（电力电子与电力传动专业论文）油井群控系统的终端测控技术研发.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：- il 年6 月i ，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：知1 年月知e t 日期：a 。年6 月f 0 日 摘要 游梁式抽油机作为重要的采油设备，被大量使用。受采油特点与其本身的结构缺点 所致，游梁式抽油机在一直是一个耗能大户，对它进行节能改造与自动化程度的提升具 有重大的经济价值。 本文首先阐述了抽油机安装变频调速系统的必要性，并分析了群控系统在油田的应 用前景，论述了群控系统一体化控制的优点及其在解决抽油机“倒发电难题上的优势 所在。在此应用前景下，本文设计了基于群控系统的终端测控设备，作为群控系统的子 系统，终端测控设备具备抽油机变频调速、故障保护、数据采集、终端设备组网、远程 组网等功能。本文采用单元模块化设计方法，设计了终端测控系统的控制单元，键盘及 显示单元、故障检测保护单元、逆变电路驱动单元；针对应用需要，本文还研究了基于 无传感器扭矩的检测方法；最后，本文分析了永磁同步电机的空间向量模型，针对其在 抽油机应用上所存在的不足，给出了相应的解决方法。 文章的最后通过对终端样机的实地测试，证明了所设计的样机各项功能均达到设计 标准，并且能可靠运行，验证了本文设计方案的正确性与可行性。 关键词：抽油机；群控系统；终端测控；单元模块：扭矩计算；永磁电机 r df o rt e r m i n a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo f o i l w e l lg r o u pc o n t r o ls y s t e m t a ns o n g q i n g ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n to i le x t r a c t i o ne q u i p m e n t ，b e a mp u m p i n gu n i ta l eu s e dw i d e l y b e c a u s e o ft h ec h a r a c t e r i s t i co fo i le x t r a c t i o na n dt h ep u m p i n gu n i t se s p e c i a ls t r u c t u r e ，t h ep u m p i n g u n i th a sb e e nt h eb i g g e s te n e r g yc o n s u m e ri nt h eo i lf i e l d ，m a k et h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n t r a n s f o r m a t i o na n dt h ea u t o m a t i c i t yp r o m o t i o nt oi th a st h es i g n i f i c a n te c o n o m i cv a l u e t h i sa r t i c l ee l a b o r a t et h e p u m p i n gu n i ti n s t a l l st h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m s n e c e s s i t y , a n da n a l y s i st h eg r o u pc o n t r o ls y s t e m sa p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h eo i lf i e l d , e l a b o r a t et h em e r i to fi t si n t e g r a t i o nc o n t r o ls u p e r i o r i t ya n dt h ea b i l i t yo fs o l v i n gt h ed i f f i c u l t p r o b l e mo f “f e e d se n e r g y u n d e rt h i sa p p l i c a t i o np r o s p e c t ，t h i sa r t i c l eh a sr & d at e r m i n a l m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n tb a s e do nt h eg r o