CN210289723U - 一种抽油机井场智能管理工作站 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种抽油机井场智能管理工作站，包括3I/V互感器、压力变送器、温度变送器、霍尔传感器、曲柄轴传感器、中央智能单元、变频器、中间继电器、蜂鸣器、摄像头，中央智能单元为Arm‑A53系列中心控制***，中央智能单元内设有3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元、开关量转换单元、DAC转换单元、USB接口、中间继电器。本实用新型采用Arm‑A53系列中心控制***，内存比现有单片机内存扩大几万倍以上，自身可安装不同需求的操作***，实现功能强大的软件编程，形成抽油机井场智能管理工作站。

Description

一种抽油机井场智能管理工作站

技术领域

本实用新型属于油田设备控制领域，涉及一种抽油机井场智能管理工作站。

背景技术

国际能源供需关系日趋紧张，能源消耗和缺口逐年增大，国内多数老油田综合含水已超过90％,开采效益逐年变差。急需研究安全、环保、节能、低成本油水井智能化井场管理的配套技术和方法，提高低效油田的开采效益。目前世界上有3-4百万口油水井。油井游梁式抽油机作为主要人工举升方式占举升井的75％以上。为提高油水井管理水平和效率，降低油田人工管理成本、缩短油水井事故发现周期、提高油水井事故恢复及时率和生产时率，提高油田总体效率和效益，发明井场智能管理工作站，提高井场管理智能化程度，是油田亟待解决的重要课题。随着大数据人工智能技术油田应用的快速发展，现有以单片机为中心控制的井场智能控制箱***，受到处理能力和功能扩充的严重制约，急需研究一套适应油田井场大数据人工智能处理、硬件处理能力提高千倍、软件采集、存储、分析和智能处置功能强大的井场管理智能化工作站***。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种抽油机井场智能管理工作站，主要利用大数据人工智能技术提高油田效益的应用快速发展，克服现有以单片机为中心控制的井场智能控制箱***受到处理能力和功能的严重制约，急需解决硬件能力强、软件功能多，配套技术全，确保***良性运行的工作站***的问题。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

一、一种抽油机井场智能管理工作站，包括3I/V互感器、压力变送器、温度变送器、霍尔传感器、曲柄轴传感器、中央智能单元、变频器、中间继电器、蜂鸣器、摄像头，所述的中央智能单元为Arm-A53系列中心控制***，中央智能单元内设有3I/V 参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元、开关量转换单元、DAC转换单元、USB接口、中间继电器，3I/V互感器、压力变送器、温度变送器分别通过3I/V 参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元连接中央智能单元的输入端，霍尔传感器、曲柄轴传感器分别通过开关量转换单元连接中央智能单元的输入端，中央智能单元的输出端连接蜂鸣器，同时通过DAC转换单元连接变频器、通过USB接口连接摄像头以及通过中间继电器连接下游控制设备。

进一步的，所述的中央智能单元还装有RS232/RS485通讯接口模块，RS232/RS485通讯接口模块分别连接无线近距通讯、远程通讯数传以及设备间通讯。

进一步的，所述的中央智能单元上还设有RJ45网络接口，RJ45网络接口连接摄像头。

二、一种根据上述的抽油机井场智能管理工作站的控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)3I/V互感器、压力变送器、温度变送器将感知到的数据通过3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元输入中央智能单元，霍尔传感器、曲柄轴传感器将感知到的数据通过开关量转换单元输入中央智能单元；

(2)中央智能单元运算后，控制蜂鸣器的工作，通过DAC转换单元控制变频器，通过USB接口控制摄像头，通过中间继电器控制下游控制设备的工作。

采用上述技术方案的积极效果：

(1)本发明采用Arm-A53系列中心控制***，内存比现有单片机内存扩大几万倍以上，自身可安装不同需求的操作***，实现功能强大的软件编程，形成抽油机井场智能管理工作站；

