专利名称：抽油机智能增效控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种抽油机智能增效控制器，是一种光机电一体化和电子信息相结合的高性能工业控制设备，主要应用于油田抽油机采油的智能增效控制。
背景技术：
目前国内的大部分油田都处于开采的中期，二次、三次采油的某些技术带有很大的弊端，不是对油层油质具有破坏性，就是自身构成污染，不符合环保要求，也就是说造成了过分开采或是急于求成。事实上说，遵循自然的规律，某些油井通过地面控制设备合理调参、优化管理，使系统始终处于最佳的运行状态，保证机杆泵的优化组合，就可以达到很好的采收效果和环保要求，实现可持续发展。所谓调参优化，就是改变传统的几年如一日的单一不变的工频运行方式，具体的说，主要就是合理调整抽油机的冲次数和冲程速度比，即调整电机的转速。
抽油机在我国石油开采中有极大的使用量，其电力消耗量很大，系统效率很低，节能降耗潜力巨大。抽油机电控装置的发展可降低石油开采成本，带来巨大的经济效益。推进石油企业装备的进步，可增强我国石油企业参与国际石油市场竞争的能力。国内对抽油机电控设备的研究方兴未艾，将促进该领域的进步和飞跃。抽油机电控装置的发展方向是提高系统效率、节能效果明显、保护功能齐全、适应油田环保要求、改善投入产出比，具有人工智能并以人为本的控制设备将更受欢迎。
经过大量的调查了解，目前国内只有少数几家企业研究类似技术，但技术都比较简单，大多为星角转换、可控硅调压调速或通用变频器的开环应用等，没有对抽油机实现闭环控制，同时这些方法都存在一定技术问题，比如有机械噪音、对电网有污染等；也有利用油井井口处的采油量大小为主要参数，通过能量泄放式变频器调速，形成闭环控制，可是由于井口处刚采出的原油气液混合，组成成分不确定，再加上温度、压力和地理位置等因素，不但无法实现准确计量，甚至连定性判断都做不到，因此没有对抽油机实现真正的闭环智能控制，另外，这种办法以强调增加产油量为主，不系统，不全面，不客观；还有以示功图或动液面为主要测量参数，人工参与形成闭环控制，但是设备复杂，要用一个很大的气泵，连接电缆和辅助设备很多，致使体积很大，需要装在测试车上，因此仅限于单井试验性质，不能长期用于抽油机的在线控制，不能形成实用的批量产品。
另外，目前的抽油机电控设备，都存在一些普遍的问题首先，大都只强调节电一方面，没有考虑到地下资源和机杆泵的优化组合，没有考虑到机械磨损、泵体漏失及对电网的污染等因素，即没有考虑到抽油机井的整体系统效率。其次，性能都不太稳定、故障率高、抗干扰性差，没有考虑到油田电网的特殊性和被控对象抽油机井的多变性，没有合理的电气设计结构。因此，目前的抽油机电控设备实际使用效果都不很理想。
实用新型内容要解决的技术问题本实用新型所涉及的抽油机智能增效控制器，正是在这种情况下，为解决上述各种技术问题而设计开发的。本实用新型抓住了决定抽油机运行的两个最重要参数，并以其为核心，实现了抽油机井的真正闭环控制，实现了准确控制；考虑到了机杆泵的优化组合，并同时将降低机械磨损、减少泵体漏失及地下资源的供给等因素考虑进去，提高了抽油机井的系统效率；解决了机械噪音和对电网污染的问题；一定技术程度上实现了节能降耗和增产增收的有机统一，提高了抽油机系统的投入产出比，增加了油田的经济效益；在技术上做到了自身的实用化、产品化，考虑到了油田电网的特殊性和抽油机井的多变性，采用了合理的电气设计结构，性能稳定、安全可靠、故障率低、抗干扰性能好。
同时，本实用新型实现了人工智能，并坚持以人为本的原则，实现了自动控制，能够自动适应、自动维护、自动处理系统故障，可实现无人值守。本实用新型也设计了信息远距离无线传输的功能，可实现网络化、集约化、可视化管理，可实现遥测遥控、防盗报警等功能。
