任旭虎，陈晓伟，李慧娟

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东青岛 266555)



抽油机动态负荷模拟控制系统设计与开发

任旭虎，陈晓伟，李慧娟

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东青岛 266555)

针对抽油机的特殊工况，为了方便快捷的测量抽油机电机的节电效率，在实验室设计开发了抽油机动态负荷模拟控制系统，利用DSP数据采集系统，通过FFT算法实时计算电机功率，结合上位机软件，利用微分先行PID算法控制直流电机产生交变转矩，加载至抽油机电机模拟抽油机现场工况。现场试验表明，系统模拟精度较高，能精确测量抽油机电机在动态负荷下的效率，为抽油机电机节能评价提供有效的依据，具有很大的应用价值。

抽油机；电机；动态负荷；PID算法；DSP

0 引言

抽油机是油田机采系统中的主要设备，抽油机电机损耗占系统总损耗的30%[1]。为了降低电机的自身损耗，提高系统效率，引入节能电机，但却没有合适的节能电机效率评价方法，传统电机试验无法反映电机在真实井况下的能效状态，而现场实验则只能考察不同电机在同一口油井上的节能效果，无法获得电机的单体效率。因此，综合上述情况，如何合理的评价抽油机节能电机的品质[2]，并将其与抽油机的具体工况进行合理匹配，以充分挖掘其节能潜质，是当前一项急需解决的问题。

针对现有技术的不足，本文采用DSP数据采集系统与上位机软件结合的方法，设计开发出了一套抽油机动态载荷模拟控制系统，实现实验室测试取代现场测试，使机采系统的节能电机改造更具有针对性，避免盲目选用节能电机所带来的损失，使系统节能改造的效果更好。

1 系统方案设计

抽油机动态载荷模拟控制系统主要通过DSP数据采集系统计算抽油机电机输入端电参数，传输至上位机软件，通过命令传递控制直流调速器，再通过直流调速器控制直流电机产生交变转矩，加载至抽油机电机，从而在抽油机电机的负载端，模拟抽油机的现场工况，系统构架如图1所示。

图1 系统方案结构框图

抽油机电机输入端的三相电压电流，经过互感器之后接入电压电流调理电路，经调理之后AD采集至DSP进行计算，轴转矩转速信号，经过硬件分频电路之后，由外部中断接入DSP采集系统。DSP将计算之后的电参数打包通过网络传输至上位机，上位机预设抽油机现场工况数据，利用控制算法，将控制命令传回给DSP，DSP通过DA输出控制电压控制直流调速器，即间接控制直流电机产生所需转矩的大小。

整个系统设计共分为3部分：硬件系统设计、软件系统设计和算法设计。

2 系统的硬件设计

2.1 电压电流调理电路设计

抽油机电机输入端电压经过互感器之后，接入DSP系统板的电压信号调理电路。如图2所示，电压信号经过互感器之后变为电流信号，电流信号经过运算放大器U12A以及电阻R31和R32组成的电流电压转换电路之后，变为-3 ～ +3 V的电压信号，其中电容C37为了防止放大电路产生自激振荡；电容C36和电阻R30用于校正互感器原边和副边之间的相位角，之后为了提升电压信号的带负载能力，接入一级跟随电路，为了防止现场的冲击信号烧毁AD输入端口，采用双向肖特基二极管BAT54S进行保护，当电压大于3 V或小于0 V时，其中的一个二极管导通，将电压嵌位在3 V或0 V。

图2 电压信号调理电路图

电流经过50∶1的电流互感器，接入电流信号调理电路。如图3所示，R50为50 mΩ高精度采样电阻，用来将大电流信号转化为电压信号，之后由运放U14A以及电阻R51、R53组成同相比例放大器，考虑到小电流信号可能因放大倍数不足引起采样漏洞，之后再接入程控放大器，其放大倍数可以程序控制为1、10、100倍，放大之后的信号，经过滤波跟随电路之后，再接双向肖特基二极管BAT54S进行保护之后送AD采集。