(2)工作站动力电能支持由电网三项交流电输入，主要能量通过智能控制转送给抽油机电机拖动抽油机智能抽油，少量工作站自用和用于井场设备智能动作和控制；

(3)工作站智能控制软件***实现中心控制功能，控制油水井***配置的传感器摄像头等，采集机械、物理、视频、图片和噪声等信息参数；控制数据存储、传输。在分析处理的基础上智能控制抽油机高产逼近、恒功率节能、工况优化的抽吸参数调整；控制电机频率、电源通断、电流、电阻、电压控制执行装置等；对环境后台数据交互及专家诊断分析决策人机交互协同；

(4)工作站控制中心平台安装到井场，便于控制抽油机的智能抽油、电机皮带打滑的判断及调整、盘根漏油的视频判断及处理、临近水井的数据采集及压力流量等重要参数控制；井场动态的监控及通知处置、油水井故障报警及潜在问题的通报和预警，为推进井场管理智能化的实施奠定基础。

附图说明

图1是本实用新型的流程图；

图2-5是本实用新型的电路图；

图6是本实用新型的实际应用图；

图7是本实用新型的电机控制流程图。

图中，1电控箱、2电机、3皮带、4减速箱、5曲柄、6连杆、7游梁、8驴头、9 悬绳器、10光杆、11底座、12支架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本实用新型的限制：

图1是本实用新型的流程图，图2-5是本实用新型的电路图，如图所示，一种抽油机井场智能管理工作站，包括3I/V互感器、压力变送器、温度变送器、霍尔传感器、曲柄轴传感器、中央智能单元、变频器、中间继电器、蜂鸣器、摄像头，所述的中央智能单元为Arm-A53系列中心控制***，中央智能单元内设有3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元、开关量转换单元、DAC转换单元、USB接口、中间继电器，3I/V互感器、压力变送器、温度变送器分别通过3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元连接中央智能单元的输入端，霍尔传感器、曲柄轴传感器分别通过开关量转换单元连接中央智能单元的输入端，中央智能单元的输出端连接蜂鸣器，同时通过DAC转换单元连接变频器、通过USB接口连接摄像头以及通过中间继电器连接下游控制设备。Arm-A53系列中心控制***采用国内深圳韵动电子等厂家生茶的型号为Raspberry Pi 3B+的即可，其他电子元件均为市售产品，不再进一步赘述。3I/V互感器、压力变送器、温度变送器、霍尔传感器、曲柄轴传感器将感知到的信号转换后进入中央智能单元，经过中央智能单元的运算后输入，控制下游的、变频器、中间继电器、蜂鸣器、摄像头等的工作。

所述的中央智能单元还装有RS232/RS485通讯接口模块，RS232/RS485通讯接口模块分别连接无线近距通讯、远程通讯数传以及设备间通讯，主要用于传输信号。

进一步的，所述的中央智能单元上还设有RJ45网络接口，RJ45网络接口连接摄像头，为摄像头的连接提供另一种接口。

一种根据上述的抽油机井场智能管理工作站的控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)3I/V互感器、压力变送器、温度变送器将感知到的数据通过3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元输入中央智能单元，霍尔传感器、曲柄轴传感器将感知到的数据通过开关量转换单元输入中央智能单元；

(2)中央智能单元运算后，控制蜂鸣器的工作，通过DAC转换单元控制变频器，通过USB接口控制摄像头，通过中间继电器控制下游控制设备的工作。

本实用新型选用Arm-A53系列作中心控制***，内存比单片机扩大几万倍以上，精度从16位提高到64位。自身可安装不同需求的CPU操作***，实现强大的智能软件编程功能和抽油机井场智能控制功能，为大数据智能软件编制、运行控制创造条件。利用Arm-A53模块进行开发，3I/V互感器模块拟选用成品板，以SPI接口输出的，或综合考虑Arm-A53板子资源提出所需的最优接口方式。用Arm-A53系列作中心控制***，内存容量比单片机提高千倍以上，速度精度高水平；具备较强编程能力、***物理、机械、光电图像和声音信息采集、传输处理能力；***软件具有较强的大数据深度分析挖掘能力；具有将强的潜在故障问题专家诊断智能控制和处置功能；适应高寒恶劣野外环境井场四季昼夜连续工作的苛刻要求。

