一种游梁式抽油机悬点载荷的在线软测量方法及装置与流程

本发明属于油田采油生产过程状态监测及机采提效控制技术领域，涉及一种游梁式抽油机悬点载荷的在线软测量方法及装置。

背景技术：

游梁式抽油机悬点载荷的在线准确测量是保障井泵示功图绘制和工况分析、机采系统提效与故障诊断有效性的重要措施。

目前本领域公知的测量方法是载荷传感器法，此法因需在抽油机机架或光杆上额外装设载荷传感器而存在增加材料与施工成本、增大运维工作量等缺陷，同时受载荷传感器本身寿命老化、性能系数畸变等因素制约，该法稳定性较差、准确性不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于对现有技术存在的上述问题加以解决，提供一种游梁式抽油机悬点载荷的在线软测量方法及装置，通过实时监测抽油机驱动电机电参量来实现游梁式抽油机悬点载荷的在线软测量，能准确监测游梁式抽油机悬点载荷，有效克服常规测量方法存在的易受工作环境干扰、测量结果准确度低、需额外增加传感器、安装维护不方便等缺陷。

本发明所述的游梁式抽油机悬点载荷的在线软测量方法，包括以下的实施步骤：

步骤一、通过游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的三相电压检测模块和三相电流检测模块采集游梁式抽油机驱动电机的瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，经游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的模拟信号调理电路模块放大、限幅、滤波、i/v变换后，根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式由游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的dsp系统模块计算获得驱动电机输入的实时合相有功功率值p(t)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值p1，当驱动电机运行时，需要克服其内部损耗做功，驱动电机效率为η，可利用公式(1)计算驱动电机转轴上输出的有功功率p2，

p2＝ηp1(1)

根据公式(2)计算驱动电机输出轴转矩md，

式(2)中ω为驱动电机角速度，nm为驱动电机轴转速。

可利用公式(3)计算曲柄输出轴扭矩med，

式(3)中n为抽油机冲次，i是从驱动电机到减速器输出轴的总传动比，是驱动电机轴到曲柄轴的传动效率，m是指数(md＞0、m＝1，md＜0、m＝-1)；

步骤二、由游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的单片机系统模块根据公式(4)计算单位悬点载荷在曲柄上所产生的扭矩，即扭矩因数

其中，

δ＝180°-ψ-β1(7)

ψ＝ω+φ(10)

在公式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)和(10)中，四连杆结构图如图1所示，k为极距，减速器输出轴中心o到游梁支承中心o1的距离；k1为横梁轴承中心b到极距的垂足o2与游梁支承中心o1之间的距离；k2为横梁轴承中心b到极距的垂足o2与减速器输出轴中心o之间的距离；k3为横梁轴承中心b到极距的距离；k4为横梁轴承中心b到减速器输出轴中心o的距离；a为抽油机游梁前臂的长度；c为抽油机游梁后臂的长度；r为曲柄半径；p为连杆长度，横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离；α为抽油机连杆与曲柄之间的夹角；β1为横梁轴承中心b和减速器输出轴中心o的连线与极距之间的夹角；β2为横梁轴承中心b和减速器输出轴中心o的连线与曲柄半径之间的夹角；δ为横梁轴承中心b和减速器输出轴中心o的连线与抽油机游梁后臂的夹角；φ为极距与水平线的夹角；ψ为抽油机游梁后臂与极距之间的夹角；ω为游梁倾角，是游梁前臂与水平线x的夹角，由游梁倾角测量模块进行测量，当游梁前臂在水平线以下时为正值，而当游梁前臂在水平线以上时为负值；

步骤三、对于游梁平衡游梁式抽油机，由游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的单片机系统模块根据公式(11)计算悬点载荷w，

式(11)中，b为结构不平衡重，ω为游梁倾角。

本发明用于一种游梁式抽油机悬点载荷的在线软测量方法的软测量装置，包括游梁式抽油机驱动电机电参量采集单元、游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元；其中

所述游梁式抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块和遥信检测与闭锁模块组成；

所述游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块、dsp系统模块、cpld逻辑与组合系统模块、模拟信号调理电路模块、数字信号调理电路模块、串行通信模块、液晶显示模块和键盘模块组成；

所述输出执行单元由光电耦合器和控制输出模块组成；

所述三相电压检测模块、所述三相电流检测模块、所述游梁倾角测量模块的输出端分别接入所述游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元内的所述模拟信号调理电路模块的输入端，所述遥信检测与闭锁模块的输出端接入所述游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元内所述数字信号调理电路模块的输入端；

