抽油机的控制系统的制作方法

本发明涉及一种抽油机的控制系统，具体地说，尤其涉及一种无需外接控制装置即可实现抽油机控制功能的抽油机的控制系统。

背景技术：

抽油机以其性能可靠、结构简单等特点被广泛应用于石油行业采油现场。随着科技高速发展，抽油机需要向智能化、自动化方向发展进化，以满足智慧油田建设的要求。

目前抽油机控制系统大多使用通用变频器，辅以外接的可编程逻辑控制模块(plc)和人机交互界面(hmi)，实现对抽油机转速的控制。并且，控制系统会将反映光杆位移和载荷信号等的运行信息上送至远程监控系统，再由远程监控系统进行绘制与显示，用以指导现场工作人员对抽油机进行维护与调整。

该控制系统结构复杂，功率密度低，当任一部件故障时，都会导致控制系统无法正常工作，可靠性不高；同时，该控制系统往往受限于外接的plc和hmi对工作环境的要求，并不适用于温度严酷的自然环境中。另外，现场工作人员需借助远程监控系统来调整抽油机，不能进行实时的监控与显示，工作效率较低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种抽油机的控制系统，其中，所述控制系统包含变频一体机，所述变频一体机根据采集到的所述抽油机的运行信息控制所述抽油机并根据所述运行信息生成并显示所述抽油机当前的示功图。

上述的控制系统，其中，所述运行信息包含第一运行信息和第二运行信息；所述控制系统还包含信息采集单元，电性连接于所述抽油机及所述变频一体机，所述信息采集单元采集所述第一运行信息并输出至所述变频一体机，所述变频一体机采集所述第二运行信息，所述变频一体机根据所述第一运行信息及/或所述第二运行信息控制所述抽油机，所述变频一体机还根据所述第一运行信息生成并显示所述示功图。

上述的控制系统，其中，所述抽油机包含抽油电机，所述抽油电机电性连接于所述变频一体机，所述变频一体机包含：

中央处理单元，电性连接于所述信息采集单元，所述中央处理单元接收所述第一运行信息并对应输出第一处理信号；

功率电路，电性连接于所述中央处理单元，所述中央处理单元从所述功率电路接收所述第二运行信息并对应输出第二处理信号；

plc单元，电性连接于所述中央处理单元，所述plc单元接收所述第一处理信号及/或所述第二处理信号，所述plc单元根据所述第一处理信号及/或所述第二处理信号输出所述抽油电机的目标频率信号，所述plc单元根据所述第一处理信号输出示功图绘制信号，所述中央处理单元根据所述目标频率信号对应输出频率控制信号至所述功率电路，所述功率电路根据所述频率控制信号控制所述抽油电机作动；

控制操作面板，电性连接于所述中央处理单元，所述控制操作面板接收所述中央处理单元输出的所述示功图绘制信号生成并显示所述示功图。

上述的控制系统，其中，所述变频一体机还包含接口单元，所述接口单元电性连接于所述中央处理单元及所述信息采集单元，所述中央处理单元通过所述接口单元接收所述第一运行信息。

上述的控制系统，其中，所述第一处理信号包含所述抽油机的光杆位移信号、所述抽油机的载荷信号、所述抽油机的平衡块极限位置信号中的至少之一者；所述第二处理信号包含所述变频一体机的输出电流值信号及/或所述变频一体机的直流母线电压值信号。

上述的控制系统，其中，所述plc单元包含调冲次逻辑判断模块，所述调冲次逻辑判断模块根据所述输出电流值信号而输出第一目标频率信号至所述中央处理单元，所述中央处理单元根据所述第一目标频率信号对应输出第一频率控制信号至所述功率电路，所述功率电路根据所述第一频率控制信号控制所述抽油电机作动。

上述的控制系统，其中，所述plc单元包含调冲次逻辑判断模块，所述调冲次逻辑判断模块从所述中央处理单元接收所述变频一体机的输出频率信号并根据所述光杆位移信号、所述载荷信号及所述输出频率信号输出第二目标频率信号至所述中央处理单元，所述中央处理单元根据所述第二目标频率信号对应输出第二频率控制信号至所述功率电路，所述功率电路根据所述第二频率控制信号控制所述抽油电机作动。

