专利名称：螺杆泵井智能监控设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种螺杆泵井智能监控设备，是一种光机电一体化和电子信息 及通讯技术相结合的高性能工业控制设备，主要应用于油田螺杆泵井采油的智 能监控。
背景技术：
随着螺杆泵采油技术的日趋成熟，应用规模逐渐扩大，如何进一步降低螺 杆泵采油技术的成本，提高油田的开釆效益，在油田开发中日益凸现。
由于螺杆泵采油，是油田开发中新兴的机械举升工艺，在技术和管理等方 面还不完善，存在着空抽、结蜡、偏磨等现象，造成烧泵、杆断、管漏等问题， 检泵率高，检修周期短，影响了原油生产，降低了油田生产的经济效益。大面 积推广使用螺杆泵采油技术后，大部分采油工之前没有接触过螺杆泵，有些技 术人员也只是在理论上接触过螺杆泵知识，在螺杆泵井日常管理上还有很大欠 缺，不能及时发现、及时处理问题。尽快摸索分析螺杆泵井采油中各参量间的 关系，及时合理的采集现场各项生产数据，建立工况分析诊断模型，能够对生 产作业起到很好的作用。
国内机采井自动测控程度较低，特别是螺杆泵井。这也是致使一些螺杆泵 井工况不合理，调整不及时导致系统效率偏低，管理不及时导致故障率偏高的 主要原因之一。提高螺杆泵井的自动测控水平，实施油井智能控制是实现螺杆 泵井稳定高产的主要配套技术之一。
另外，目前的螺杆泵井电控设备，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，即没有考虑到螺杆泵井的整体系统效 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 特殊性和被控对象螺杆泵井的多变性，没有合理的电气设计结构。因此，目前 的螺杆泵井电控设备实际使用效果都不很理想。
发明内容
要解决的技术问题
本发明所涉及的螺杆泵井智能监控设备，正是在上述情况下，针对螺杆泵 井应用中存在的各种问题而设计开发的。
本发明能够及时准确的监测螺杆泵井运行中的主要工作数据，如动液面、 扭矩和轴向力、电流、功率等，根据分析诊断结果，合理设置螺杆泵井的工作 参数，及时有效的解决各种问题，为螺杆泵井的日常生产管理提供了一种方便 快捷的手段。
本发明通过准确的测量和有效的监控调度，可以避免当油井沉没度较低时 抽空，造成烧翠现象的发生；可以根据结蜡等原因，科学制定热洗制度，避免-断杆等现象；可以及时发现偏磨问题，防止管漏，延长杆管使用寿命，延长检 泵周期；可以优化螺杆泵井设计，合理确定工作参数，减少安全隐患。
同时，本发明实现了人工智能，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。本发明也设 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
本发明为解决以上技术问题所运甩的技术方案如下
本发明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 动液面的传感器、能在线测量螺杆泵井扭矩和轴向力的传感器以及能在线测量 各种电参数的传感器与CPU相连为核心，实现螺杆泵井的准确闭环控制，进而 实现螺杆泵井的智能控制功能。
本发明的关键技术是抓住了决定螺杆泵井运行中的几个最重要参数，即动 液面、扭矩和轴向力、电流等，并对这几个参数进行了切实可行、准确有效的 测量，同时把这几个参数进行了有机结合，作为螺杆泵井闭环控制的主要依据。 动液面是螺杆泵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度如何；扭矩和轴向力是螺杆泵井光杆的载荷情况，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；电流一是反映了泵的工作情况，二是一 定程度上反映了螺杆泵井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；扭矩和轴向力是基础，即是否具备了良好的抽汲能力；电流是整 个抽汲管路及整个机电拖动系统的正常工作依据。知道了这几个参数，采油工 作制度将会比较容易确定，抽不抽，怎样抽，事情就非常明确。因此，以动液 面、扭矩和轴向力及电流为主要参量建立的闭环系统，是对螺杆泵井实现了真 正的闭环自动控制，实现了准确控制。
本发明所涉及到的其它技术有变频调速，备用工频及工变频互锁，电参 数测量，运行速度检测，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，有线与无线通讯及不受地域限制的远程通讯，.系统自整定等。 这些技术都是配合动液面、扭矩和轴向力、电流等参量，为了更好的实现螺杆 泵井的真正闭环控制，它们也是整个控制系统必不可少的部分。
本发明的整体构成分为四个部分，它们是①主控CPU部分(CPIL1)，② 从控CPU部分(CPU—2)，③变频部分，④备用工频及工变频互锁部分。其中①② 又叫测控部分，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」部分，是本发明的核心控制部分，下面以一款 C8051F&0单片机为例对本部分进行叙述。本部分以一款内核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10 口、 4K的RAM、 64K的R0M、 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、运行速度检测传感 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 以及接受动液面或扭矩和轴向力的数据及结论等；主控CPU通过P西接口，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，避免相互千扰； 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，保证螺杆泵井的电气安全；主控CPU与 运行速度检测传感器相连， 一是调整螺杆泵运行速度的参照，二是为了时时监 测螺杆泵的机械运行状态，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，保证螺杆泵井的机械安全，速度检测传感器选用 霍尔效应的磁接近开关方式，安装在螺杆泵的驱动头处；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，输入装置是橫排5 个及竖排5个共10个按键，输出装置是320X240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 