u pc o n t r o ls y s t e m a sas u b s y s t e mi n g r o u pc o n t r o ls y s t e m ，t h i st e r m i n a ls y s t e mh a st h ef u n c t i o n so ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n , t h e f a i l u r ep r o t e c t i o n ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n , t e r m i n a le q u i p m e n tn e t w o r k , l o n g - d i s t a n c en e t w o r k a n ds oo n t h et e r m i n a ls y s t e mu s et h em e t h o do fu n i tm o d u l a t i o n ，h a sd e s i g n e dt h et e r m i n a l s y s t e m sc o n t r o lu n i t ，k e y b o a r da n dd i s p l a yu n i t ，f a i l u r ed e t e c t i o na n dp r o t e c t i o nu n i t ，t h e d r i v i n gu n i t i na d d i t i o n , i nv i e wo ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nn e e d ，t h i sa r t i c l eh a sa l s os t u d i e d t h et o r q u ee x a m i n a t i o nm e t h o db a s e do nt h en o n s e n s o r ；f i n a l l y , t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e d p m s ms p a c ev e c t o rm o d e l ，i nv i e wo ft h ei n s u f f i c i e n tw h i c he x i s t si nt h ep u m p i n gu n i t a p p l i c a t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s op r o p o s es o m ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n t h r o u g ht ot e r m i n a ls y s t e m st e s to nt h es p o t ，ih a dp r o v e nt h et e r m i n a ls y s t e m se a c h f u n c t i o na c h i e v e st h ed e s i g ns t a n d a r d ，a n di ts h o u l dr u nr e l i a b i l i t yf o ral o n gt i m e ，t h i s c o n f i r m st h ea c c u r a c ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g np r o p o s a lo ft h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t ；g r o u pc o n t r o ls y s t e m ；t e r m i n a ls y s t e m ；u n i tm o d u l e ； t o r q u ec a l c u l a t i o n ；p m s m 目录 第l 章绪论1 1 1 抽油机变频控制系统的应用及发展1 1 1 1抽油机变频控制系统的分类及特点2 1 1 2 制约抽油机变频控制系统发展的因素。3 1 1 - 3 抽油机变频控制系统的发展方向3 1 2 基于共直流母线的油井集群控系统的应用4 1 2 1共直流母线技术的特点4 1 2 2 油井控制系统集群化的优势5 1 3 本论文主要研究内容6 第2 章油井群控系统终端测控方案7 2 1 油井群控系统终端测控系统组成7 2 2 终端测控系统逆变单元及检测参数8 2 3 油井群控系统的组网配置9 2 3 1 终端测控系统之间的通信方式9 2 3 2终端测控系统远程组网方案1 0 第3 章终端测控系统的单元模块设计1 3 3 1 终端的控制单元设计1 3 3 1 1d s c 控制器简介1 3 3 1 2d s c 控制单元。