上述的控制系统，其中，所述抽油机还包含平衡电机，所述平衡电机电性连接于所述变频一体机，所述plc单元包含自动调平衡逻辑判断模块，所述自动调平衡逻辑判断模块根据所述平衡块极限位置信号及所述输出电流值信号输出电机正转信号或电机反转信号至所述中央处理单元，所述中央处理单元根据所述电机正转信号或所述电机反转信号对应输出平衡控制信号，所述平衡电机根据所述平衡控制信号作动。

上述的控制系统，其中，所述plc单元包含倒发电抑制逻辑判断模块，所述倒发电抑制逻辑判断模块从所述中央处理单元接收所述变频一体机的输出频率信号并根据所述直流母线电压值信号及所述输出频率信号输出第三目标频率信号至所述中央处理单元，所述中央处理单元根据所述第三目标频率信号对应输出第三频率控制信号至所述功率电路，所述功率电路根据所述第三频率控制信号控制所述抽油电机作动。

上述的控制系统，其中，所述plc单元包含示功图数据处理模块，所述示功图数据处理模块根据所述光杆位移信号及所述载荷信号输出所述示功图绘制信号至所述中央处理单元，所述中央处理单元接收并输出所述示功图绘制信号至所述控制操作面板，所述控制操作面板生成并显示所述示功图以实现示功图绘制功能。

上述的控制系统，其中，所述功率电路包含逆变模块，电性连接于所述中央处理单元及所述抽油电机，所述逆变模块根据所述第一频率控制信号、所述第二频率控制信号及所述第三频率控制信号中的一者控制所述抽油电机作动。

上述的控制系统，其中，所述信息采集单元包含载荷传感器及/或角位移传感器，所述接口单元包模拟输入端口，所述载荷传感器及/或所述角位移传感器通过所述模拟输入端口电性连接于所述中央处理单元。

上述的控制系统，其中，所述信息采集单元包含开关装置，所述接口单元包含数字输入端口，所述开关装置通过所述数字输入端口电性连接于所述中央处理单元。

上述的控制系统，其中，所述接口单元还包含：

数字输出端口，电性连接于所述中央处理单元及所述平衡电机。

与现有技术相比，本发明具有以下全部或部分有益的技术效果，本发明的控制系统通过变频一体机内部的plc模块对抽油机进行控制实现倒发电抑制、智慧调冲次、自动调平衡和示功图绘制与显示等功能，从而能够省去外接的可编程控制器和人机界面，达到简化控制系统的结构，使控制系统的可靠性更强，有效提高抽油井工作效率，并达到节能降耗的目的。

附图说明

图1为本发明抽油机的控制系统的结构示意图；

图2为本发明变频一体机的结构示意图。

其中，附图标记为：

1：控制系统

11：变频一体机

111：中央处理单元

112：功率电路

1121：逆变模块

113：plc单元

1131：调冲次逻辑判断模块

1132：自动调平衡逻辑判断模块

1133：倒发电抑制逻辑判断模块

1134：示功图数据处理模块

114：控制操作面板

115：接口单元

116：通讯单元

1151：数字输入端口

1152：模拟输入端口

1153：数字输出端口

1154：模拟输出端口

12：信息采集单元

13：平衡电机控制电路

2：抽油机

21：抽油电机

22：平衡电机

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参照图1，图1为本发明抽油机的控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明的抽油机2包含抽油电机21和平衡电机22；本发明抽油机的控制系统1包含：变频一体机11及信息采集单元12，变频一体机11根据采集到的抽油机2的运行信息控制抽油机2实现控制功能并根据运行信息生成并显示抽油机2当前的示功图；运行信息包含第一运行信息及第二运行信息，信息采集单元12电性连接于变频一体机11，信息采集单元12采集第一运行信息并输出至变频一体机12，变频一体机12采集第二运行信息，变频一体机12根据第一运行信息及/或第二运行信息控制抽油机2，变频一体机还根据第一运行信息生成并显示示功图。需要说明的是，抽油机有很多种类，本发明以油梁式抽油机为例进行说明，但并不以此为限。