图3 电流信号调理电路图

2.2 硬件分频电路设计

本系统采用JN338-1 A系列直连式转矩转速传感器，可测量稳态旋转扭矩与动态过程的旋转扭矩。根据其技术参数：零扭矩频率输出：10 kHz；正向转矩满量程频率输出：15 kHz；反向转矩满量程频率输出：5 kHz；转速输出信号(光电码盘式)：120个脉冲/转；传感器信号输出：方波信号、幅值5 V，负载电流<15 mA；功耗：4 W。

本系统采用DSP采集转矩和转速信号，DSP要求的信号幅值不能大于3 V，并且频率过高，不利于采集的准确性，考虑到抽油机电机的转速一般为1 500 rad/min，因此，传感器输出的转速信号频率大概为3 kHz，转矩的输出方波信号频率在10 kHz左右，为了使得DSP采集信号准确度更高，采用分频电路对传感器输出信号进行分频和降幅，如图4所示，对转矩信号输出进行20分频，为了防止传感器输出信号对调理电路的冲击干扰，用光耦进行隔离，隔离后的信号作为74LS90的CLK信号输入。用两片74LS90进行分频电路的设计，两片74LS90级联组成20分频电路。

2.3 直流调速器控制电路设计

DA输出-10～+10 V直流电压来控制直流调速器DCS550，使得与直流调速器相连的直流电机产生-2 000 - +2 000 N·m的转矩。如图5所示， 16位DA转化芯片输出经过两级反相放大电路之后，输出电压范围-10～+10 V，具体计算公式为：

(1)

3 系统的软件设计

抽油机动态载荷模拟控制系统的软件设计分为上位机和下位机两部分，如图6所示，下位机软件负责抽油机电机输入端以及轴端电参数采集测量，并负责命令执行，上位机软件负责数据显示处理以及控制命令的发送，上下位机合作完成整个抽油机动态载荷模拟试验。

图7抽油机动态载荷模拟控制系统的软件运行流程图。(1)上位机软件进行初始化数据，将现场轴功率曲线导入系统，选择一个完整的冲程周期数据作为控制目标；(2)开始加载控制，同时下位机开始采集数据，传输数据至上位机，抽油机电机、直流调速器、直流电机等硬件设备启动；(3)上位机将DSP传输的数据与控制目标进行比较，根据算法公式，计算调节偏差量，将偏差量通过命令发送至DSP，DSP控制DA输出电路，进而控制直流调速器和直流电机，再次循环检测偏差量大小，制止误差在允许范围内；(4)后续数据处理，试验结束之后，对计算机存储的数据进行处理，计算抽油机电机效率等参数，评价电机。

图4 硬件20分频电路图

图5 DA双极性输出电路原理图

图6 系统软件功能框图

图7 软件运行流程图

4 算法设计

抽油机动态载荷模拟控制系统算法设计分为下位机测量算法设计和上位机控制算法设计。

4.1 DSP测量算法设计

DSP需要根据抽油机输入端电压电流计算抽油机电机有功功率、视在功率、功率因数等。首先要根据离散的采样点准确标定电压电流大小，其次是计算有功功率，本文采用FFT(快速傅里叶卷积)[3]计算采集信号的幅值和频率，并根据抽油机电机多为三相异步电动机可视为对称负载的特点，采用两表法[4]计算其有功功率和视在功率。FFT算法的计算公式为：

(2)

FFT算法可提取出谐波含量大的信号中基波以及各次谐波的幅值和相位关系，从而求得有功功率以及电能，FFT应用于信号分析中，有着简单、精确、快速的特点。

两表法测有功功率适用于对称负载的情况，本系统中可测得线电压线电流，以C相作为公共端，则有功功率计算公式为：

(3)

进而根据电路公式推导，视在功率的计算公式为：

(4)

因此功率因数的计算公式为：

λ=P有功/P视在

(5)

4.2 上位机控制算法设计

上位机控制算法采用工业普遍使用的PID控制算法，由于现场输入量都为数字量，因此将普通PID算法进行数字化，采用增量式PID[5]，其算法公式为：

(6)

为了更好的适应系统输入变化快且现场干扰大的特点，对普通PID算法改进为微分先行PID算法[6]：

(7)

