一种具有故障诊断功能的抽油机控制装置的制作方法

本实用新型属于自动化采油装置领域，尤其涉及一种具有故障诊断功能的抽油机控制装置。

背景技术：

随着油田的开采,油井数量的增加,加之高粘、重蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀等复杂采油条件的出现,在生产中,游梁式抽油机与抽油泵组成的有杆抽油系统事故增多。

深井泵的上下反复运动是靠抽油机和抽油杆来完成的,一旦抽油机井发生了故障,不及时诊断出来,就会造成能源的浪费,并且影响生产,给企业造成损失。随着油田的开采,油井数量的增加,加之高粘、重蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀等复杂采油条件的出现,在生产中,抽油机与抽油泵组成的有杆抽油系统事故增多。例如,抽油泵在供液足时会发生“液击”,产生极大的反作用力而损坏设备抽油泵筒含有气体则会产“气锁”,使泵效严重下降,浪费能源,增加成本。且由于油田生产往往是在野外进行,地理位置分散,自然环境恶劣造成抽油机的故障诊断不及时和故障处理不及时,严重影响油田的产量和经济效益。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决上述问题，提供一种具有故障诊断功能的抽油机控制装置。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，包括控制器、传感器、电控箱和无线天线；所述传感器、电控箱和无线天线均与控制器相电连接；所述控制器包括电源模块、通信模块、控制模块、报警模块、显示模块和端子板；所述传感器与前述端子板相连接；所述无线天线与通信模块相电连接；所述电控箱与电源模块相电连接；所述电源模块、通信模块、报警模块、显示模块和端子板均与控制模块相电连接。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，所述传感器包括位移传感器、载荷传感器、温度传感器、油压传感器和套压传感器。位移传感器测量抽油机光杆处的位移并将采集到信息发送至控制器；载荷传感器测量抽油机光杆处的载荷并将采集到的数据发送至控制器；温度传感器测量电机表面实时温度，并将温度参数发送至控制器；油压传感器测量井口油压数据并将实时数据传送至控制器；套压传感器测量套管油压数据并将实时数据传送至控制器。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，所述端子板上设置有8路AI接口、4路DI接口和4路DO接口。第1路AI接口连接载荷传感器，第2路AI接口连接位移传感器，第3路AI接口连接油压传感器，第4路AI接口连接套压传感器，其余接口为预留，目前无接入。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，所述报警模块为声光报警装置，包括声音报警和光报警；通过声光报警装置在发生故障时及时发出报警信号，提醒工作人员采取措施，减小故障带来的损失。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，所述电源模块的输出电压为24V，为整个控制装置供电。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，所述显示模块为7寸的LCD显示屏。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，包括控制器、传感器、电控箱和无线天线，在完成抽油机控制器的基本功能的基础上，对抽油机及油井的各种状态参数进行实时监测,实现运行参数远传和网上共享,发现故障及时报警,减小故障带来的损失,具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本实用新型所述抽油机控制装置的结构示意图；

图2为本实用新型所述抽油机控制装置的接线图；

图3为本实用新型所述抽油机控制装置的故障诊断流程图；

图4为本实用新型所述端子板结构示意图；

图5为本实用新型所述控制模块结构示意图；

图6为本实用新型所述AI报警信息屏幕示意图；

图7为本实用新型所述DI报警信息屏幕示意图；

图8为本实用新型所述油井报警信息屏幕示意图；

其中1-SD卡接口、2-LED指示灯、3-RJ45网口、4-COM1串口1、5-COM2串口2、6-DB44端子板接口、7-电源通信接口、8-2.4G天线接口、9-扩展板接口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置进行详细说明。

本实用新型所述的具有故障诊断功能的抽油机控制装置，如图1所示包括控制器、传感器、电控箱和无线天线；所述传感器、电控箱和无线天线均与控制器相电连接；所述控制器包括电源模块、通信模块、控制模块、报警模块、显示模块和端子板；端子板也称之为I/O模块；所述传感器与前述端子板相连接；所述无线天线与通信模块相电连接；所述电控箱与电源模块相电连接；所述电源模块、通信模块、报警模块、显示模块和端子板均与控制模块相电连接；所述报警模块为声光报警装置，包括声音报警和光报警；所述电源模块采用PA2403CC，输出电压为24V；所述显示模块为SuperE_LCD 7寸的LCD显示屏。所述传感器包括位移传感器、载荷传感器、温度传感器、油压传感器和套压传感器。如图1所示，在本实施例中所述控制器还设置有空开、保险模块、接线端子、接地汇流条；接线端子为对外接口，为连接端子板与外界的媒介。

在本实施例中，位移传感器测量抽油机光杆处的位移并将采集到信息发送至控制器；载荷传感器测量抽油机光杆处的载荷并将采集到的数据发送至控制器；温度传感器测量电机表面实时温度，并将温度参数发送至控制器；油压传感器测量井口油压数据并将实时数据传送至控制器；套压传感器测量套管油压数据并将实时数据传送至控制器。控制器采用superE5303系列控制器；控制模块如图5所示，其中包括如下接口：SD卡接口1、LED指示灯2、RJ45网口3、COM1串口14、COM2串口25、DB44端子板接口6、电源通信接口7、2.4G天线接口8、扩展板接口9。通信模块采用H7710E嵌入式DTU。电源通信接口7中包括JC124V电源接口、COM3(RS485)和COM4(RS-485)接口