继续参照图1，变频一体机11包含：中央处理单元111、功率电路112、plc单元113、控制操作面板114、接口单元115及通讯单元116；中央处理单元111电性连接于信息采集单元12，中央处理单元111接收第一运行信息并对第一运行信息进行运算处理，再对应输出第一处理信号；功率电路112电性连接于中央处理单元111及抽油电机21，中央处理单元111从功率电路112接收第二运行信息，并对第二运行信息进行运算处理，再对应输出第二处理信号；plc单元113电性连接于中央处理单元111，plc单元113接收中央处理单元111输出的第一处理信号和第二处理信号，plc单元113根据第一处理信号及/或第二处理信号输出目标频率信号，plc单元113根据第一处理信号输出示功图绘制信号，中央处理单元111根据目标频率信号对应输出频率控制信号至功率电路112，功率电路112根据频率控制信号控制抽油机2的抽油电机21作动；控制操作面板114电性连接于中央处理单元111，控制操作面板114接收中央处理单元111输出的示功图绘制信号生成并显示示功图；接口单元115电性连接于中央处理单元111及信息采集单元12，中央处理单元111通过接口单元115接收第一运行信息；平衡电机控制电路13电性连接至接口单元115，中央处理单元111通过接口单元115向平衡电机控制电路13输出平衡控制信号；变频一体机还可包括一通讯单元116，电性连接于中央处理单元111，中央处理单元111通过通讯单元116实现与上位机或其他外部电路之间的信号交互，通讯单元116可以支持串行通讯、并行通讯、无线通讯等各种通讯模式的至少其中之一者。

其中，在本实施例中，第一运行信息由信息采集单元12提供给变频一体机11，第一运行信息经中央处理单元111运算处理后得到第一处理信号，第一处理信号可包含抽油机的光杆位移信号、抽油机的载荷信号、抽油机的平衡块极限位置信号中的至少之一者，运算处理可以包含滤波、求均值等运算，本发明不以此为限；第二运行信息为变频一体机11的内部信号，可包含主功率电路112中的采样电路输出的信号，第二运行信息经中央处理单元111运算处理后得到第二处理信号，可包含变频一体机11的输出电流值信号及/或变频一体机11的直流母线电压值信号，运算处理也可以包含滤波、求均值等运算，本发明不以此为限。

进一步地，plc单元113可以包含：调冲次逻辑判断模块1131、自动调平衡逻辑判断模块1132、倒发电抑制逻辑判断模块1133及示功图数据处理模块1134等，用户可以根据需要在控制面板上选择调用上述模块。对应地，控制面板会输出一选择信号至中央处理单元111，plc单元113从中央处理单元111读取上述选择信号，并调用相应模块。于另一些实施例中，中央处理单元亦可通过其他外接信号调用plc单元113的上述模块，或者，中央处理单元111甚至不需要选择信号或其他外接信号而自行调用plc单元113的上述模块，本发明不以此为限。

综上，中央处理单元111主要承担了传递信号和处理信号的任务，plc单元113主要进行控制功能的逻辑判断，两者互相配合，提高了控制系统的运行速度与运行性能。

调冲次逻辑判断模块1131有两种工作模式可供用户选择使用，即电机负载模式调冲次和示功图模式调冲次。当用户选择电机负载模式调冲次时，调冲次逻辑判断模块1131根据变频一体机的11的输出电流值信号而输出第一目标频率信号至中央处理单元111，中央处理单元111根据第一目标频率信号对应输出第一频率控制信号至功率电路112，功率电路112根据第一频率控制信号控制抽油电机21作动实现抽油机2的负载模式调冲次功能，在该工作模式下，无需读取信息采集单元12的第一运行信息，中央处理单元111可以通过功率电路112读取输出电流值信号判断电机负载状况并自动调整抽油机冲次。