1 4 3 1 3s t c 控制器简介1 5 3 1 4s t c 控制单元。15 3 2 终端的检测单元设计1 7 3 2 1直流母线电压检测电路1 7 3 2 2 硬件“看门狗 电路1 8 3 2 - 3 保护电路。1 9 3 3 功率模块驱动单元设计2 1 3 3 1 i ( 迅t 模块驱动电路2 1 3 3 2 i p m 接口电路一2 2 3 4 终端的电源设计2 4 第4 章抽油电机的无传感器扭矩检测2 7 4 1 游梁式抽油机受力分析【2 9 】【3 0 l 2 7 4 2 三相异步电动机电磁转矩计算的理论分析【3 2 9 4 2 1 基于矢量运算的转矩模型2 9 4 2 2 转子磁链观测模型3 1 4 2 3 转子磁链电压模型观测器的观测误差分析 3 4 1 3 3 4 2 4 改进的转子磁链电压模型观测器3 3 4 3基于转子磁链观测的电机转矩仿真一3 8 第5 章永磁电机驱动抽油机存在的特殊问题。3 9 5 1永磁电机在抽油机应用中存在的问题3 9 5 2 永磁电机的空间向量模型【4 5 1 。4 0 5 3 永磁电机的转矩特性与功率因数4 3 5 3 1 永磁电机的转矩特性4 3 5 3 2 永磁电机的功率因数4 4 5 4 永磁电机应用中存在问题的分析与解决4 5 5 4 1电网驱动永磁电机4 5 5 4 2v 、厂v f 系统驱动永磁电机4 8 第6 章终端测控系统的软件设计5l 6 1 基于d s c 控制器的主程序设计5 1 6 1 1 程序实现方案及控制流程5 2 6 1 2d s c 控制器与无线模块的通信5 3 6 2 基于s t c 控制器的程序设计5 4 第7 章实验结果及分析5 7 7 1 实验装置构成5 7 7 2 实验结果及分析5 7 7 2 1电源单元实验波形5 7 7 2 2 终端测控系统带载下的实验波形5 8 7 3 总结及展望5 9 参考文献6 1 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 4 致谢6 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 抽油机变频控制系统的应用及发展 近百余年的采油实践中，游梁式抽油机在采油机械中占有举足轻重的地位。游梁式 抽油机所承受的是一种周期交变且带有冲击性的载荷，所需启动转矩大，在配备驱动电 机时，应使电机的额定功率有足够的裕量，以保证电机带载启动时能够克服较大的惯性 扭矩。所以，现阶段多数游梁式抽油机的驱动电机都按最大功率要求配备电机，以保证 电机能克服抽油机的惯性扭矩正常启动；在驱动电机启动完成后的运行过程中，电机大 部分时间都处于轻载状态，即所谓的“大马拉小车 的情况；除此之外，游梁式抽油机 配重不能保证油梁完全平衡，在一个冲程周期内，会存在不同程度的电机“倒发电”现 象，即电机被曲柄拖动使其转速大于同步转速而变为发电机，“倒发电”产生的能量被 反馈到电网上，对电网的污染也是极其严重的；在采油过程中，针对不同的井况，为了 提高产液量，需要调节抽油机的冲程时间【l l ，常用措施是为抽油机配备相应的变速箱， 这种机械式的变速箱安装较繁琐，维护复杂，在调节冲程时间上不能做到十分准确。上 述问题都是制约游梁式抽油机高效、稳定运行的重要因素。 为了解决上述制约因素，游梁式抽油机专用变频控制系统产生了。现今较常用的游 梁式抽油机专用变频控制系统大多是使用通用变频器，采用一井一变频器的单井变频配 置方式，实现抽油机的软启动，减小驱动电机“不必要”的功率裕量。此外，此类通用 变频器可还用于调节驱动电机转速，以此调节抽油机的冲程时间。此类通用变频器对电 机“倒发电的处理方案是将“倒发电产生的能量用大功率电阻消耗掉，以此降低“倒 发电 馈能带来的危害。游梁式抽油机专用变频控制系统的应用在抽油机应用史上具有 里程碑式的意义，它解决了游梁式抽油机应用中存在的诸多问题。但随着抽油机专用变 频控制系统的迅速推广，此类单井式抽油机专用变频控制系统在应用中也暴露出诸多问 题，如“倒发电 引起的保护时常发生，长期馈能消耗的方式浪费了大量电能，不能实 现远程监测控制，自动化程度低等。 针对单井式抽油机专用变频控制系统存在的诸多问题，近几年又产生了一种抽油机 集群控制系统。该系统是在单井式变频装置技术较成熟的基础上，进一步形成的抽油机 变频节能控制的新型组态配置方案：对于多台抽油机集中的采油区块，采用公共直流母 线配挂多个变频终端测控单元的组态方案，实现了抽油机“倒发电 产生的能量的互馈 第l 章绪论 共享和循环利用的目的，同时这种组态方案能对所有终端测控单元统一监测与控制，大 大提高了油田采油系统自动化程度。 