技术方案本实用新型为解决以上技术问题所运用的技术方案如下本实用新型主要包括弱电部分和强电部分，其特征在于它以能在线测量油井动液面的动液面传感器和能在线测量油井示功图的光杆负荷及位移传感器同时与CPU相连为核心，实现抽油机井的准确闭环控制，进而实现抽油机井的智能增效功能。
本实用新型的关键技术是抓住了决定抽油机运行的两个最重要参数，即动液面和示功图，并对这两个参数进行了切实可行、准确有效的测量，同时把这两个参数进行了有机结合，作为抽油机井闭环控制的主要依据。动液面是抽油机井的井口到井下油层表面的距离，它反映了油层对该油井的供液能力，通过它可以知道地下有没有油及充足与否；示功图是抽油机井光杆的负荷和其位移的曲线图，它主要反映了泵的抽汲能力和泵的工作情况以及整个抽汲管路的工作情况，比如是否有漏失等，同时它也一定程度上反映了抽油机的整个机电拖动系统工作是否正常。动液面是前提，即有没有油；示功图是基础，即是否具备了良好的抽汲能力。知道了这两个参数，采油工作制度将非常容易确定，抽不抽，怎样抽，事情就非常明确。因此，以动液面和示功图为主要参量建立的闭环系统，才是对抽油机井实现了真正的闭环自动控制，实现了准确控制。
本实用新型所涉及到的其它技术有变频调速和能量回馈，备用工频及工变频互锁，电参数测量，运行止点检测，套管和油管的温度及压力测量，人机界面，数据存储，故障及防盗报警，有线及无线通讯，系统自整定等。这些技术都是配合动液面和示功图这两个参量，为了更好的实现抽油机井的真正闭环控制，它们也是整个控制系统必不可少的部分。
本实用新型的整体构成分为四个部分，它们是①主控CPU部分(CPU_1)，②从控CPU部分(CPU_2)，③变频及能量回馈部分，④备用工频及工变频互锁部分。其中①②又叫控制部分，或弱电部分；③④又叫动力部分，或强电部分。下面叙述各部分的主要结构、功能、连接关系以及它们是如何解决上述技术问题的。
主控CPU部分，即CPU_1部分，是本实用新型的核心控制部分，它以一款内核16位、数据总线为8位的高性能C8051F020单片机为核心，组成了一个计算机工作系统，这款单片机是美国Cygnal公司生产的，内部资源丰富，集成AD、DA、PWM、6个IO口、4K的RAM、64K的ROM、I2C总线、看门狗等功能资源，稳定可靠，抗干扰性能好。主控CPU部分包括电参数测量传感器及变送单元、运行止点检测传感器、LCD液晶显示器和键盘输入的人机界面、数据存储芯片、故障及防盗报警装置、有线及无线通讯装置、系统环境温湿度自整定等其它装置。受主控CPU控制或与之相连的有通过8位并行数据总线与从控部分CPU_2相连，主要是发出对从控CPU_2的控制命令和接受CPU_2提交的数据，诸如发出何时测量何种数据的命令以及接受动液面和示功图的数据及结论等；主控CPU通过PWM接口，经光电耦合器与变频部分的CPU_3相连，发给变频单元模拟量信号，用于变频运行的调速参数，同时通过继电器隔离与变频部分的CPU_3相连，发给变频单元开关量控制命令，使用光电耦合器和继电器是为了信号隔离，避免相互干扰；主控CPU与电参数测量传感器的变送单元相连，对系统的用电参数进行时时分析和监测，用主控CPU直接处理电参数，其目的在于能够及时对用电情况作出判断，对异常情况能够迅速作出处理，保证抽油机井的电气安全；主控CPU与运行止点检测传感器相连，一是调整抽油机运行速度的参照，二是为了时时监测抽油机的机械运行状态，其目的在于能够及时对机械运行情况作出判断，对异常情况能够迅速作出处理，保证抽油机井的机械安全，止点检测传感器选用霍尔效应的磁接近开关方式，安装在抽油机的平衡块处，或者是选用加速度等效的方式，安装在抽油机的驴头处；主控CPU与人机界面相连，主要是用于系统参数的设置和用户信息的输入输出，输入装置是横排5个及竖排5个共10个按键，输出装置是320×240的汉字点阵液晶显示器；主控CPU与数据存储芯片相连，主要是对用户数据的保存，此功能由I2C总线的E2PROM非易失性存储器24WC256完成，或由并行总线的E2PROM非易失性存储器29C040完成；故障及防盗报警装置与主控CPU相连，受控于主控CPU，异常时发出远程报警信号；有线及无线通讯装置与主控CPU相连，完成控制系统与外部的通讯，有线通讯用MAX232/485接口完成，无线通讯用GSM/GPRS移动通讯网络或微波通讯完成；环境温湿度检测装置与主控CPU相连，用于测量数据补偿的参考以及系统自适应、自整定的依据。