在示功图模式调冲次模式下，plc单元113还接受中央处理单元111提供的变频一体机11的输出频率信号，调冲次逻辑判断模块1131可根据光杆位移信号、载荷信号以及输出频率信号输出第二目标频率信号至中央处理单元111，中央处理单元111根据所述第二目标频率信号对应输出第二频率控制信号至功率电路112，功率电路112根据第二频率控制信号控制抽油电机21作动实现抽油机2的示功图调冲次功能。例如，于本实施例中，调冲次逻辑判断模块1131可根据改变输出频率大小及输出频率对应的示功图面积，搜索得到面积最大的示功图对应的输出频率，将该输出频率设定为第二目标频率信号。在该工作模式下可配合控制操作面板114，这种工作模式使得冲次调整效果准确、直观。

自动调平衡逻辑判断模块1132根据平衡块极限位置信号及输出电流值信号输出电机正转信号或电机反转信号至中央处理单元111，中央处理单元111根据电机正转信号或电机反转信号输出平衡控制信号至平衡电机控制电路13以作动平衡电机22，平衡电机22根据平衡控制信号调节连接于抽油机2的配重块的位置实现抽油机的自动平衡调节功能。例如，于本实施例中，自动调平衡逻辑判断模块1132根据输出电流值信号计算出油梁电机的平衡度，将该平衡度与一设定值比较，以判断如何对抽油机进行自动调平衡，并由平衡块极限位置信号确定平衡电机22正转或平衡电机22反转的极限位置，最终输出平衡控制信号至平衡电机控制电路13，平衡电机控制电路13控制平衡电机22作动。该功能适用于游梁式抽油机，平衡电机22位于抽油机游梁末端，通过改变平衡块力矩实现平衡调节。值得注意的是，在无自动调平衡需要的抽油机中，本发明的控制系统可省略平衡电机控制电路；或者，于另一些实施例中，变频器11可省略平衡电机控制电路而直接将平衡控制信号输出至平衡电机22，平衡电机22根据平衡控制信号作动。

抽油机工作周期内，配重不平衡时，有可能伴随电机倒发电现象。变频器需附加制动单元和刹车电阻来释放电能，以保证在倒发电过程中不引起变频器ov报警停机，但刹车单元工作时释放的热量会导致控制系统整体的工作环境升高，对设备的散热有较高的要求，在位于沙漠戈壁等高温地带现场的控制系统而言，缺点明显。倒发电抑制逻辑判断模块1133根据直流母线电压值信号及变频一体机的输出频率信号输出第三目标频率信号至中央处理单元111，中央处理单元111根据第三目标频率信号输出第三频率控制信号至功率电路112，功率电路112根据第三频率控制信号控制抽油电机21作动，从而抽油电机21倒发电以抑制直流母线电压的升高，使得变频器的母线电压在设定范围内，防止电压上升对变频器产生冲击并频繁报警。例如，于本实施例中，当直流母线电压值信号大于一设定值时，倒发电抑制模块1133根据当前的输出频率，输出一大于当前的输出频率的第三目标频率信号，减少抽油电机的发电量，从而抑制直流母线电压。该功能可大大降低刹车单元和刹车电阻的工作时间，甚至无需刹车单元和刹车电阻工作，能有效降低控制系统发热，有助于控制系统在恶劣的室外环境下长时间稳定运行。

示功图数据处理模块1134根据光杆位移信号及载荷信号输出示功图绘制信号至中央处理单元111，中央处理单元111接收并输出示功图绘制信号至控制操作面板114，控制操作面板114生成并显示示功图。

于另一些实施例中，中央处理单元111还可将第一处理信号及/或第二处理信号直接发送至控制操作面板，或者将第一处理信号及/或第二处理信号进行运算后发送至控制操作面板。则现场工作人员通过变频一体机11的操作面板可以确认抽油机2的悬点位移、悬点载荷、平衡度和有功电量等，输出直观，提高了工作效率。