1 1 1 抽油机变频控制系统的分类及特点 国内抽油机的庞大数量及其对变频节能的强烈需求，为变频装置在油井的应用提供 了广阔的平台，近几年涌现的应用于抽油机的变频装置主要是某些国外品牌的变频器， 如a b b 、西门子、富士、艾默生等，这些品牌的变频器技术较为成熟，其运行的可靠 性与稳定性相比国产变频器有较大优势【2 】，但上述国外品牌的变频器在设计上主要针对 的是通用型负载，对游梁式抽油机这种特殊的负载，并不能发挥其最大潜力。而针对游 梁式抽油机而开发的专用变频器在市场上少之又少，只有少数企业及高校在做这方面的 应用研究。 对现已应用在抽油机上的变频装置按其对馈能的处理方法可分为三种：单井式通用 变频器、单井式四象限变频器、基于群控系统的变频控制系统。受电流型逆变器的平波 电抗体积及开关管性能的约束，上述三种类型的变频系统按其逆变单元的形式看都属于 电压型逆变系统。 对单井式通用变频器，在驱动抽油机时，尤其是游梁式抽油机这一特殊负载时，其 对耗能的处理方式，导致长期运行过程中不仅浪费了相当一部分能量，而且会因为抽油 电机“倒发电现象而经常产生故障保护。 对单井式四象限变频器，由于其采用了矢量的控制方法，从理论上来说其对游梁式 抽油机这一特殊负载可以做到零馈能，保证抽油机的稳定运行，此种四象限变频器虽说 技术理论已经相当成熟，但其造价很高，实际应用中还是存在可靠性不强的缺点，主要 原因是四象限变频器需要通过传感器检测电机输入侧的电压电流等参数，这些参数的检 测情况直接影响了其控制结果，所以，传感器的精确性与可靠性直接制约了其运行的稳 定性与可靠性，尤其在油田抽油机现场，复杂、恶劣的外部环境对传感器的长期稳定工 作是极大的考验，鉴于上述原因，此类单井式四象限变频器在采油现场并没有得到大范 围推广。 基于群控系统的变频系统是近几年针对抽油机这一负载而研发的专用变频控制系 统，其应用方案是将一个区块的抽油电机集群控制，实现电机“倒发电 能量的循环利 用，减少长期运行下的能量损耗量；同时，集群系统终端测控设备的控制算法是基于通 用变频控制系统的算法，无需像四象限变频系统那样配备多个精密传感器，其对检测量 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 输入的依赖性降低；而且，群控系统还可以实现区块内各并的终端测控系统的组网，实 现高自动化程度的监测与控制，能根据相应的监测数据，实时调控各油井电机的运行状 态，提高整个区块的产液量与稳定运行性能。 1 1 2 制约抽油机变频控制系统发展的因素 对抽油机变频控制系统，目前仍普遍存在三个制约其向高效、节能、稳定方向发展 的问题： ( 1 ) 对大多数抽油机变频控制系统，抽油机“倒发电”馈能采用大功率电阻消耗 的不合理性，增加了无谓损耗； ( 2 ) 抽油机变频控制系统网侧电流谐波严重和功率因数低的问题。因为变频控制 系统网侧整流器多采用不可控整流，网侧电流波形畸变，导致功率因数不高且对电网有 谐波污染。若采用p w m 可逆整流器，网侧电流波形较好，功率因数也较高，且“倒发 电 能量可馈入电网，但对电网有倒灌冲击，并且造价也高得多，对目前国情下的大面 积推广不利； ( 3 ) 抽油机变频控制系统造价较高，难以大面积推广应用。现阶段抽油机变频控 制系统都是采用的电压型功率模块，在保证定的功率裕量的基础上，使得所使用的功 率模块的成本居高不下。 1 1 3 抽油机变频控制系统的发展方向 随着技术的发展，抽油机变频控制系统的发展会向安全性、可靠性、高效性、自动 化程度高这四个方面发展。首先抽油机变频控制系统的安全行与可靠性会随着高性能变 频系统的投入得到提高，尤其是文中1 1 1 节所提及的四象限变频系统，若抛开其对传 感器数据的依赖性而言，四象限变频系统能完美的解决抽油机这一特殊负载所带来的所 有问题，尤其是对能量的并网处理将极大减少能量损耗与其对电网的污染。所以，随着 更可靠、性能更优越、价格更低廉的传感器的出现，将会直接带动四象限变频控制系统 在油田抽油机上的大规模推广。而对基于群控系统的变频控制系统也将会朝自动化程度 更高的方向发展，对基于群控系统变频控制系统而言，现阶段的研究与应用已经能很好 的解决游梁式抽油电机的“倒发电 馈能处理方式的问题，此后的发展方向将着重于其 对更多区块“并网的集体监测与控制。可以设想，若能将更多区块的群控系统“并网 控制，集合监测，实现无人值守的全自动控制，那对油田采油作业工程将具有里程碑式 的意义。 3 第1 章绪论 1 2 基于共直流母线的油井集群控系统的应用 单并式通用变频控制系统并没有设计负载馈能反馈到电网的功能，因此负载的馈能 都会反馈到系统的直流母线上，若不配备制动单元，随着能量的累积，最终会导致变频 系统的母线电压过高，使系统故障保护甚至逆变单元的损坏。若此类变频系统配备制动 单元，将直流母线的过电压通过大功率电阻消耗，此法只是以牺牲节能效果间接的保证 系统的稳定运行。