基于抽油机载荷在360°周期内交变较大，导致拖动电机载荷交变大。基于载荷利用率越低，效率越低。随着载荷利用率的提高效率逐渐提高，直到载荷利用率达到 80％-100％效率达到最高点。游梁抽油机电机工作载荷在上下死点载荷利用率接近零，甚至等负值，所以效率也接近零或负值。多数区域载荷利用率较低，能量有效利用非常不合理。所以为解决抽油机上下死点低效或负值问题，利用抽油机功率等于力×速度(N＝F×V)的原理，智能控制抽油机速度实现恒功率。采取载荷大时调低速度，降低功率。该措施使***功率降低主要有3种因素，一是速度低功率小；二平衡块等大质量运动件减速，***动能一是减少二是释放，使瞬时耗能快速减少；三是速度低摩阻降低。相反***加速一是提速度使低功率变大；二是平衡块等大质量运动件减速速，***动能增加，吸收***能量，使瞬时耗能快速增加；三是速度大摩阻提高；所以可通过调整(F×V)使功率恒定，解决驴头上下死点或周期内低负荷和低效的问题。

摄像、噪声深度神经网络学习分析找出异常图片和噪声，解决井场实际问题准确判断的难题，设计摄像头、图片监测***和噪声传感器，通过对样本采集、问题归类；智能软件训练、神经网络信息深度知识学习，准确抓拍和判断油水井和井场异常问题，为及时处置提供技术支持。

工作站设计通过结构优化、按环境条件优选元器件，满足适应高寒(零下40C°)、风沙、雨雪恶劣野外环境井场四季昼夜连续工作的苛刻要求。功能强大的工作站控制中心或平台前移到井场，便于控制抽油机的智能抽油、电机皮带打滑的判断及调整、盘根漏油的视频判断及处理、临近水井的数据采集及压力流量等重要参数控制。油水井故障报警及潜在问题的通报和预警。为推进井场智能化实施奠定基础。

智能控制还实现抽油机高产逼近、恒功率节能、工况优化的抽吸参数的频率、开关电源、电流、电阻、电压执行装置等控制；对环境后台数据交互及专家诊断人机协同分析决策。

图6是本实用新型的实际应用图，图7是本实用新型的电机控制流程图，如图所示，工作时，第一、上述中央智能单元安装在符合工作站恶劣野外四季昼夜运行受力、防腐抗光电磁条件辐射的箱体内，箱体也是工作站的构成部分，同时还应配套完成***功能的元器件。

第二、将工作站安装在抽油机井场的适合位置。从井场三项电网变压器后，将三项交流电接入工作站作为动力电能支持，主要能量通过智能调频等参数控制后接送到抽油机电机拖动抽油机智能抽油，少量电能工作站自用和用于井场设备智能设备动作和控制。

第三、选型、连接工作站配套的机械(电机转速、平衡块几何位置、载荷等)、物理(三项电流、电压、功率因数、压力、温度流量等)、视频、图片和噪声等信息参数采集的传感器、摄像头等数据信息采集元器件，并选择合理位置采用专用工艺安装。

第四、安装***及智能应用软件，进行数据信息采集、传输、处理、分析诊断及智能控制调试。

第五、油水井***动静态数据录入，(1)录入油水井静态数据，包括抽油机型号等静态参数；油水井结构井深等相关参数；油水井储层相关参数；油井流体相关参数； (2)油水井动态参数，油田已开发的A1、A2、A5等相关数据库和相关数据的调入； (3)在线采集数据信息的录入传输、处理和应用等。

第六、工作站***运行，执行***主要功能如下，(1)执行智能分析控制，1)抽油机电机皮带松动判断及控制；2)井口盘根盒漏油视屏神经网络深度学习抓拍判断及控制；3)抽油机节能恒功率控制；4)恒功率低负荷启动控制等。(2)***14项常见故障报警，综合诊断分析判断，及时对抽油杆断脱、抽油井结蜡、电机功率、电流超过载、电源断相等14种常见现象报警。(3)报警通知事项处理流程透明在线。