E屮R0M非易失性存储器24WC256等完成，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、扭矩和轴向力、电流为 核心参量，并将几者有机结合，同时以其它参数为辅助参量，实现了人工智能， 建立并实现螺杆泵井的闭环控制方法和数学模型，对螺杆泵井实现真正的闭环 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螺杆泵井的多变性等因素都考虑到了，总之， 本发明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，是本发明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 杆扭矩和轴向力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CPUj相连，受控于主控CPU一l,完成与主控CPU—l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
7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与光杆扭 矩和轴向力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 杆扭矩和轴向力信号，将数据图形化，做出扭矩曲线，并抽取特征点的数值，
计制造的HW002NJ系列通用传感器，此传感器融扭矩和轴向力传感器于一体， 并可实现数据无线传输，即HW002NJ系列通用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、扭矩和轴向力及温度压力的有 关数据，并时时对数据进行分析计算，给出螺杆泵井的动液面、扭矩和轴向力、 泵效、温度及压力等的变化情况，快速解析出油井的动液面、扭矩和轴向力的 变化规律，并将有关数据和结论及时准确的提交给主控CPU一1，总之，本发明的 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。
变频部分，属于本发明的动力电部分，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。变频单元的前端与电抗器相连，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，也属于本发明的动力电部分，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 同完成本发明的所有功能，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，箱内留有连接传感器接口和标准的可 扩展信号接口 ，如RS232/485接口 。
下面对本发明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。
本发明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 测技术是通过炮枪回声的测试方式，但此方法只能由人工参与单次测量，不能 用于在线动态控制。本发明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，这三者设置在一个封闭管腔内，接收装置设置在管腔的 前面，管腔前面的端部设置有锥形管罗纹，能够与坤井套管的连通管通过锥形 管罗纹紧密连接，发讯装置设置在管腔的中间，控制与变送处理单元设置在管 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一2相连，以RS232/4印通讯接口与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-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一定的压力，然后瞬间 释放，其所发出的声音，能够传播到几千米左右的油井动液面，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，将此高压瞬间放电，其所发出的声
音，能够传播到几千米左右的油井动液面，并且其反射波能够裨接收装置微音 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。
本发明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，本发明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，变频能使螺杆泵井低速软 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。
本发明的主机配电柜箱体，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。用于螺杆泵控制的传统 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。
打益效果
本发明与传统的螺杆泵配电柜相比，其有益效果如下
本发明实现了螺杆泵井的真正闭环控制，实现了准确控制，提高了螺杆泵 井的系统效率；实现了螺杆泵井系统的节能降耗和增产增收的有机统一，提高 了螺杆泵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 殊性和螺杆泵井的多变性，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。
本发明通过准确的测量和有效的监控调度，可以避免当油井沉没度较低时 抽空，造成烧泵现象的发生；可以根据结蜡等原因，科学制定热洗制度，避免 断杆等现象；可以及时发现偏磨问题，防止管漏，延长杆管使用寿命，延长检 泵周期；可以优化螺杆泵井设计，合理确定工作参数，减少安全隐患。
本发明的其它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；螺杆转速可连续调整，解决了长期以来螺杆泵调参难的 问题，并可以对螺杆泵无级调速，任意控制抽油速度，且不必更换皮带轮等机 械设备；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,机的运行电流降低1 2倍，使螺杆泵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，本发明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螺杆泵；设计新颖，智 能化程度高；防盗性能好，安全可靠。