如果有多个变频控制系统能通过条直流母线并联的话，一个或多个 电机产生的馈能就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收，降低了直流母线过电压的风 险，减少能量得浪费。此种有多个变频控制系统通过直流母线并联配置的方式被通称为 基于共直流母线的变频控制系统。 基于共直流母线的变频控制系统最先应用在离心机【3 】、化纤后纺设备【4 】与造纸机的 控制【5 1 。鉴于上述几种负载的类型都存在负载电机“倒发电馈能的现象，很大程度上 与游梁式抽油机的“倒发电 现象类似，所以近几年，基于共直流母线的油井变频控制 系统，也被称为油井集群控制系统，被应用在油田的采油现场。 1 2 1共直流母线技术的特点 共直流母线技术是在多电机变频调速系统中，采用独立的整流滤波装置为系统提供 一定功率的直流电压，各逆变控制系统直接挂接在直流母线上，相当于并联在直流母线 上。共直流母线的供电装置包括：电力变压器、进线开关、进线快速熔断器、整流滤波 单元 6 1 1 7 鲫。其供电系统配置原理为：电力变压器将高压电网上的三相电变换为整流输 入侧所需要的三相电，进线保险的设置是为了防止直流母线意外短路时不至于影响上一 级电力变压器及电网的运行。整流滤波单元将输入交流电压转换为稳定的直流电压。其 整流单元的整流方式一般可分为二极管不可控整流、可控硅半控整流和全控整流三种方 式。常用的直流母线系统一般用二极管不可控整流方式，主要原因是三相二极管不可控 整流电路结构简单，且交流侧功率因数高，完全能够满足直流母线系统的应用需求。由 于在直流母线会挂接多个变频终端控制系统，直流母线需要提供的输出功率很大，所以 其滤波的部分一般采用电感电容滤波，以减小其网侧的电流波动，提高网侧的功率因数。 总体来说共直流母线技术一般存在着以下几个优点： ( 1 ) 共用直流母线和共用整流单元，可以大大减少整流器的重复配置，并且可以 大大减少变压器容量，结构简单合理，经济可靠。 ( 2 ) 各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。 由于公共直流母线技术存在着诸多优点，近几年来，随着变频技术在石油行业的广 泛应用，共直流母线技术才开始崭露头角。 1 2 2 油井控制系统集群化的优势 对有多台抽油机集中的采油区域，采用上述共直流母线的供电方式，将各油井抽油 电机的变频终端控制系统“并联”在直流母线上，一方面从直流母线汲取电能，另一方 面，当部分抽油电机分时段进入倒发电状态时，反馈能量被母线上的其他变频终端所吸 收，降低了直流母线过电压的风险，也减少了不必要的大功率电阻耗能。 鉴于各抽油机在时段内无论是电动还是“倒发电”状态，都能通过变频终端控制系 统调节其运行冲次来调整其运行的整体状态，如此可以合理分配同一时段内电动状态与 制动状态的抽油机数量，使不平衡馈能被各变频终端最大化利用，充分发挥采油区块集 群化控制的优势。另外，在每个变频终端配接一套馈能处理单元，以备直流母线上的倒 发电馈能过剩时的不时之需。综上所述，油井控制系统集群化控制主要有以下优点 9 1 ： ( 1 ) 基于共直流母线的供电方式可有效地避免低压交流电被盗现象的发生； ( 2 ) 网侧整流器采用三相二极管不可控整流，结构简单。为了改善交流侧的功率 因数，降低抽油机“倒发电 给电网带来的冲击影响，仅需要在其直流侧集总配接一套 电力滤波器，无需在各变频终端配置整流器和滤波器，大大降低了群控系统的整体造价 和体积； ( 3 ) 实现了由传统一变一井到一变多井配备方式的转变，大幅减小了电力变压器 综合损耗，使电力变压器在最佳经济状态运行，同时也大幅节省了电力变压器容量，减 少了电力变压器的台数，降低了整体造价； ( 4 ) 各变频终端的馈能通过直流母线共享消耗的实现，将传统方法中用于消耗的 馈能再利用，综合提高了整个区块的节能效率，也能防止频繁馈能引起的故障保护，提 高了各变频终端运行的可靠性与稳定性； ( 5 ) 将井口各变频终端作为整个群控系统的子系统，由井站工作人员通过办公室 配置的远程监控系统对所有子系统统一控制，将数据采集、变频控制与保护功能等有机 的结合在一起，综合提高了采油区作业的自动化程度。 ( 6 ) 集群化控制系统使得有益于整个系统高效、稳定运行的群控策略得以实现。 通过相应的群体策略调节各变频终端的运行状态，保证直流母线电压的波动被控制在最 5 第1 章绪论 小范围内，使各变频终端运行在最优的状态，整体提高该采油区块的产液量。 1 3 本论文主要研究内容 本论文的研究目的是设计群控系统的终端测控设备。文中设计了以数字信号控制器 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 为核心的终端测控系统，主要设计了测控系统所需的电源单元，设计了 测控系统的变频、保护、转矩计算、通信、组网等功能；同时，为了解决测控设备在应 用中所存在的问题，文章分析了永磁电机在油田应用中的不足，并提出了相关的解决方 法。