主控CPU内置一套嵌入式专家系统软件，完全用C语言编程，其主要功能是以动液面和示功图为核心参量，并将二者有机结合，同时以其它参数为辅助参量，实现了人工智能，建立并实现抽油机井的闭环控制方法和数学模型，对抽油机井实现真正的闭环控制，专家系统软件将机杆泵及地下资源的优化组合、节能降耗和增产增收的有机统一、油田电网的特殊性和抽油机井的多变性等因素都考虑到了，总之，本实用新型几乎所有功能的实现都是由主控CPU内置的专家系统软件来控制完成的。
从控CPU部分，即CPU_2部分，是本实用新型的主要控制参量的信号取集及处理部分，它也是由一款高性能单片机为核心组成的计算机工作系统，如C8051F020。从控CPU部分包括动液面传感器和与之相连的控制与变送单元，光杆负荷及位移传感器和与之相连的控制与变送单元，套管及油管的温度及压力传感器和与之相连的变送单元。受从控CPU控制或与之相连的有首先，它与主控CPU_1相连，受控于主控CPU_1，完成与主控CPU_1的信息及数据交换；从控CPU通过MAX232/485接口与动液面传感器的控制与变送单元相连，完成对动液面的测量控制，并根据回馈信号筛选出动液面的数值，或者从控CPU以无线的方式与动液面传感器的控制与变送单元进行数据交换；从控CPU与光杆负荷及位移传感器的控制与变送单元相连，发出测量控制命令，接收并处理光杆负荷及位移信号，将数据图形化，做出示功图，并抽取特征点的数值，提交给主控CPU_1，光杆负荷及位移传感器可以选用沈阳天地电脑有限公司设计制造的TD01G系列通用功图传感器，此传感器融负荷传感器与位移传感器于一体，并可实现数据无线传输，即TD01G系列通用功图传感器可以用无线的方式与从控CPU进行数据交换；从控CPU还与套管及油管的温度及压力传感器的变送单元相连，测定套管及油管的温度及压力。从控CPU内置一套嵌入式应用软件，完全用C语言编程，其主要任务是在线测量动液面、示功图及温度压力的有关数据，并时时对数据进行分析计算，给出抽油机井的动液面、负荷、泵效、温度及压力等的变化情况，快速解析出油井的动液面、示功图的变化规律，并将有关数据和结论及时准确的提交给主控CPU_1，总之，本实用新型的主要数据的取集、标定、整合及提交，都是由从控CPU内置的应用软件来完成的。
变频及能量回馈部分，属于本实用新型的动力电部分，也是强电核心部分，所包含的部件单元及依次连接关系是总空气开关、输入交流接触器、电抗器、变频单元、输出交流接触器，另外还包括能量回馈单元。变频单元的前端与电抗器相连，同时与能量回馈单元相并连，变频单元的后端与输出交流接触器相连。变频单元前端加电抗器是为了滤掉了高次谐波，避免对电网的污染。
备用工频及工变频互锁部分，也属于本实用新型的动力电部分，所包含的部件及依次连接关系是总空气开关，工频交流接触器。这里的总空气开关与变频及能量回馈部分的总空气开关指的是一个，即是并联共用的。工频交流接触器与变频及能量回馈部分的输出交流接触器通过相互将常闭辅助触点串入对方的控制线圈里实现了互锁关系，即两者不能同时吸合，两者的输出又并接在一起，外接电机。同时工频回路里装有无源电机综合保护器。
以上四部分是一个有机的整体，在主控CPU中央处理器的核心控制下，共同完成本实用新型的所有功能，除了有关的几种外接传感器和信号外，它们组装在一个结构设计合理的主机配电柜箱体内，箱内留有外接传感器接口和标准的可扩展外部信号接口，如RS232/485接口。