再进一步地，功率电路112包含逆变模块1121，电性连接于中央处理单元111及抽油电机21；中央处理单元根据目标频率信号对应输出频率控制信号至逆变模块1121，该频率控制信号可以为逆变模块中1121中的开关管的导通时间等。具体地，逆变模块1121接收中央处理单元111输出的第一频率控制信号、第二频率控制信号及第三频率控制信号，逆变模块1121根据第一频率控制信号、第二频率控制信号及第三频率控制信号中的一者控制抽油电机21作动。另外，功率电路还可包含整流模块、充电回路、保护电路、采样电路等，未在图中示处，为现有技术，不再赘述。

更进一步地，接口单元115包含：数字输入端口1151、模拟输入端口1152、数字输出端口1153及模拟输出端口1154等。例如，数字输入端口1151电性连接于中央处理单元111及信息采集单元12，模拟输入端口1152电性连接于中央处理单元111及信息采集单元12，中央处理单元111通过模拟输入端口1152及/或数字输入端口1153获得第一运行信息；数字输出端口1153电性连接于中央处理单元111及平衡电机控制电路13，中央处理单元111通过数字输出端口1153输出平衡控制信号至平衡电机控制电路13。

在本实施例中，信息采集单元包含载荷传感器、角位移传感器及开关装置，但本发明不以此为限。载荷传感器用于采集抽油机实时运转负荷的载荷信号，该传感器安装于抽油机的悬绳器处；角位移传感器用于采集抽油机的游梁及驴头实时位置的光杆位移信号，该传感器安装于抽油机的联轴器处；开关装置用于提供平衡块极限位置信号。其中，载荷传感器、角位移传感器可电性连接于模拟输入端口1152，开关装置可电性连接于所述数字输入端口1153，但本发明不以此为限。

进一步地参照图2，图2为本发明变频一体机端口示意图。如图2所示，反映载荷信号的第一运行信息可由aci端口输入，该端口为模拟端口，可支持4～20ma的电流值输入；反映光杆位移信号的第一运行信息可由avi端口输入，avi端口的类型和aci端口相同，不再赘述。fwd端口用于变频一体机的运行停止信号的输入，mi1和mi8的功能保留，可供使用者选择，mi2～mi7为数字输入端口，接受的信号可以依次为反映平衡块正向极限位置信号、平衡块反向极限位置信号、驴头上极限信号、驴头下极限信号、手动调平衡电机正转信号和手动调平衡电机反转信号的第一运行信息；ra1和rc1为数字输出端口，可连接于调平衡电机控制电路13，用于调平衡电机22正转控制；ra2和rc2为数字输出端口，可连接于调平衡电机控制电路13，用于调平衡电机22反转控制。上述端口均属于变频一体机的接口单元，可根据需要自行设定各端口和外部电路的连接方式，以及输入或输出信号，图2仅用于举例说明，本发明并不以此为限。

另根据游梁式抽油机的特性，当电机工作于发电状态时，可进一步地采用外接制动单元和刹车电阻br以防止dcbus电压过高引起的过电压报警。

图2中的其他接口或器件依次为：rst:输入电源端口；acil:输入进线电抗器；dl:直流电抗器；24vcom:直流输出电源；uvw：变频器功率电路的输出电源接线端口(连接至抽油电机m)；acm与dcm分别是模拟信号公共端和数字信号公共端；上述接口或器件的用途为变频器领域的现有技术，不再赘述。

综上所述，本发明的控制系统通过变频一体机内部的plc模块对抽油机进行控制实现倒发电抑制、智慧调冲次、自动调平衡和示功图绘制与显示等功能。由于本系统中未连接可编程控制器和人机界面及其他外围控制装置，该控制系统调试过程简单，无需用户再次编程，只要根据需求设定变频一体机内部的相关参数即可完成对抽油机的稳定、高效控制，具有结构简单、稳定性强、自动化程度高、操控简单等特点，从而能够省去外接的可编程控制器和人机界面，达到简化控制系统的结构，使控制系统的可靠性更强，有效提高抽油井工作效率，并达到节能降耗的目的。

需要说明的是：以上实施例仅仅用以说明本发明，而并非限制本发明所描述的技术方案；同时，尽管本说明书参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；因此，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明所附权利要求的保护范围之内。