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 阐述了抽油机配备变频系统的必要性，并分析了各种配备形式所存在的优缺 点，同时分析了抽油机区块集群控制系统的优势所在。 ( 2 ) 采用反激式变换器结构设计出适合于测控系统的电源，同时设计了终端系统 的控制电路、逆变驱动电路、保护电路、相应的信号采集电路、短距组网与远程通信系 统。 ( 3 ) 同时为了适应实际需要，对抽油电机的无传感器扭矩检测进行了理论与仿真 研究，给出了相应的结论与仿真波形，验证了方案的正确性。 ( 4 ) 针对实际应用中，永磁电机驱动抽油机时所存在的特殊问题，重点分析了这 些问题产生的原因，给出了仿真波形，并给出了相应的解决方法。 ( 5 ) 介绍终端系统的通信与组网配置方案，包括终端之间的短距射频通信与远程 通信组网，详细阐述了上述两种通信与组网方案的执行机制。 ( 6 ) 给出了终端样机的在运行中所采集的相关波形，分析了样机的性能，给出了 相应的改进意见。 ( 7 ) 对本文研究的主要内容、取得的成果进行简要的总结，对研究结果进行分析 及展望，给出了需要迸一步解决的问题。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章油井群控系统终端测控方案 2 1油井群控系统终端测控系统组成 。本文所研发的终端测控系统在设计上采用了功能单元模块化设计方法，利用各模块 单元之间的相互配合实现系统的功能，终端测控系统的单元组成结构框图如下图2 1 。 图2 - 1 终端系统的组成结构框图 f 蟾2 - 1 t e r m i n a ls y s t e m sc o m p o s i t i o ns t r u c t u r ed i a g r a m 终端测控系统主要由逆变单元与测控单元两大部分组成，逆变单元采用电压型交- 直交逆变电路结构，实现电能从直流母线到抽油电机的传递。测控单元与逆变单元配 合，实现系统的变频控制、故障保护、参数检测与计算、短距通信与远程数据通信等功 能。整个测控系统主要包括以下几个模块化单元：系统电源单元、d s c 控制单元、s t c 控制单元、功率模块驱动单元、能耗单元、数据检测单元、故障检测与保护单元、无线 通信单元。 作为终端测控系统的必备功能，其变频调速系统是结合电压型逆变电路，以d s c 控制器为控制核心，开发其变频调速功能。s t c 控制器结合了键盘与显示单元，为实现 人机交互功能而设置的。该单元结合主控系统，开发终端测控系统相应的功能，如运行 方式设定，故障信号存储、运行频率设置、无传感器扭矩计算等。功率模块驱动单元作 为控制电路与逆变电路的接口，扮演着关键性的角色，驱动电路设计的合理性直接关系 到测控系统的可靠运行。能耗单元的设置是为了防止直流母线上多数终端都在馈能时， 7 第2 章油井群控系统终端测控方案 导致直流母线过电压。数据检测单元负责检测系统的运行电压、电流、频率、各单元运 行情况等参数，以备操作人员查询分析。故障检测与保护单元作为保障系统安全、可靠 运行的重要单元，其功能上设计的优越性也关系到整个系统的安全、可靠运行。无线通 信单元包括了终端测控系统之间的短距通信和终端与远程终端的远程通信，通信与组网 的目的就是为了终端之间能共享数据，远程终端能实时监测控制整个群控系统的运行状 态，并可以进行人为干预。 2 2 终端测控系统逆变单元及检测参数 如图2 - 2 终端测控系统的逆变单元结构及其测量分布图。p 、n 为直流母线正负极。 晶闸管t 与跟它并联的限流电阻构成了支撑电容的充电电路，当支撑电容充电接近额定 值时，电源系统正常工作，直流侧电流下降为正常工作电流，电源系统产生的脉冲控制 晶闸管导通，短路限流电阻以减小电能损耗。与晶闸管t 反并联的还有一个二极管d ， 电机“倒发电”时，此时电流的流向将是反向的，能量通过二极管馈入直流母线，二极 管d 就是在这个时候起馈能通路的作用。快速熔断器f u s e 是用来保证逆变单元的直 流侧意外短路时不至于影响到直流母线。h r 为霍尔传感器，用以采集直流侧电流，t l 为i g b t ，与和它串联的耗能电阻一起构成了制动单元。右边的由六个由i g b t 构成电 压型逆变桥，采用的是双极性控制方式，可以大大减少输出电压中的谐波含量，使输出 电压接近正弦波。 