所述模拟信号调理电路模块的输出端接至所述dsp系统模块的输入端，所述数字信号调理电路模块的输出端接至所述cpld逻辑与组合系统模块，所述dsp系统模块通过标准spi总线与所述单片机系统模块相连，同时通过通用并行输入输出口与所述cpld逻辑与组合系统模块相连，所述单片机系统模块通过通用并行输入输出口和所述cpld逻辑与组合系统模块相连，所述串行通信模块通过第一个磁耦合器模块隔离后与所述单片机系统模块内嵌的uart串行口相连，所述键盘模块的输出端经第三个磁耦合器模块隔离后与所述cpld逻辑与组合系统模块的输入端相连，所述cpld逻辑与组合系统模块的显示输出端经第二个磁耦合器模块隔离后与所述液晶显示模块的输入端相连；

所述控制输出模块通过所述光电耦合器隔离后与所述游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元内所述cpld逻辑与组合系统模块的输出端相连。

本发明具有以下有益效果：

一、采用本发明所述的方法及装置通过实时监测抽油机驱动电机电参量实现游梁式抽油机悬点载荷的测量，是一种典型的“以软代硬”间接软测量方法，不需在抽油机系统本体上额外增加传感器、不用铺设传感器电源线和信号线，减少施工成本且维护方便。

二、测量的性能不易受载荷传感器本身寿命老化、性能系数畸变等因素影响，可靠性好、准确性高。

三、本发明所述的游梁式抽油机悬点载荷软测量装置功能区明显，强弱电隔离完善，容易升级，该装置设置了专有通讯与人机交互环节，可直接无缝融入数字化油田管控平台。

附图说明

图1为本发明所述的游梁式抽油机的四连杆结构图；

其基本参数及意义表示如下：

a——抽油机游梁前臂的长度(m)；

c——抽油机游梁后臂的长度(m)；

h——抽油机游梁支承中心点到底座最下方的高度(m)；

i——游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离(m)；

k——极距，减速器输出轴中心到游梁支承中心的距离(m)；

p——连杆长度，横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离(m)；

r——曲柄半径(m)；

x——水平线(实际不存在)；

α——抽油机连杆与曲柄之间的夹角(°)；

β——抽油机游梁后臂与连杆的夹角(°)；

θ——曲柄角，以曲柄处于12点钟的位置为零度，沿曲柄旋转方向度量(°)；

φ——极距与水平线的夹角(°)；

ω——游梁倾角，当游梁前臂在水平线以下时为正值，而当游梁前臂在水平线以上时为负值；

ψ——抽油机游梁后臂与极距之间的夹角(°)。

图2为本发明所述的游梁式抽油机悬点载荷测量装置的硬件原理图。

具体实施方式

下面以游梁平衡游梁式抽油机为例，结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明所述的游梁式抽油机悬点载荷在线软测量方法的基本内容是通过游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的三相电压检测模块1和三相电流检测模块2分别采集游梁式抽油机系统中驱动电机的实时三相瞬时输入电压ua(t)、ub(t)、uc(t)和三相瞬时输入电流ia(t)、ib(t)、ic(t)，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、i/v变换后，根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式由游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的dsp系统模块7计算获得抽油机驱动电机输入的实时合相有功功率值p(t)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值p1，根据前述发明内容实施步骤中的公式(1)计算驱动电机转轴上输出的有功功率p2，根据公式(2)计算驱动电机输出轴转矩md，利用公式(3)计算驱动电机输出轴转化到曲柄上的等效驱动力矩即曲柄输出轴扭矩med。

由游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的单片机系统模块8根据公式(4)计算单位悬点载荷在曲柄上所产生的扭矩，即扭矩因数其中各未知参量可通过公式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)和(10)计算，所需参量及其含义可在图1四连杆机构图中得出。

将计算出的扭矩因数代入公式(11)，由游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的单片机系统模块8计算出游梁平衡游梁式抽油机悬点载荷w。

本发明所述游梁式抽油机悬点载荷软测量装置的一种实施例结构如附图2所示，它由游梁式抽油机驱动电机电参量采集单元、游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元、输出执行单元三大工作单元组成，游梁式抽油机驱动电机电参量采集单元、输出执行单元分别通过相应接口与游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元相连。

游梁式抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、游梁倾角测量模块3和遥信检测与闭锁模块4组成，三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、游梁倾角测量模块3的输出端接入驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5的输入端，遥信检测与闭锁模块4的输出端接入驱动电机电参量处理单元内数字信号调理电路模块6的输入端。

工作时，抽油机配电箱馈电线路中(即抽油机驱动电机电能输入回路)的三线电压通过直采方式送入三相电压检测模块1、三线电流通过既有的电流互感器变换后送入三相电流检测模块2、抽油机游梁倾角通过直采方式送入游梁倾角测量模块3，分别经游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5处理后得到抽油机驱动电机电能输入回路的瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)、瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)和游梁式抽油机的游梁倾角。

具体实例的结构设计上，三相电压检测模块1采用三只并列的电压互感器(如hpt304a、hrpt-1),三相电流检测模块2采用三只并列的电流互感器(如hct255a、hrct-1),游梁倾角测量模块3采用常见的倾斜传感器，遥信检测与闭锁模块4直接取自配电箱中空气开关的辅助触点信号。