下面对本实用新型技术方案中的几个主要技术环节是如何实现的，进一步加以说明。
本实用新型的动液面检测装置与目前已有的完全不一样，目前已有的动液面检测技术除了本实用新型背景技术中提到的用大型气泵测试的方法之外，还有通过炮枪回声的测试方式，但此方法也只能由人工参与单次测量，不能用于在线动态控制。本实用新型所涉及的动液面传感器包括发讯装置、接收装置和控制与变送处理单元，这三者设置在一个内径为90毫米、长度为360毫米、壁厚为10毫米的圆形密闭管腔内，接收装置设置在圆形管腔的前面，圆形管腔前面的端部设置有锥形管罗纹，能够与油井套管的连通管通过锥形管罗纹紧密连接，发讯装置设置在圆形管腔的中间，控制与变送处理单元设置在圆形管腔的后面，发讯装置和接收装置通过电缆分别与控制变送处理单元相连，控制与变送处理单元通过电缆与CPU_2相连，以RS232/485通讯接口与CPU_2进行数据交换，或者以无线的方式与CPU_2进行数据交换，此时本装置须设置电池和无线收发天线。接收装置就是通用的微音器，与炮枪回声测试法使用的微音器一样，其功能是将接收到的声音信号转换成电信号。控制与变送处理单元是控制发讯装置发讯和放大处理微音器回馈电信号的装置，并将最终信号送给CPU_2。发讯装置的实现有两种方法，一种是高压气爆法，一种是高压放电法。高压气爆法的原理是，将一个密闭缸体中的气体升压到5MPa左右的压力，然后在不超过0.5毫秒的时间内迅速释放，其所发出的声音，能够传播到2000米以内的油井动液面，并且其反射波能够被接收装置微音器接收到，高压气爆法的发讯装置可以选一种特制微型电动气泵来实现，浙江瑞安金鼓汽车电器有限公司能够设计制作；高压放电法的原理是，以220V以下低压电为电源，将其通过升压电路升到一定的高压，加在两个间距适当的特制电极上，通过一定的控制装置，将此高压在0.1毫秒内迅速放电，其所发出的声音，能够传播到2000米以内的油井动液面，并且其反射波能够被接收装置微音器接收到，高压放电法的发讯装置由低压电源、升压电路、放电电极及控制装置等几部分构成。
本实用新型的变频工作原理与传统的通用变频器基本一样，也是采用交直交的原理，本实用新型的不同点是后级变成交流后，不但能够变频，还能根据负载的变化调压，是通过改变脉宽调制深度的办法来实现的，变频能使抽油机低速软启动，把电机的启动电流降低3～5倍，克服了启动时的电流浪涌现象；本实用新型的能量回馈装置是本实用新型特有的，传统用于抽油机的普通变频技术均是能量泻放式，即是通过大功率电阻放电的方式，将电机发电状态时直流桥臂的泵升能量白白的耗散掉，而本实用新型是将这部分能量经过有效处理反馈回电网，再生利用。
本实用新型的主机配电柜箱体，采用活动式分层结构，强弱电分开，具体结构是，整个箱体分成前后两层，后层为固定式，安装强电器件，前层为活动式，以一侧为轴，可以象门一样自由开闭，前层安装弱电器件，两层之间用控制电缆相连。这种结构的优点是(1)便于隔离和屏蔽，主机板可以方便的加屏蔽罩，极大地减少了系统的内外部电磁干扰，提高了稳定性；(2)便于布线，使走线更加合理；(3)便于防尘、防潮；(4)便于生产组装和维护修理；(5)使整机结构更加紧凑、小型化，便于运输、安装、调试。用于抽油机控制的传统配电柜都是单层结构，存在不便于维修等问题，且不具备上述优点。
有益效果本实用新型与传统的抽油机配电柜相比，其有益效果如下本实用新型实现了抽油机井的真正闭环控制，实现了准确控制，提高了抽油机井的系统效率；实现了抽油机井系统的节能降耗和增产增收的有机统一，提高了抽油机井系统的投入产出比，增加了油田的经济效益；适应了油田电网的特殊性和抽油机井的多变性，性能稳定、安全可靠、故障率低、抗干扰性能好、没有机械噪音、对电网没有污染。