图2 - 2 终端系统逆交单元与检测分布 f i g2 - 2 t e r m i n a ls y s t e m si n v e r s i o nu n i ta n de x a m i n a t i o nd i s t r i b u t i o n 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为了能监控终端的运行状态及完善保护措施，需要检测系统运行时的多个参数，这 些需要监测的数据多集中在逆变单元上，需要检测的部分有以下几点如图2 2 ：直流母 线电压、母线支撑电容均压情况、输出三相电压电流、耗能电阻温度、i g b t 模块温度、 散热风扇运行情况、系统电源运行情况。 直流母线电压检测主要用于完善母线保护与终端测控系统的调压功能；母线支撑电 容的均压检测用于保护串联的支撑电容由于分压不均而导致电容损坏；输出三相电压电 流检测用于过压过流保护及相关数据计算；耗能电阻温度监测用以防止长时间不间断耗 能引起的硅板烧坏，导致其功能丧失而引起的母线过电压；i g b t 温度检测用以完善系 统过压、过流情况下的保护功能，因为i g b t 的温度能有效反映出直流母线电压等级， 是否有过压、过流等前兆；不间断检测系统电源，风扇等运行情况，可以实时了解终端 的工作情况，及时发现隐患，避免重大故障。以上所检测的数据能实现终端之间的共享 及实时汇总上传。 2 3 油井群控系统的组网配置 2 3 1终端测控系统之间的通信方式 为提升整个群控系统的自动化程度，各终端测控系统需实时汇总及上传各自的运行 参数，并能接收远程终端的控制命令并执行。现有群控系统的终端通信方式都是采用一 终端一远程无线模块的配置方式，每个终端测控系统配置一个独立的远程无线模块，收 发远程终端的命令。各终端将数据的汇总与处理放到远程终端执行，如此将所有终端测 控系统组网，通过远程终端统一监测控制。但是此种配置方式也带来了相应的问题与不 足：首先，每一个终端测控系统配备独立的远程无线模块，对区块内终端测控系统较多 的情况下，无线模块成本与数据费的投入比较庞大。其次，每一个终端测控系统只对其 对应的无线模块负责，各自上传的数据都汇总到远程终端来处理，如果两个终端测控系 统之间需要进行交换数据，则需要通过远程终端来交换，交换数据的实时性比较差。再 者，较多的无线模块单元同时对远程终端进行数据传输，这也对远程终端的数据处理方 式与能力提出了挑战。基于上述原因，本文所研发的测控系统采用终端之间的通信为基 础网络，在采油区块内，先将各终端测控系统进行组网，选择其中一个系统作为数据汇 总主机，为其配备独立的远程通信模块，由此主机对远程终端的所有命令数据负责，如 此可解决远程无线模块成本投入庞大的问题，而且，对远程终端来说，其只需要对一个 终端测控设备的无线数据负责，降低了远程终端的数据接收与处理复杂度，最重要的， o 第2 章油井群控系统终端测控方案 终端之间的数据交换不需要经过远程终端，对数据交换的实时行有所提高。对如何进行 终端系统之间的组网，本文提出了以下两种类型的通信组网方案。 1 、短距射频通信【1 0 l 1 1 1 射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代得地位。作为低成本、低功耗的短 距离无线通信和接口技术，它提供了一种高效的无线数据通信网络，实现独立终端信息 的互联，组建信息网络。此类无线通信网络一般采用2 4 2 5 g h z 的i s m 频段、跳频扩 频技术、时分双工工作方式和高斯频移键控调制方式。此种射频通信方式，简单的握手 通信方式使其应用更加简单，其通用的接口电路大多被集成，使用也比较方便。在短距 通信的应用上，其信号强、功耗小、干扰小的优点表现的淋漓精致。 鉴于上述优点，本文所研发的测控系统首选短距射频通信方式来进行终端之间的数 据交换，所选用的射频模块为n r f 9 0 5 ，该射频模块是挪威n o r d i cv l s i 公司推出的单 片射频收发器，3 2 引脚q f n 封装，可工作于4 3 3 m h z ( 工业) 频道，工作电压为1 9 v 到3 6 v ，功耗非常低。以1 0 d b m 的输出功率发射时其电流只有l l m a ，工作于接收模 式时的电流为1 2 5 m a ，而且内建了空闲模式与关机模式，较易于实现稳定且节能运行。 2 、基于直流母线的电力载波通信【1 2 】 电力载波技术，简称为p l c 技术，工作方式是以电力线路作为其传输路径，在 1 6 - 3 0 m h z 频带范围上传输数据。发送数据时，对用户数据进行调制、耦合线路，然后 在电力线上传输。接受数据时，先将调制信号从电力线路上滤出，再经过解调，还原成 原始数据。目前的电力载波通信技术可达到的通信速率在4 5 - 4 5 m b s 之间。 电力载波技术与无线射频通信技术从本质上讲就是有线与无线的区别。对本终端系 统而言，若是通过直流母线作为传输路径进行数据传输，就需要在各终端测控系统与直 流母线的接口处设置变压器，用于载波信号的传输，而射频通信方式无需任何附加设备。 