往复泵控制系统的制作方法

专利名称：往复泵控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来改变转动致动的往复泵的速度的系统。更具体地，它涉及一种用来控制泵传动装置(pumpjack)的周期内杆速的方法和设备。
背景技术：
诸如泵传动装置的往复泵在曲臂转动期间典型地是按固定电机速度运行的。对吊在井架(horsehead)上的抽油杆柱施加的直线运动的速度、加速度和位置是由曲臂的速度、加速度和位置以及泵作动筒的几何形状决定的。在图1中描绘泵作动筒的典型几何形状。泵传动装置的常规运行保持固定的曲臂速度。因此，泵传动装置的几何形状决定本质上为正弦曲线的杆速。
为优化井产量过去已做出的调整涉及改变泵的几何形状或者提高或减小曲臂的总转速。在一个周期内，曲臂速度曲型地保持固定并且泵的动态特性由几何形状决定。
已经实施各种改变冲程内的速度的方法，它们通常提高上行程期间的速度以使效率最大并且减小下行程期间的速度以消除对流体柱的击打。在美国4,102,394号专利中，公开一种用于向泵传动装置供能的变速电动电机的控制系统。据说该控制系统允许比下行程速度要大的上行程速度并且允许响应于井中以及储存设施中的油高度来改变冲程频率。但是，未详细公开该控制系统。此外，该系统不能实施定制的速度分布。
从而，需要一种包含方法和设备的、用于方便地和完整地控制冲程周期内的曲臂速度以及杆速度的控制系统。

发明内容
概括地说，本发明包括一种用于由电动机或内燃机驱动的摆动梁(rocking beam)泵的速度控制系统。通过对抽运单元(pumping unit)的几何形状进行补偿的调整，该系统使得用户能控制抽运过程的动力学特性。本质上，使抽油杆柱的动力学特性和运动与抽运单元几何形状解耦。该系统包括电气和电子硬件、数值方法、软件算法和用户接口的设计，以便能把对抽运单元和速度分布的控制设计成控制杆的运动和动力学特性，并且同时补偿所使用的抽运单元的具体几何形状。
在一个方面，本发明可包括一种控制系统，其用于改变具有某种几何形状的并且包含变速电机和转动曲臂的抽运单元的杆速，该系统包括(a)用来对该电机提供速度设定值的可变频驱动器；(b)可操作地和该可变频驱动器连接并包含根据曲臂速度分布输出速度设定值的装置的控制器；以及(c)处理器，其包含用来建立曲臂速度分布(speed profile)并把该曲臂速度分布传送到该控制器的装置。
该系统最好还包括一个含有该抽运单元几何形状的数学表达的存储器，并且其中该处理器还包括用于建立杆速度分布的装置以及把杆速度分布转换成曲臂速度分布的装置。
在另一方面，本发明可包括一种用于控制一个具有某种几何形状的抽运单元的杆速度的方法，其中该抽运单元包括可变频驱动器、变速电机和转动曲臂，该方法包括步骤(a)建立抽运单元几何形状的数学模型；(b)从用户接收杆速度分布或曲臂速度分布；(c)若接收到杆速度分布，利用该数学模型把杆速度分布转换成曲臂速度分布；以及(d)根据该曲臂速度分布向该可变频驱动器输出速度设定值。


现通过一示范实施例参照简化、不按比例的

本发明。附图中
图1(现有技术)示意示出能实施本发明的方法或系统的常规泵传动装置单元的几何形状。
图2图示常规固定的曲臂速度分布和正弦杆速度分布。
图3示意表示泵传动装置速度控制系统的一种实施例。
图4是示意表示图3实施例的方块图。
图5是计算机软件窗口图，示出泵传动装置几何形状的计算机表示。
图6是计算机软件窗口图，示出线性杆速度分布。
图7是计算机软件窗口图，示出线性曲臂速度分布。
图8是计算机软件窗口图，示出从图6的线性杆速度分布导出的模拟曲臂速度分布。
图9是速度分布输入进程的流程图。
图10是速度控制进程的流程图。
具体实施例方式
本发明涉及用于由电动机或内燃机驱动的摇梁(waling beam)抽运单元的速度控制系统。在说明本发明时，本文所有未说明的术语具有它们通常技术上公认的含义。
在图1中示出常规摇梁抽运单元。如技术上周知那样，抽运单元的几何形状把曲臂的转动运动转换成抛光杆和吸杆的垂直直线往复运动。如文中采用那样，这种抽运单元的单个抽运周期由曲臂的一次完整回转定义。可以把单个抽运周期看成是从抽油杆柱到达其最低点的那个点开始，并且按照抽油杆柱上升、回转和下降回到它的起始位置持续。假定曲臂速度固定，杆速度实质上遵循正弦曲线，在杆行程的最高点和最低点速度达到零然后加速以达到这二点之间的最大速度，如图2中所示。