本实用新型的具体优点为提高了系统的用电功率因数，有功和无功功率在某些工况下有很大降低；冲次数可连续调整，解决了长期以来抽油机调参难的问题，并可以对抽油机无级调速，任意控制抽油速度，且不必更换皮带轮等机械设备；冲程速度比可调，可调整为上快下慢或上慢下快，改善了不同油质的泵的充满度，减少了泵体漏失；实现了软启动，把电机的启动电流降低3～5倍，克服了启动时的电流浪涌现象，有效地保护了电机及机械设备，大大延长了它们的使用寿命；实现了软拖动，把电机的运行电流降低1～2倍，使抽油机的整体运行变成一个柔性过程，减少了断杆、脱扣、卡死、皮带打滑等异常现象，延长了检泵周期，有效的减少了修井作业次数；解决了“大马拉小车”的问题，同一口油井可以换功率小一档的电机拖动，降低了由于电机铜损、铁损造成的空耗。
另外，本实用新型还具体以下优点人性化设计，友好人机界面，LCD液晶中文显示，操作简单，使用方便，能够自动适应、自动维护、自动处理系统故障，可实现无人值守，为油田提升管理水平奠定了技术基础；多重保护，电气特性符合国家安全标准；适应面广，可控制各种复杂工况的抽油机；设计新颖，智能化程度高；防盗性能好，安全可靠。
图1是本实用新型的系统原理框图。
图2(a)、图2(b)、图2(c)、2(d)、图2(e)、图2(f)是本实用新型主控CPU部分的电路原理图的分解图。
图3是本实用新型从控CPU部分的电路原理图。
图4是本实用新型强电部分的电气原理图，即动力电的主回路原理图。
图5是本实用新型强电部分的工变频互锁原理图。
图6是本实用新型动液面传感器的组成结构示意图，图中锥形管罗纹1、圆形管腔2、发讯装置3、接收装置4、控制及信号处理电路5、控制电缆6、连接电缆7。
图7是本实用新型动液面传感器发讯装置的高压放电法的结构示意图，图中密闭缸体1、电容器组2、控制装置3、功率阻排4、放电电极5、绝缘环6、电源及控制电缆7、放电电缆8。
图8是本实用新型动液面传感器发讯装置高压放电法的升压电路原理图。
图9是本实用新型动液面传感器的控制及信号处理的电路原理图。
图10是本实用新型的主机配电柜结构图，图中前门1、后门2、强电器件挂板3、弱电器件挂板4、强电器件5、弱电器件6、人机界面7、外接线端子排8、强弱电连接端子排9。
图11是传统配电柜结构图，图中前门1、后门2、强弱电器件挂板3、强弱电器件4。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
图2(a)～图2(f)是本实用新型主控CPU部分的电路原理图的分解图。在图2(a)中，IC1为主控CPU，即单片机C8051F020或C8051F022，这两款单片机是美国Cygnal公司生产的，内核16位、数据总线为8位，集成AD、DA、PWM、6个IO口、4K的RAM、64K的ROM、I2C总线、看门狗等功能，内部资源丰富，稳定可靠，抗干扰性能好，IC2是CPU的复位芯片，由IMP809S完成，J1是与从控CPU相连的并行数据总线及控制接口，J2是320×240的汉字点阵液晶显示器接口，RA1是并行数据总线的上拉阻排，IC3为数据存储芯片24WC256，它的SDA、SCL管脚与CPU的P0.2、P0.3对应相连，通过I2C总线协议与CPU实现数据交换，完成对用户数据的保存，J3为2×5键盘接口，实现10个按键功能，J4为PWM接口，与变频部分的CPU_3相连，发给变频单元模拟量信号，用于变频运行的调速参数，JTAG为CPU的仿真及编程接口，用以实现CPU嵌入式程序的在线仿真调试和下载，在图2(a)中TX0、RX0、SPI-CS、SPI-SCLK、SPI-DIN、SPI-DOUT、SPI-RST、SPI-SIG、IO-1、IO-2、IO-3、IO-4、P1.7、P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4是与其它分解图中有关器件相连的网络标号，其中TX0、RX0与MAX232A相连，实现串口通讯，SPI-