对本系统而言，电力载波通信相对与射频技术的优势就不那么明显，并且对本文所阐述 的共直流母线的群控系统，直流母线的电压是有波动的，这本身对电力载波信号就是一 个干扰源。综合以上对比，本文所设计的终端测控系统优先采用短距射频通信的方式进 行测控系统之间的数据交换。 2 3 2 终端测控系统远程组网方案 群控系统中心终端配备的是基于c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的数据终端 设备。c d m a 是第三代数字无线通信标准之一，又称为码分多址，它允许所有用户同 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 时使用其所有频带而不会发生用户数据碰撞的问题。数据终端设备称为d t u ( d a t a t e r m i n a t eu n i t ) ，采用的是宏电公司的7 7 1 0 系列。选择基于c d m a 网络的d t u 设备主 要是基于其以下优点【1 3 j ： ( 1 ) 对油田现场而言，电磁环境复杂，任何无线通信或多或少都会受到干扰，而 c d m a 可以将用户数据受外围环境干扰的影响降到最低，这对保证终端设备通信的可 靠性是很重要的。 ( 2 ) 宏电7 7 1 0 系列d t u 功能强大，提高多种监测模式与数据传输方式，配置简 单，而且可以远程配置，实际应用中极为方便。 ( 3 ) 宏电7 7 1 0 系列d t u 可以采用多种接口方式，如通用的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口 与终端测控系统的控制单元对接连线，这极大降低了控制单元通信部分的电路设计难 度，而且，基于上述两种通信接口方式简单、可靠，完全能适应系统的通信要求。 图2 - 3 系统终端组网方案 f i g2 - 3s y s t e m st e r m i n a ln e t w o r kp l a n 群控系统的终端组网方案如图2 3 ，各终端测控系统可以独立采集各油井抽油电机 电压、电流等信号，监视各单元模块的运行情况，如果需要还可以计算每个冲次电机的 输出转矩、冲程位移，由此可绘制该油井的示功图。监控中心设置在井站办公室，当需 要某一油井的运行状态参数时，由监测中心计算机对一区块的中心测控终端发出命令， 采集某口油井的运行状态数据。此时中心测控终端系统通过短距射频通信命令该油井的 测控系统采集相关数据，上传到中心测控终端，再由中心终端系统通过d t u 上传到监 一 测中心。 监测中心对收到的数据按预设协议解析，对抽油机的各种运行工况( 包括： 非正常过载、缺相、断杆、空抽、等故障) 进行实时诊断，及时发现故障油井， 中心报警。 1 2 停机、 在监控 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章终端测控系统的单元模块设计 3 1 终端的控制单元设计 终端系统的测控单元所采用的d s c 控制器是整个系统的核心，它除了负责驱动脉 冲信号的产生，还需要实时采集各种信号来监测、控制整个终端的运行状态。鉴于测控 单元所需要实现功能的多样性与复杂性，控制系统将测控程序划分为两部分，一部分放 在d s c 中执行的是需要执行效率较高的程序，另外一部分放到s t c 控制器中执行的键 盘操作及存储程序对实时行要求不做太高要求。基于s t c 控制器的控制部分下文将会 详细阐述。 3 1 1d s c 控制器简介 美国m i c r o e h i p 公司推出的d s p i c 3 0 f 系列数字信号控制器，采用精简指令集 ( s c ) 、哈佛总线结构、流水线预取指方式，具有实用、指令集小、简单易学、低功 耗、高速度、功能强、体积小、抗干扰能力强等优点。到目前为止，d s p i c 3 0 f 面对电 机控制，共推出了8 款封装或配置不同的芯片，以满足不同用户的需要。卓越的性能及 合理的资源配置使这8 款数字信号控制器能够满足各种电机控制的需要，为设计不同控 制精度、不同转速范围、不同控制策略的电机控制提供了理想的低成本解决方案。本节 将简要介绍该控制器的性能特征和资源配置。 d s c 控制器不但拥有1 6 位闪存单片机功能强大的外围设备和快速中断处理能力， 而且兼具数字信号处理器( d s p ) 强大的计算和数据吞吐能力，它融合了可管理高速计 算活动的数字信号处理器功能，指令执行速度最高可达3 0 m i p s ，配备自编程闪存，并 具有较宽的工作温度范围。 d s c 控制器内含l o 位高速a d 转换器、e e p r o m 存储器、输入捕捉模块、输出 比较模块、正交编码器接口模块、f c 通信模块、s p i 接口、通用异步收发器模块、c a n 总线模块、电机控制脉宽调制模块等丰富的外围设备。同时，具有多达6 2 个向量的中 断向量表，其中包括8 个处理器异常和软件陷阱中断