为了把典型地按每秒度数计量的曲臂转速转换成曲型地按每秒米数计量的杆的直线速度，必须知道抽运单元各个部件的尺寸和配置。在本文中将其称为抽运单元的几何形状并且可以被数学表达以得到把杆速度转换成曲臂速度的各等式。推导出任何给定抽运单元几何形状的数学模型是在本领域技术人员的技能之内的。
如本文采用那样，速度分布是一组在单个抽运周期范围中的速度值并且可以如图2中示出那样用曲线描述。在图2中，曲臂速度分布(CSP)是一条直线，表示在整个周期中曲臂速度固定。杆速度分布(RSP)则是一条正弦曲线。如本领域技术人员会意识到的那样，曲臂速度的任何变化转换成杆速度的变化。并且，在一个周期期间从一个速度值改变到另一个速度值不是立即出现的，从而在各速度值之间速度分布会向上或者向下倾斜，以表示加速或者减速阶段。
在一实施例中，本发明包括一种如图3中所示的包含一个控制器10和一个变速驱动器12的设备。在使用中，通过该具有伺服运动控制器的控制器把由曲臂速度分布规定的曲臂速度施加到变速电机14上。可以用以适当软件编程的通用计算机、固件、微控制器、微处理器或多个微处理器、数字信号处理器、其它硬件或者其它本领域技术人员知道的硬件软件的组合来实现该控制器。该控制器物理上通过该变速驱动器12控制该电机的速度。适用的变速驱动器可以是交流的或者直流的，这在技术上是周知的。在一实施例中，该驱动器可以是市场上能买到的变频交流驱动器，例如ABB ACS-601(ABB Industry Oy，Helsinki，Finland)或者Allen-Bradley 1336 Impact drive(Rockwell Automation，Milwaukee，WI，USA)。优选的可变频驱动器能在带有或不带有速度反馈的情况下实现对电机速度和/或转矩的准确控制。如果有的话，可以通过电机轴上的脉冲编码器或其它已知装置提供速度反馈。如果该电机是柴油发动器，控制器10可操作成打开或者关闭一个节流阀(未示出)以实现速度控制。
设置一个动态制动器16以在周期中抽油杆柱下降或者减速期间控制超限负载。在可变速度控制系统的技术领域中动态制动器是周知的。在某些情况下，抽油杆柱的重量大于由油井中的流体粘性以及抽运单元固有的摩擦力所提供的阻力。从而，在下行程期间，该抽运单元产生经电动机传到可变频驱动器上的能量。在一实施例中，该动态制动器包括一排阻滞元件，如技术上周知那样。也可以选用直线制动(line braking)或再生驱动器。
在一实施例中，该控制器10是微处理器并且通过一台分立的通用个人计算机(PC)例如膝上计算机提供用户接口18，该PC通过适当的数字输入/输出可操作地和该控制器连接。在该实施例中，该PC包括一个含有该抽运单元的数学模型以及允许用户输入曲臂速度分布或杆速度分布的软件的存储器。如果用户定义曲臂速度分布，则可直接使用该速度分布以便由该控制器控制曲臂速度。但是，如果用户定义杆速度分布，则必须利用抽运单元数学模型把它转换成曲臂速度分布，接着利用后者通过该控制器控制曲臂速度。
在另一实施例中，该用户接口18位于远程并且通过标准网络通信协议例如TCP/IP或以太网协议和控制器10通信。如图3中所示，远程工作站18可以通过电话、RF或与该工作站18以及控制器10关联的卫星调制解调器20来和该控制器通信。在远程设置用户接口18的情况下可以提供一个本地显示器22，用来观看用户定义的速度分布以及制图结果。
图4示意表示本发明系统的一实施例。如图3中示出那样，控制器10分立于用户接口18实现。但是，在一替代实施例中，也可以在单个组件例如一台通用计算机中实现控制器和用户接口。在一优选实施例中，用户接口是用通用计算机上运行的软件实现的，而控制器用固件分立实现。
用户接口18包括一个可在其中存储泵传动装置几何形状的数学模型的存储器22。该用户接口最好还包括一个能从预先定义的泵传动装置几何形状选择已知数学模型或者创造并存储新数学模型的软件模块。如图5中看到那样，可以从和选定制造商的具体模型对应的下拉选单30中选择数学模型。替代地，可以通过输入泵传动装置几何形状的相关值来输入或者建立新的数学模型，接着该新模型可存储在该存储器中并由该用户接口的其它模块访问。