CS、SPI-SCLK、SPI-DIN、SPI-DOUT、SPI-RST、SPI-SIG与ATT7022相连，实现电参数测量，P1.7、P2.0与止点位置传感器相连，实现止点位置检测，IO-1、IO-2、IO-3、IO-4、P2.1、P2.2、P2.3、P24与输入输出接口相连，实现开关量的IO输入输出；在图2(b)中，IC5为电量测量集成芯片ATT7022，它融电量监测和功率转换等功能为一体，可实现本实用新型的电参数测量要求，J5为三相电的电流互感器输入接口，J6为三相电的电压传感器输入接口，SPI-CS、SPI-SCLK、SPI-DIN、SPI-DOUT、SPI-RST、SPI-SIG为SPI总线接口，与CPU相连并实现数据交换；在图2(c)中，J7为输入接口，实现开关量的输入，P2.1、P2.2、P2.3、P2.4与CPU相连，中间有光电耦合器隔离；在图2(d)中，J8、J9、J10、J11为输出接口，实现开关量的继电器输出，IO-1、IO-2、IO-3、IO-4与CPU相连，中间有光电耦合器隔离；在图2(e)中，IC6为串口通讯芯片MAX232A，TX0、RX0与CPU相连，J12为RS232串行接口，与外部相连；在图2(f)中，J13、J14为抽油机运行的上下止点位置传感器接口，P1.7、P2.0与CPU相连，中间有光电耦合器隔离。以上为本实用新型主控CPU部分的电路实现图例，有关的功能基本在其中，至于外连的相关部分将根据要求合理选择或制作。
图3是本实用新型从控CPU部分的电路原理图。图中，IC7为从控CPU，即单片机C8051F020或C8051F022，IC11是CPU的复位芯片，由IMP809S完成，J15是与主控CPU相连的并行数据总线及控制接口，IC8为数据存储芯片24WC256，它的SDA、SCL管脚与CPU的P0.2、P0.3对应相连，通过I2C总线协议与CPU实现数据交换，完成对有关数据的保存，IC9为串口通讯芯片MAX232A，J19为RS232串行接口，与光杆负荷及位移传感器相连，实现示功图的测量，IC10为串口通讯芯片MAX485，J17为RS485串行接口，与动液面传感器相连，实现动液面的测量，这里要提的是，J17和J19均可以根据实际需要外接标准的RS232/485转换接口、如距离的远近有变化时，J18为8路模拟量转换的AD接口，温度及压力等的测量均是通过此接口来完成的，每路均有稳压二极管保护，J16为一路开关量输入接口，J20为一路开关量继电器输出接口，此二接口为备用接口，JTAG为CPU的仿真及编程接口，用以实现CPU嵌入式程序的在线仿真调试和下载。以上为本实用新型从控CPU部分的电路实现图例，有关的功能基本在其中，至于外连的相关部分将根据要求合理选择或制作。
图4是本实用新型强电部分的电气原理图，即动力电的主回路原理图，图中，变频主回路及依次连接关系是输入端子排Pin、总空气开关MC1、变频输入交流接触器KM1、电抗器EMC、变频单元BPD、变频输出交流接触器KM3、输出端子排Pout，另外能量回馈单元NLD的交流端与变频单元BPD的输入端(R、S、T)对应相连，直流端(DC+、DC-)与变频单元BPD的直流桥臂(P、N)对应相连；工频主回路及依次连接关系是输入端子排Pin、总空气开关MC1、工频交流接触器KM2、电机综合保护器FR、输出端子排Pout，其中输入端子排Pin、总空气开关MCI、输出端子排Pout是与变频回路共用的。Pin为输入端子排，接电源，Pout为输出端子排，接电机。