图1是本发明的系统原理框图。
图2(a)、图2(b)、图2(c)、 2(d)、图2(e)、图2(f)是本发明主控CPU部 分的电路原理图的分解图。
图3是本发明从控CPU部分的电路原理图。
图4是本发明强电部分的电气原理图，即动力电的主回路原理图。 图5是本发明强电部分的工变频互锁原理图。
图6是本发明动液面传感器的组成结构示意图，图中锥形管罗纹l、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是本发明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l、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是本发明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是本发明动液面传感器的控制及信号处理的电路原理图。
图10是本发明的主机配电柜结构图，图中前门1、后门2、强电器件挂
柩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ll是传统配电柜结构图，图中前门l、后门2、强弱电器件挂板3、强
弱电器件4。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图2 (a) 图2 (f)是本发明主控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、 P丽、6个10 口、 4K的RAM、 64K的R0M、 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320X240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PO. 2、 PO. 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2X5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、 SP:KST、 S〖，I-SIG、 10-1、 10-2、 10-3、 I0~4、 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-D0UT、 SPI-RST、 SPI-SIG 与ATT7022相连，实现电参数测量，P1.7、 P2.0与速度传感器相连，实现速度 检测，10-1、 10-2、 10-3、 10-4、 P2.1、 P2.2、 P2. 3、 P24与输入输出接口相连， 实现开关量的TO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，可实现本发明的电参数测量要求，J5 为二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.-謂、SPI-D0UT、 SPI-RST、 SPI-SIG为SPI总线接口 ，与CPU相 ii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、 JIO、 Jll为输出接口，实现开关量的继电器输出，10-1、 10-2、 10-3、 10-4 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， TXO、 RXO与CPU相连，J12为RS232串行接口，与外部相连；在图2(f)中，J13、 J14为螺杆泵井运行的速度传感器接口， Pl. 7、 P2. 0与CPU相连，中间有光电 耦合器隔离。以上为本发明主控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是本发明从控CPU部分的电路原理图。图中，It7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PO. 2、 PO. 3对应相连，通过It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，与光杆扭矩和轴向力传感器相连，实现扭矩和轴向力的测量，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
12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。以上为本发明从控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是本发明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;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MC1、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，Po"为输出端子排，接电机。
图5是本发明强电部分的工变频互锁原理图。图中，工频交流接触器KM2 的线圏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 螺杆泵井系统的运行安全。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是本发明动液面传感器的组成结构示意图，图中管腔2是一个无缝
圆形钢管，动液面传感器的所有部件就在这个管腔内，管腔2前面的端部加工 成锥形管罗纹l，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设置在管腔的前面，发讯装置3设置在管腔的中间，控制及信号处理电路5 设置在管腔的后面，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b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一2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CPIL2。