该用户接口还可包括一个允许快速、方便输入用户定义的杆速度分布(RSP)或曲臂速度分布(CSP)的模块。用户定义的RSP可以由多个用户定义的值组成，例如初始、最大和终止上行程速度以及初始、最大和终止下行程速度。用户还可以规定加速率或者用户可以接受默认值。在一实施例中，一个或多个分布类型可以被预配置并存储在存储器中和作为选单选择提供。在一实施例中，二种分布类型是线性RSP和线性CSP。如本领域技术人员会理解那样，线性或固定的RSP可以只是曲线化CSP的结果。另一方面，线性CSP会产生曲线化RSP。
图6描述用来定义线性RSP的软件窗口的屏幕快照。分布类型是从窗口右上侧处的下拉选单32中选择的。可以看出在该例中把杆速度限制在上行程以及下行程期间的最大值上，并且加速或减速度率是相对线性的。如本领域技术人员会理解那样，这种RSP要求CSP包括一个与线性最大杆速度对应的速度逐渐减小和增加阶段。在该例中，规定加速度率并且上行程起始、结束速度与下行程起始、结束速度相同。接着该软件把RSP转换成CSP并且规定若干分布步位(profile step)。每个分布步位代表一个规定曲臂位置处的速度改变以及曲臂加速度值。如图6中所示，线性RSP可转换成具有23个分布步位的CSP。在该例中，利用杆的运动参数确定CSP。然而，在替代实施例中，用户可输入RSP步位数据表，其中每个RSP步位由一个杆位置以及该位置处的期望杆速度组成。
图7描述用来定义线性CSP的软件窗口的屏幕快照。该分布类型(Crank Speed-Dual)是从分布类型下拉选单(32)中选择的。用户可以通过规定周期中各预定点的期望速度来定义CSP的类型。CSP包括一系列步位，其中每个步位由该期望速度开始的曲臂位置、该期望速度以及加速度率构成。图7中示出具有四个步位的数据表34形式的CSP。如还可以图7看出，该CSP还可以用曲线表示。可以通过对该数据表输入值或者通过规定运动参数，例如一个周期内一些相位上最大转速，生成该数据表34和曲线表示。
一旦用户定义了期望CSP或RSP，该软件可提供仿真功能以观看得到的CSP或RSP。图8描述示出线性RSP(图6中示出的RSP)仿真结果的软件窗口的屏幕快照。在此情况下，RSP被定义并且用户可以根据曲线按表格形式观看所得到的仿真CSP。
在一实施例中，可以利用一些适当的传感器监视吸杆上的电机转矩或负载。典型地希望把转矩或杆负载限制在某些最大值内以防止杆过载。可提供带有定标算法的比例积分微分(PID)控制以便调整速度控制从而保持在某些参数范围之内。如果测出的转矩超过设定的最大值，可以调用该定标算法以缩小速度分布。
在一优选实施例中，可变频驱动器通过监视电机的电压和电流波形或者通过某些其它装置来产生实际速度参照。利用该速度参照估计一个周期内任何时刻的曲臂位置。在一实施例中，用来估计曲臂位置的装置包括一个产生模拟速度参照的部件以及一个把该速度参照转换成其频率与该速度成比例的方波脉冲串的部件。接着可以积分由方波代表的速度以便通过从脉冲编码器输入对方波边缘计数从而获得曲臂位置。在另一实施例中，可以利用脉冲编码器直接测量曲臂的位置和速度。
由于在一个周期内估计曲臂位置或者由于可能存在皮带滑动或其它机构、电气错误，希望设置纠错装置。在一实施例中，通过在每个周期用实际位置对估计位置复位来提供纠错。这可以通过设置一个接近开关40实现，该开关固定在抽运单元上能感测曲臂通过的位置处，并且一旦曲臂通过它能产生输出信号。可以在每个周期开始时或者在每个周期中于一个规定点上利用该接近开关信号对由该控制器执行的速度/时间计算所得出的曲臂估计位置进行复位。
在一优选实施例中，可以利用该实际速度参照产生能被制图和图形地显示或记录的实时速度分布。实际速度分布与用户定义的速度分布的实时比较可能特别有用。这种制图功能可以是用户接口中的基于PC的软件的一部分，它还可以接收并制图其它数据或变量，例如电机电流或转矩。
在一实施例中，可以设置一个编码器以便提供实际曲臂位置信号，在这种情况下接近开关或其它纠错装置可能是不必要的，但可能仍是希望有的，以便修正诸如皮带滑动的机构错误。
现参照图9和10说明本发明的以一种方法为形式的实施例。
图9是一个流程图，表示建立代表CSP或RSP的一系列程序步中涉及的各步骤。第一步是通过输入数据表、程序步或运动参数模板来输入CSP或者RSP(步骤100)。如果输入RSP，必须把RSP值转换成CSP(步骤110)，CSP由一系列某些曲臂位置处的曲臂速度设定组成。然后把CSP表转换(步骤120)成一系列程序步，这些程序步可下载到(步骤130)可操作地与可变频驱动器连接的控制器上。