所述游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块8、dsp系统模块7、cpld逻辑与组合系统模块9、模拟信号调理电路模块5、数字信号调理电路模块6、串行通信模块13、液晶显示模块14和键盘模块15组成，模拟信号调理电路模块5的输出端接至dsp系统模块7的输入端，数字信号调理电路模块6的输出端接至cpld逻辑与组合系统模块9，dsp系统模块7通过标准spi总线与单片机系统模块8相连，同时通过通用并行输入输出口与cpld逻辑与组合系统模块9相连，单片机系统模块8通过通用并行输入输出口和cpld逻辑与组合系统模块9相连，串行通信模块13通过第一个磁耦合器模块10隔离后与单片机系统模块8内嵌的uart串行口相连，键盘模块15的输出端经第三个磁耦合器模块12隔离后与cpld逻辑与组合系统模块9的输入端相连，cpld逻辑与组合系统模块9的显示输出端经第二个磁耦合器模块11隔离后与液晶显示模块14的输入端相连。

具体实例结构设计上，单片机系统模块8可采用内置多路a/d的数字信号处理器(如dspic30f6014a),dsp系统模块7可采用tsm320系列器件(如tsm320f2812)，cpld逻辑与组合系统模块9可采用max7000系列器件(如epm7128)，模拟信号调理电路模块5由i/v转换及放大电路(如rvc420、lm324及外围辅助元件)、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，数字信号调理电路模块6采用由钳位二极管(如in4001)、限幅稳压管、通用阻容器件构成的典型限幅、防抖电路实现，三只磁耦合器10、11、12需选用高速磁隔离器件(如adum1200)。

所述输出执行单元由光电耦合器模块16和控制输出模块17组成，控制输出模块17通过光电耦合器模块16隔离后与驱动电机电参量处理单元内cpld逻辑与组合系统模块9的输出端相连。

具体实施结构上，控制输出模块17可采用通用控制继电器(如jqx-14)或固态继电器ssr(如s310zk)，光电耦合器模块16则需选用输出驱动能力较大的光耦器件(如tlp127)。

实际工作中，该游梁式抽油机悬点载荷软测量装置通过三相电压检测模块1、三相电流检测模块2对抽油机驱动电机电能输入回路的电参数进行采样，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、i/v变换后，送入含有内置a/d转换器的dsp系统模块7分析处理和记录，得到瞬时电压值ua(t)、ub(t)、uc(t)和瞬时电流值ia(t)、ib(t)、ic(t)，再根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式由dsp系统模块7计算获得抽油机驱动电机输入的实时合相有功功率值p(t)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值p1送入单片机系统模块8。游梁倾角测量模块3对游梁式抽油机的游梁倾角进行采样，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、i/v变换后，送入含有内置a/d转换器的dsp系统模块7分析处理和记录，得到游梁倾角送入单片机系统模块8。单片机系统模块8根据传来的各项参数，依据前述发明实施步骤，最终计算出游梁式抽油机的悬点载荷w，至此我们通过实时监测抽油机驱动电机电参量实现了对游梁式抽油机悬点载荷的软测量。

游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元中的键盘模块15为用户提供参数设置以及功能选择接口，与液晶显示模块14共同完成人机交互功能；游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元中cpld逻辑与组合系统模块9接受经第一磁耦合器模块12隔离后的键盘模块15产生的按键信息，进行逻辑运算与处理形成控制指令或控制参数后直接送至游梁式抽油机驱动电机电参量处理单元中的单片机系统模块8，以对悬点载荷软测量系统进行运行参数设定。

抽油机配电箱中空气开关的辅助触点直接接入遥信检测与闭锁模块4，以便工作人员远程监控此开关的工作状态。

本发明装置进行在线软测量游梁式抽油机悬点载荷的过程如下：

1)系统上电、自检、初始化；

2)检查本发明装置自身系统是否有故障，有故障时转入相应处理程序，给出故障诊断提示信息，无故障时向下步执行；

3)不断采集抽油机配电箱馈电支路三相电流、三相电压瞬时值，采集游梁式抽油机的游梁倾角值ω；

4)计算实时合相有功功率值p(t)，从而得到驱动电机输入平均有功电功率测量值p1；

5)计算驱动电机输出轴转矩md，从而计算出曲柄输出轴扭矩med；

6)计算扭矩因数

7)计算游梁平衡游梁式抽油机悬点载荷w；

8)重复步骤2)～步骤7)。

通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明的精髓所在——通过实时采集、处理、计算抽油机驱动电机的输入有功功率，从而计算出曲柄输出轴扭矩，再通过对四连杆机构的分析得出扭矩因数，据此建立了驱动电机输入电参数、抽油机四连杆定参数以及抽油机驴头悬点载荷之间的数学模型，实现对游梁式抽油机悬点载荷的软测量。

本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进(如基于此种方法改进的复合平衡游梁式抽油机悬点载荷的软测量方法)，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。