第七、***维护，监控工作站硬件***工作正常、确保及时定期维修保养和更换；软件***满足生产需要，不卡不溢出；监控数据存储内存留有足够存储空间；报警问题处置流程不受阻。

采用本实用新型的技术方案：

1、***内存大，从原来几百K到目前几个或几十G,根据需要可到几百G,扩大内存数万倍到几十万倍；可安装操作***进行中小型智能软件编程；可外接数据信息采集传感器，如电流、电压、功率因数、流量、压力、温度等；可外接摄像、噪声、味觉等信息采集设备；可控制重要设备、仪器及***执行智能功能。

2、由***内存大、根据需要可安装不同需求的操作***，可安装***需要的中小型智能软件，可解决抽油机节能优化工况等功能。

(1)实现抽油机节能恒功率控制，如抽油机在一个上下冲程360°周期内载荷交变幅度大；功率从最大变到零甚至到负值，功率因数从0.9变到零甚至到负值，每分钟变化5-10个周期，每个周期内也在不断的变化。致使瞬时变化高度频繁，导致工况差能耗大。通过***控制电机前端的变频器，载荷大时将频率调低；载荷小时将频率调大，使整个周期恒功率运行。***控制后达到了功率基本恒定不变；功率因数趋近于1，同一口抽油机同一台电机调整前后节能10％左右，调整后再优化电机，节能幅度会更大。

(2)通过优化控制，采用恒功率低速启动，可大幅降低抽油机启动功率10倍以上。由于正常抽油机启动功率比正常运行功率高3-3.5倍；设计控制启动功率比正常功率小3-4倍。实际控制启动功率比不控制正常启动功率小10倍以上。

(3)***可综合测试诊断抽油机电机皮带工况及寿命，可在线及时早期发现电机皮带的开始松动和打滑，可及时调整皮带松紧度，提高抽油时率减少故障率。主要带来三个方面的效果，一是减少由于皮带打滑影响抽油机正常工作，较严重时影响产量 3-5％；二是减少由于皮带断影响油井时率和出现事故带来的经济损失；三是可延长皮带的有效寿命，提高油井管理水平和效益，如皮带出现打滑不及时调整松紧度很快会把皮带磨断。

(4)***的功图诊断、综合判断分析功能，可及时对抽油杆断脱、抽油井结蜡、电机功率、电流超过载、电源断相等14种常见现象报警和处理流程透明在线。在线监控5-10分钟传送一次，比常规测试功图液面半个月到1个月一次周期缩短4000倍左右。所以在线监测可提高问题发现及时率10倍到百倍；提高问题处理及时率几倍到几十倍。

Claims (3)

1.一种抽油机井场智能管理工作站，其特征在于：包括3I/V互感器、压力变送器、温度变送器、霍尔传感器、曲柄轴传感器、中央智能单元、变频器、中间继电器、蜂鸣器、摄像头，所述的中央智能单元为Arm-A53系列中心控制***，中央智能单元内设有3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元、开关量转换单元、DAC转换单元、USB接口、中间继电器，3I/V互感器、压力变送器、温度变送器分别通过3I/V参量转换单元、压力参量转换单元、温度参量转换单元连接中央智能单元的输入端，霍尔传感器、曲柄轴传感器分别通过开关量转换单元连接中央智能单元的输入端，中央智能单元的输出端连接蜂鸣器，同时通过DAC转换单元连接变频器、通过USB接口连接摄像头以及通过中间继电器连接下游控制设备。

2.根据权利要求1所述的抽油机井场智能管理工作站，其特征在于：所述的中央智能单元还装有RS232/RS485通讯接口模块，RS232/RS485通讯接口模块分别连接无线近距通讯、远程通讯数传以及设备间通讯。

3.根据权利要求1所述的抽油机井场智能管理工作站，其特征在于：所述的中央智能单元上还设有RJ45网络接口，RJ45网络接口连接摄像头。

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