图10展示控制器的操作。接近开关提供周期开始信号(步骤200)，随后可变频驱动器(UFD)按设定的加速度率把曲臂速度提高到期望启动速度(步骤210)。接着利用上面说明的实际速度参照估计曲臂的位置，并在适当位置调用下一个程序步(步骤220)。在该位置，按期望加速度增加或减小VFD速度设定值，并且继续该周期内所有程序步的处理。该接近开关发信号通知与下一个周期的起点完全重合的周期的终点。此刻，如果启动PID定标并且在该周期期间检测出过转矩或杆过载，可缩小速度设定值并且可为下一个周期建立一个新的定标的速度分布。可以设计该定标算法从而在每个周期按预定量减小所有速度设定值，直至由转矩传感器报告转矩减小到可接受水平。备选地，该定标算法可设计成感测转矩值的超过量并且按某百分比减小速度设定值，以便一步把转矩减小到可接受水平。在一替代实施例中，可把该定标算法设计为只在周期中的一部分上，例如只在上行程部分进行缩小处理。
如本领域技术人员清楚那样，在不背离本发明所要求的范围的情况下，可对上面的具体公开做出各种修改、调整和改变。在不背离本发明的范围的情况下，可以按与在此所说明的或要求保护的组合不相同的方式组合本发明所说明的各种特征和元部件。
权利要求
1.一种用于改变抽运单元的杆速的控制系统，该抽运单元具有某种几何形状并且包括可变速电机和转动曲臂，该控制系统包括(a)用于对该电机提供速度设定值的可变频驱动器；(b)可操作地和该可变频驱动器连接的控制器，该控制器包括根据曲臂速度分布输出速度设定值的装置；以及(c)包括用于建立曲臂速度分布并把该曲臂速度分布传送到该控制器的装置的处理器。
2.如权利要求1所述的系统，还包括一个含有该抽运单元几何形状的数学表示的存储器，并且其中该处理器包括用于建立杆速度分布的装置和用于把杆速度分布转换成曲臂速度分布的装置。
3.如权利要求1或2所述的系统，还包括用于确定曲臂的位置及其速度的装置。
4.如权利要求3所述的系统，其中，该确定装置包括一个和曲臂相关联的邻近传感器，该传感器感测曲臂的周期性经过并且随即发送信号。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述可变频驱动器包括用于产生要发送到该确定装置的实际速度参照的装置。
6.如权利要求1所述的系统，还包括用来感测电机转矩的传感器，以及用来缩放曲臂速度分布以便减小或增大电机转矩的装置。
7.如权利要求1的系统，还包括用于根据曲臂位置及其速度的确定建立实际曲臂速度分布的装置，用于把实际曲臂速度分布转换成实际杆速度分布的装置，以及用于显示曲臂和/或杆的实际速度分布的装置。
8.如权利要求2所述的系统，还包括用于根据所希望的曲臂或杆的速度分布仿真实际曲臂速度分布并且显示该仿真的曲臂速度分布的装置。
9.一种用来控制抽运单元的杆速度的方法，该抽运单元具有某种几何形状并且包括可变频驱动器、变速电机和转动曲臂，该方法包括步骤(a)建立抽运单元几何形状的数学模型；(b)从用户接收杆速度分布或曲臂速度分布；(c)若接收到杆速度分布，则利用该数学模型把杆速度分布转换成曲臂速度分布；以及(d)根据该曲臂速度分布向该可变频驱动器输出速度设定值。
10.如权利要求9所述的方法，还包括根据由该可变频驱动器产生的实际速度参照来确定曲臂的位置和速度的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，还包括利用用于感测曲臂的经过并随即发出信号的接近开关，在每次循环对曲臂位置进行一次复位的步骤。
12.如权利要求9所述的方法，还包括响应于电机转矩状态来缩放曲臂速度分布的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在一个周期的起点而不是在一个周期期间中放大或缩小曲臂速度分布。
14.如权利要求10所述的方法，还包括根据对曲臂位置和速度的确定来建立并且显示实际的曲臂或杆速度分布的步骤。
全文摘要
一种泵传动装置速度控制系统，包括一个用户接口、一个控制器和一个变速驱动器。该用户接口包括该泵传动装置几何形状的数学表示，其允许把杆速度分布转换成曲臂速度分布。
文档编号F04B47/02GK1596342SQ03801646
公开日2005年3月16日 申请日期2003年6月10日 优先权日2002年11月1日
发明者杰夫·沃特森, 拉米什·艾加瓦尔, 哈利·尤帕德海亚 申请人:多相工程控制公司