5 现场测试

共实施了46台次的抽油机电机动态性能实验，分别模拟跟踪了各种不同型号、不同井号、不同工况的抽油机电机电工图。包括：皮带式抽油机中载荷振动异常、严重欠平衡、无倒发电、缺液、含气等工况，游梁式抽油机中冲程损失较大、缺液、抽油杆断裂、齿箱振动异常、严重气体影响+气锁、缺液+上遇阻等工况。

图8、图9是本系统根据在油井现场所测两组平衡度相差较大的皮带式抽油机电功率曲线数据，在试验室模拟所得电机电功率曲线，由图看出，吻合程度较好，利用三相异步电动机和永磁电动机测得的数据如表1。

图8 皮带式抽油机平衡度84.78%测试数据

图9 皮带式抽油机平衡度23.09%测试数据

电机平衡度/%负载率/%η总/%P损/kWP损/P地损(%)三相异84.7819.0265.582.13590.12步电机23.0918.7772.341.93875.17永磁电84.7825.287.130.78732.86动机23.0922.8387.070.66525.79

图10、11是游梁式抽油机模拟测量数据，表2是游梁式抽油机模拟试验测试数据。根据表1和表2的数据，得出由于皮带抽油机传动损耗较小，异步电动机的损耗甚至可以占到地面损耗的90%以上，在平衡度较差且存在倒发电的的情况下，异步电动机和永磁电机的正向效率均有所下降；在平衡度较好的情况下，异步电机在游梁式抽油机上的效率要比在皮带抽油机上的效率高，但更易受平衡度变化影响，而永磁电机的效率则受平衡度变化的影响较小。

图10 游梁式抽油机平衡度94.53%测试数据

图11 游梁式抽油机平衡度32.17%测试数据

电机平衡度/%负载率/%η总/%P损/kWP损/P地损(%)三相异84.7819.0265.582.13590.12步电机23.0918.7772.341.93875.17永磁电84.7825.287.130.78732.86动机23.0922.8387.070.66525.79

6 结束语

抽油机动态载荷模拟控制系统由DSP数据采集单元、实验室电机控制加载台等单元组成，用上位机控制软件实现了在实验室模拟抽油机现场工况，方便抽油机电机测试评价，节省大量人力物力，具有广泛的推广应用价值。

本文中采用DSP作为数据采集传输的核心单元，有时候会出现DSP死机问题，而且上位机控制软件也有待进一步优化，数据处理方式要进一步完善。

[1] 李杰传.提高机采井系统效率的理论研究与管理方法.内蒙古石油化工，2006，31(12): 108-109.

[2] 白连平，白实.抽油机电机质量的评价方法.石油矿场机械，2009，38(3): 20-22.

[3] 张伏生，耿中行.电力系统谐波分析的高精度FFT算法.中国电机工程学报，1999，19(3): 63-66.

[4] 张明霞.两表法和三表法测量三相电路功率.机电信息，2009，(36): 166-167.

[5] GuoQiang C, DongYue J, Xiaofei L. A Incremental PID Barrier Control System Used in Railway Crossing. International Journal of Advancements in Computing Technology, 2011, 3(4): 14-20.

[6] 王超.基于MATLAB的微分先行PID控制的设计与仿真.高师理科学刊，2014，34(1): 44-46.

Design and Development of Pumping Dynamic Load Control Simulation System

REN Xu-hu, CHEN Xiao-wei, LI Hui-juan

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266555,China)

According to the special characteristics of pumping unit, in the laboratory, pumping dynamic load control simulation system was designed and developed in order to measure the energy-saving efficiency of pumping motor easily and efficiently. By using DSP data acquisition system, real-time motor power was calculated through FFT algorithm. Combining with the PC software, differential forward PID algorithm was used to control the DC motor to produce alternating torque load to pumping motor, and pumping site conditions were simulated. The field test shows that, the system has high simulation accuracy, can accurately measure the efficiency of the pumping motors under dynamic loads, and provide an effective basis for evaluating the energy-saving efficiency of pumping motor, thus having the quite big application value.

pumping unit; motor; dynamic load; PID algorithm; DSP

2014-11-05 收修改稿日期：2015-06-28

TM343+.2；TE08

A

1002-1841(2015)09-0095-04

任旭虎(1973—)，副教授。主要研究方向：电子技术。