。本发明的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法满足油田数字化生产需求，其软测量与随动控制思路及智能化测控平台在其他参量数字化实现过程中具有理论参考意义和工程应用价值。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1、将所述抽油机的尾梁平衡重结构安装于尾梁，移动配重块调整至中间位置；
步骤S2、利用功率积分法作所述抽油机平衡度检测，根据公式(1)计算当前时刻平衡度PHD；
公式(1)中，PHD为当前时刻平衡度；EPt上、Ept下为多个冲程周期Ept上K、Ept下K的平均值。
其中，Ept下K是下冲程合相电能代数和，Ept上K是上冲程合相电能代数和，如公式(2)所示：
公式(2)中，t上是抽油机上死点位置的时间；t下是抽油机下死点位置的时间；I上、I下分别是上、下冲程过程中电机输入瞬时电流；U是瞬时电压值；θ是瞬时电流和瞬时电压的夹角；T＝t下-t0表示一个冲程周期的时间；
当前抽油机处于非平衡状态时，统计当前时刻T1单位时间内的瞬时功率耗能量Ept0，表示如下；
步骤S3、根据随动调平系数k变化参照表判断平衡状态，确定调节系数k值，根据随动调平调整约束函数调节位置满足约束条件L(3)后，进行单次调节后等待10min，再根据公式(1)计算当前平衡度PHD并判断其平衡状态，如果达到平衡状态，则跳转至步骤S7；随动调平调整约束函数如下：
其中，约束条件L(1)表示最终调节尾梁平衡重位置后的反馈平衡度与平衡范围差值的绝对值小于等于5％；约束条件L(2)是指是经过随动调节平衡后瞬时有功功率P1(t)与未调平时电机瞬时有功功率P(t)在同一T1单位时间内的耗电量有减小；约束条件L(3)表示配重箱在尾梁上的位置S(t)i小于尾梁可调整距离S，配重箱在尾梁上的位置S(t)i如下式：
S(t)(i)＝S(t)(i-1)+k*ΔS,(i＝1,2,…)
其中，k＝{-3、-2、-1、0、1、2、3}，k*ΔS为当前调节尾梁平衡重位移量且S(t)(i-1)-|k*ΔS|≥0，k取决于当前平衡度是否在平衡状态范围，如果不在范围，取决于当前平衡度与平衡状态范围的差值大小，具体k取值大小和方向参考表1进行实际调节,ΔS为单位移动距离，可调整距离S，单位m，尾梁电机上端点为S的零点位置，随动调平控制的起始点位置S(t)(0)为中间位置；
表1随动调平系数k变化参照表
步骤S4、根据表1随动调平系数k变化参照表判断平衡状态，确定当前调节系数k值，调节位置满足约束条件L(3)后，进行单次调节后等待10min，再计算当前平衡度PHD并判断其平衡状态，如果达到平衡状态，则跳转至步骤S7；
步骤S5、根据随动调节方向函数判断：平衡度小于100％时，随动调节方向e<0表示调节方向正确，平衡度大于100％时，随动调节方向e>0表示调节方向正确，随动调节方向函数如下：
否则认为调节方向错误，再次计算当前平衡度，判断其随动调节方向的正确性；
步骤S6、判断当前抽油机平衡度是否满足约束条件L(1)，满足则进行下一步，否则跳转至步骤S2进行迭代调节；
步骤S7、当调整至95％≤PHD<105％且调整误差为0，统计当前T1单位时间内的耗能量Ept1，表示如下；
步骤S8、判断调节前后抽油机驱动电机耗能量是否满足约束条件L(2)：
若不满足L(2)，跳转至步骤S2进行迭代调节；若满足L(2)，则再按照约束条件L(4)进行判断：
若满足L(4)，表示本次随动调节完成，抽油机达到平衡状态；若不满足L(4)，跳转至所述步骤S2进行迭代调节。
2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法，其特征在于，在所述步骤S5中，否则认为调节方向错误，再次计算当前平衡度，判断其随动调节方向的正确性，该判断方向错误的过程进行连续三次。
3.根据权利要求1所述的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法，其特征在于，在所述步骤S8中，如果连续两次调节均不能满足调节约束条件，发出调平故障告警。
4.一种基于双DSP结构的智能测控装置，其运用于如权利要求1-3任意一项所述的游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法中；所述基于双DSP结构的智能测控装置包括向前测控通道、算法控制处理模块以及向后测控通道；
所述向前测控通道包括三相电压检测模块、三相电流检测模块、4～20mA检测回路模块；
所述算法控制处理模块包括模拟信号调理模块、第一DSP***模块、第二DSP***模块、压频转换模块、第一磁耦合器、第二磁耦合器、第三磁耦合器、串行通信模块、液晶显示模块、键盘模块以及CPLD逻辑与组合***模块；所述三相电压检测模块与所述模拟信号调理模块连接，并经所述第一DSP***模块处理后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述三相电流检测模块与所述模拟信号调理模块连接，并经所述第一DSP***模块处理后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述4～20mA检测回路模块经所述压频转换模块连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述第一DSP***模块与所述第二DSP***模块连接且均连接于所述CPLD逻辑与组合***模块；所述串行通信模块经所述第一磁耦合器模块隔断后连接至所述第二DSP***模块；所述液晶显示模块经所述第二DSP***模块隔断后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述键盘模块经所述第三磁耦合器隔断后连接至所述CPLD逻辑与组合***模块；所述第一磁耦合器模块、所述第二磁耦合器模块以及所述第三磁耦合器模块均与所述CPLD逻辑与组合***模块直接连接；
所述向后测控通道包括油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块、总开关状态模块、平衡电机正转上限位状态模块、平衡电机反转下限位状态模块以及油机闭锁状态模块、开关信号调理电路模块以及五个光耦模块；所述CPLD逻辑与组合***模块分别经五个所述光耦模块后各自与所述油机启动开出回路模块、油机停止开出回路模块、不平衡告警回路模块、配重增加开出回路模块、配重减小开出回路模块连接；所述总开关状态模块、所述平衡电机正转上限位状态模块、所述平衡电机反转下限位状态模块以及所述油机闭锁状态模块分别经所述开关信号调理电路连接至所述CPLD逻辑与组合***模块。
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