图7是本发明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]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，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是本发明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，Cl、 C2…… Cn充电电容，g,、 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是本发明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，可用P89C51RA单片机完成，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)， 是釆用先进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0P27， IC7、 IC8为0P37; Jl为环境 温湿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，Jb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是本发明的主机配电柜结构，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；而本发明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'/，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。
关于本发明的具体实施，需要补充说明的是，涉及的变频单元为可选的部 件，涉及的CPIL3为变频单元的中央处理器CPU
权利要求
1、一种螺杆泵井智能监控设备，其特征在于它主要包括弱电部分和强电部分，它以能在线测量螺杆泵井动液面的动液面传感器、能在线测量螺杆泵井扭矩和轴向力的传感器、能时时测量运行电流等用电参数的传感器以及远程无线通讯装置等部件与CPU相连为核心，实现螺杆泵井的有效测量和智能闭环监控。
2、 根据权利要求1所述的螺杆泵井智能监控设备，其特征在于所述的弱电部分包括主控CPU及从控CPU,主控CPU与电流等电参数测量传感器的变送单 元、运行速度检测传感器、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、远程无线通讯装置相连，同时主控CPU通过数据总线与从控 CPU相连、通过模拟与数字信号与强电部分的变频部分的CPU相连，从控CPU与 光杆扭矩和轴向力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#的温度及压力传感器的变送单元相连。
3、 根据权利要求l所述的螺杆泵井智能监控设备，其特征在于所述的强 电部分包括变频部分和备用工频及工变频互锁部分，变频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、电抗器或滤波器、变频单 元、输出交流接触器，变频单元的前端与电抗器或滤波器相连，变频单元的后 端与输出交流接触器相连备用工频及工变频互锁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，同时 工频回路里装有电机综合保护器。
4、 根据权利要求1所述的螺杆泵井智能监控设备，其特征在于所述的CPU 内置嵌入式专家系统软件，完成各种数据及信息的取集、标定、整合、分析、 处理、诊断，进而实现本发明的所有功能。
5、 根据权利要求2所述的螺杆泵井智能监控设备，其特征在于所述的主 控CPU及从控CPU，可以是合在一起的一个资源丰富的高性能CPU，其连接关系 及实现的功能等效于两个CPU。
6、根据权利要求1所述的螺杆泵井智能监控设备，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 个封闭管腔内，接收装置设置在管腔的前面，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，发讯装置设置在管腔 的中间，控制与变送处理单元设置在管腔的后面，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相连，以通讯接口与CPU进行数据交换，或者以无线的方式与CPU进行数据交换，此 时本装置须设置电池和无线收发天线。
7、根据权利要求6所述的螺杆泵井智能监控设备，其特征在于所述的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一定的压力，然后在瞬间释放， 其所发出的声音，能够传播到几千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；高压放电法的原理是，以低压电为电源，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，将此高压瞬 间放电，其所发出的声音，能够传播到几千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，髙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。
8、根据权利要求1所述的螺杆泵井智能监控设备，其特征在于所述的螺杆泵井智能监控设备除了有关的连接传感器和信号装置外，它们组装在一个结 构设计合理的主机配电柜箱体内，箱内留有连接传感器接口和标准的可扩展信 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。
全文摘要
本发明涉及一种螺杆泵井智能监控设备，是一种光机电一体化和电子信息及通讯技术相结合的高性能工业控制设备，主要应用于油田螺杆泵井采油的智能监控。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螺杆泵井动液面的传感器、能在线测量螺杆泵井扭矩和轴向力的传感器、能时时测量运行电流等用电参数的传感器以及远程无线通讯装置等部件与CPU相连为核心，实现螺杆泵井的有效测量和智能闭环控制。它通过准确的测量和有效的监控调度，可以避免抽空而造成螺杆泵烧泵现象；可以根据结蜡等原因，科学制定热洗制度，避免断杆等现象；可以及时发现偏磨问题，延长检泵周期；可以优化螺杆泵井设计，合理确定工作参数，减少安全隐患等。
文档编号F04B49/06GK101539135SQ20081001357
公开日2009年9月23日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者于丽萍, 佟志勋, 俞志兴, 强 岳, 铁 李, 李景波, 杨文革, 沈冠楠, 王洪亮, 玮 郑, 高庆松 申请人:王洪亮;高庆松