图5是本实用新型强电部分的工变频互锁原理图。图中，工频交流接触器KM2的线圈控制回路里串入了变频输出交流接触器KM3的常闭辅助触点KM3-1，只要变频输出交流接触器KM3吸合，常闭辅助触点KM3-1将打开，工频交流接触器KM2将不可能吸合；同理，变频输出交流接触器KM3的线圈控制回路里串入了KM2的常闭辅助触点KM2-1，只要工频交流接触器KM2吸合，常闭辅助触点KM2-1将打开，变频输出交流接触器KM3将不可能吸合，即二者实现了互锁关系，此互锁关系的实现，其目的一是保证了变频单元不会被反向加电，因为变频单元反向加电将会被损坏，其目的二是保证了工变频不能同时启动，保证了抽油机系统的运行安全。图中，变频输入交流接触器KM1也与工频交流接触器KM2实现了互锁关系，保证了不用变频运行时变频单元不加电，不但节省了电能，也保护了变频单元。图中，KT1-1、KT1-2是变频控制的时间延时继电器的常开触点，KT2-1是工频控制的时间延时继电器的常开触点，加时间延时继电器延时，是为了避免工变频切换启动时发生竞争冒险现象。图中，YZ1、YZ2、YZ3是过电压抑制器，作用是抑制交流接触器通断瞬间的浪涌电流，目的是避免交流接触器线圈的损坏和对外部的电磁干扰。
图6是本实用新型动液面传感器的组成结构示意图，图中圆形管腔2是一个内径为90毫米、长度为360毫米、壁厚为10毫米的无缝圆形钢管，动液面传感器的所有部件就在这个圆形管腔内，圆形管腔2前面的端部加工成锥形管罗纹1，能够与油井套管的连通管通过锥形管罗纹1紧密连接，接收装置4设置在圆形管腔的前面，发讯装置3设置在圆形管腔的中间，控制及信号处理电路5设置在圆形管腔的后面，发讯装置3和接收装置4通过控制电缆6分别与控制及信号处理电路5相连，控制及信号处理电路5通过连接电缆7与CPU_2相连，以RS232/485通讯接口与CPU_2进行数据交换，或者以无线的方式与CPU_2进行数据交换，此时本动液面传感器须设置电池和无线收发天线。接收装置4就是通用的微音器，与炮枪回声测试法使用的微音器一样，其功能是将接收到的声音信号转换成电信号。控制及信号处理电路5是控制发讯装置发讯和放大处理微音器回馈电信号的装置，并将最终信号送给CPU_2。
图7是本实用新型动液面传感器发讯装置的高压放电法的结构示意图，图中密闭缸体1中设置有电容器组2及功率阻排4等升压元件和控制装置3，电容器组2和功率阻排4等升压元件按升压原理排列组合并相连接，通过控制装置3的控制，经放电电缆8与放电电极5相连接，放电电极5通过绝缘环6伸出在密闭缸体1之外，放电电极5为两个，即两极，两极的尖端表面由银或金等耐氧化重金属制成，两极的间距在10毫米之内，本发讯装置通过电源及控制电缆7与动液面传感器的控制及信号处理电路相连，由动液面传感器的控制及信号处理电路为其提供低压电源和控制命令。
图8是本实用新型动液面传感器发讯装置的高压放电法的升压电路原理图示例。在图中，T为电源变压器，V为二极管，r、R、rf、rt为充放电电阻，C1、C2……Cn充电电容，g1、g2……gn为充电开关，F为放电电极，此电路运用了电路理论中的叠加原理逐级升压，达到放电发声的要求。
图9是本实用新型动液面传感器的控制及信号处理的电路原理图。在图中，IC1为中央处理器CPU，由P89C51RA完成，P89C51RA有可并行编程的非易失性FLASH程序存储器，可实现串行在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP)，是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器，有4组8位I/O口、3个16位定时/计数器、多中断源、1个增强型UART、片内振荡器等系统内资源；IC2为CPU复位芯片，由IMP810实现；IC3为AD转换芯片，由TLC1543完成；IC4为串口通讯芯片MAX232A；IC5、IC6、IC7、IC8为运算放大器，实现微音器电信号的调制、放大和滤波功能，其中IC5、IC6为OP27，IC7、IC8为OP37；J1为环境温度传感器的输入接口，J2为微音器电信号的输入接口，J3为一路开关量的输入接口，J4为一路开关量的继电器输出接口，J3、J4可实现动液面传感器检测的控制，J5为RS232串行接口，实现动液面传感器与从控CPU的相连，J5可根据实际需要外接标准的RS232/485转换接口，以增加信号的传输距离。