如图2所示，端子板上设置有8路AI接口、4路DI接口和4路DO接口，第1路AI接口连接载荷传感器，第2路AI接口连接位移传感器，第3路AI接口连接油压传感器，第4路AI接口连接套压传感器。通过传感器采集获取的实时数据包含功图数据、冲次、冲程、油压、套压、功率数据；通过分析这些实时采集来的数据，实现对抽油机故障的分析和预警；如图4所示，P1 为8路AI接线端子；P2和P3为4路DI、DO接线端子；P4为24伏供电、输出和接地端子；P5为DB44针连接线端口。端子板连接线采用DB44针-DB44针T型头串口线进行连接，T端连接控制器，直插端连接端子板。

根据图2所示，对抽油机控制柜进行现场安装，接线次序默认左端接正，右端接负。

抽油机参数、电机参数、抽油杆的杆柱组合、泵径、原油的密度、含水率，油管内径，抽油杆密度、抽油杆的杨氏模量、报警措施等静态参数通过配置软件进行配置。在完成静态参数配置后，通过求解光杆的振动方程，计算出抽油泵的仿真示功图。报警措施默认设置为：一级故障停机保护；二级故障停机；三级故障警告；在本实施例中采用默认设置方式。

如图3所示，在泵功图计算基础上，进行功图识别与分析、特征值提取、进行初步故障诊断；进一步通过功图无量纲化处理、进行模式识别，完成详细故障诊断，并通过历史数据对特殊故障进行确认，完成最终综合故障分析。常见的抽油机状态包括启动、停机、断电保护、电压缺项、皮带断、电机超载与欠载等状态。可识别常见的抽油机故障有游动凡尔漏失、固定凡尔漏失、双凡尔漏失、抽油杆断脱、抽油杆偏磨、油井供液不足、气体影响、气锁、油管漏失、抽喷和结蜡等，报警模块的报警措施分成警告、停机和停机保护三种策略，依据故障的严重程度和潜在危害进行区分。

根据抽油机的常见状态，在本实施例中的对应设定为：一级故障包括：气锁、抽油杆断脱、电压缺项、皮带断；二级故障包括：双凡尔漏失、固定凡尔严重漏失、游动凡尔严重漏失、严重供液不足，严重气体影响，蜡卡；其余为三级故障。

在进行故障诊断时，通过传感器采集的实时数据，分别分析油井的电流、电压、功率等数据、地面示功图和抽油泵示功图，确定抽油机的工作状态，对于疑似故障，采用多因素综合分析；通过对比历史数据中载荷极值、位移极值、功图面积等参数，若变化幅度超过设置范围，即为故障，否则为井况正常。对于诊断无疑义的故障，按程度进行故障保护操作。对于三级故障，将故障通过通信模块上传至上位机发出警告信息，通信模块采用工业用标准4GDTU，控制器与上位机通信采用标准Modbus协议上传；对于二级故障，发送现场警告信息（光报警和声音报警），提示现场人员离场，然后实现停机，并将故障类型和操作发送至上位机系统。对于部分故障导致的停机，工作人员经过分析，在安全范围内可实现远程启动抽油机。对于三级故障，只有当故障排除之后，现场启动才可恢复抽油机正常生产。对于一级故障，向上位机发送预警指令，提示系统故障。

在本实施例中个，油井报警的具体信息包括AI报警、DI报警和油井报警；每一报警对应一按键，通过按动按键即可查看对应报警信息；如图6所示显示界面信息，AI报警状态包括：0-AI正常、1-AI上上限报警、2-AI上限报警、3-AI下下限报警、4-AI下限报警。如图7所示显示界面信息，DI报警状态分为正常和报警两种状态，报警状态包括：1-高报警和2-低报警两种。如图8所示为油井报警显示界面信息。

抽油机的故障诊断指以抽油机的示功图为依据，结合设备的机械参数和原油的物性参数，对于抽油设备和油井的故障进行定性和定量分析。根据故障的性质和影响不同，将抽油机故障分为基本故障分析和故障分析两类。基本故障分析主要分析抽油机载荷数据异常、位移数据异常、空抽、卡杆、断杆和气锁等基本故障分析。

其中，故障代码：即抽油机故障诊断结果，每一位代表一种故障，0为正常，1为故障。

载荷数据异常：载荷数据出现与油井当前抽汲参数不相符的过大或过小载荷值。

位移数据异常：载荷数据出现与油井当前抽汲参数不相符的过大或过小位移值。

空抽：由于严重欠液，引起抽油机泵的充满度极小。

卡杆：由于油井液体结蜡、污垢或其他原因引起的抽油杆卡在井筒内，几乎无法上下移动。

断杆：抽油杆由于过载引起的断裂。

卡泵：由于安装或井液引起抽油泵卡在井筒内无法移动。

气锁：当深井泵内进入气体后，使泵抽不出油来的现象。