图10是本实用新型的主机配电柜结构，图11是传统配电柜结构，在图11中，传统配电柜只是单层结构，强弱电器件4安装在一起，均安装在强弱电器件挂板3上；而本实用新型将配电柜分成前后两层，前层有弱电器件挂板4、弱电器件6、人机界面7，后层有强电器件挂板3、强电器件5、外接线端子排8，前后两层通过强弱电连接端子排9相连，这样可以带来许多优点。
关于本实用新型的具体实施，需要补充说明的是，涉及的变频单元为可选的部件，涉及的CPU_3为变频单元的中央处理器CPU，涉及的能量回馈单元也为可选的部件，涉及的CPU_4为能量回馈单元的中央处理器CPU。
权利要求1.一种抽油机智能增效控制器，其特征在于它包括弱电部分和强电部分，所述的弱电部分包括主控CPU_1和从控CPU_2，主控CPU_1与电参数测量传感器的变送单元、运行止点检测传感器、LCD液晶显示器、键盘输入装置、数据存储芯片、故障防盗报警装置、通讯装置均相连，同时主控CPU_1通过数据总线与从控CPU_2相连、通过模拟与数字信号与强电部分的变频及能量回馈部分的CPU_3相连，从控CPU_2与光杆负荷及位移传感器的控制与变送单元、动液面传感器的控制与变送单元、套管及油管的温度及压力传感器的变送单元均相连，所述的强电部分包括变频及能量回馈部分、备用工频部分、工变频互锁单元，变频及能量回馈部分的前端与控制电源的总空气开关相连，后端与工变频互锁单元相连，备用工频部分与变频及能量回馈部分相并联。
2.根据权利要求1所述的抽油机智能增效控制器，其特征在于所述的动液面传感器包括发讯装置、接收装置和控制与变送处理单元，这三者设置在一个内径约为90毫米、长度约为360毫米、壁厚约为10毫米的圆形密闭管腔内，接收装置设置在圆形管腔的前面，圆形管腔前面的端部设置有锥形管罗纹，能够与油井套管的连通管通过锥形管罗纹紧密连接，发讯装置设置在圆形管腔的中间，控制与变送处理单元设置在圆形管腔的后面，发讯装置和接收装置通过电缆分别与控制变送处理单元相连，控制与变送处理单元通过电缆与CPU_2相连，以RS232/485通讯接口与CPU_2进行数据交换，或者以无线的方式与CPU_2进行数据交换，此时本装置须设置电池和无线收发天线。
3.根据权利要求1所述的抽油机智能增效控制器，其特征在于所述的抽油机智能增效控制器除了有关的几种外接传感器和信号外，它们组装在一个结构设计合理的主机配电柜箱体内，箱内留有外接传感器接口和标准的可扩展外部信号接口，主机配电柜箱体采用活动式分层结构，强弱电分开，具体结构是，整个箱体分成前后两层，后层为固定式，安装强电器件，前层为活动式，以一侧为轴，可以象门一样自由开闭，前层安装弱电器件，两层之间用控制电缆相连。
专利摘要本实用新型涉及一种抽油机智能增效控制器，是一种光机电一体化和电子信息相结合的高性能工业控制设备，主要应用于油田抽油机采油的智能增效控制。它主要包括弱电部分和强电部分，其特征在于它以能在线测量油井动液面的动液面传感器和能在线测量油井示功图的光杆负荷及位移传感器同时与CPU相连为核心，实现抽油机井的准确闭环控制。弱电部分包括主控CPU部分和从控CPU部分，强电部分包括变频及能量回馈部分和备用工频及工变频互锁部分。它提高了抽油机井的系统效率，实现了抽油机井系统的节能降耗和增产增收的有机统一，提高了抽油机井系统的投入产出比，增加了油田的经济效益，适应了油田电网的特殊性和抽油机井的多变性。
文档编号E21B43/00GK2854136SQ20052002203
公开日2007年1月3日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者王洪亮 申请人:王洪亮, 高庆松