往復泵控制系統的製作方法

2023-12-02 23:51:51

專利名稱：往復泵控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來改變轉動致動的往復泵的速度的系統。更具體 地，它涉及一種用來控制泵傳動裝置(pumpjack)的周期內杆速的方法 和設備。
背景技術：
諸如泵傳動裝置的往復泵在曲臂轉動期間典型地是按固定電機速度 運行的。對吊在井架(horsehead )上的抽油杆柱施加的直線運動的速度、 加速度和位置是由曲臂的速度、加速度和位置以及泵作動筒的幾何形狀 決定的。在圖1中描繪泵作動筒的典型幾何形狀。泵傳動裝置的常皿 行保持固定的曲臂速度。因此，泵傳動裝置的幾何形狀決定本質上為正 弦曲線的杆速。為優化井產量過去已做出的調整涉及改變泵的幾何形狀或者提高或 減小曲臂的總轉速。在一個周期內，曲臂速度曲型地保持固定並且泵的 動態特性由幾何形狀決定。已經實施各種改變沖程內的速度的方法，它們通常提高上行程期間 的速度以使效率最大並且減小下行程期間的速度以消除對流體柱的擊 打。在美國4,102,394號專利中，公開一種用於向泵傳動裝置供能的變速 電動電機的控制系統。據說該控制系統允許比下行程速度要大的上行程 速度並且允許響應於井中以及儲存設施中的油高度來改變衝程頻率。但 是，未詳細公開該控制系統。此外，該系統不能實施定製的速度分布。從而，需要一種包含方法和設備的、用於方便地和完整地控制衝程周期內的曲臂速度以及杆速度的控制系統。 發明內容概括地說，本發明包括一種用於由電動機或內燃機驅動的擺動梁(rocking beam )泵的速度控制系統。通過對抽運單元(pumping unit) 的幾何形狀進行補償的調整，該系統使得用戶能控制抽運過程的動力學 特性。本質上，使抽油杆柱的動力學特性和運動與抽運單元幾何形狀解 耦。該系統包括電氣和電子硬體、數值方法、軟體算法和用戶接口的設 計，以便能把對抽運單元和速度分布的控制設計成控制杆的運動和動力 學特性，並且同時補償所使用的抽運單元的具體幾何形狀。在一個方面，本發明可包括一種控制系統，其用於改變具有某種幾 何形狀的並且包含變速電機和轉動曲臂的抽運單元的杆速，該系統包括(a) 用來對該電機提供速度設定值的可變頻驅動器；(b) 可操作地和該可變頻驅動器連接並包含根據曲臂速度分布輸出 速度設定值的裝置的控制器；以及(c) 處理器，其包含用來建立曲臂速度分布(speed profile)並把 該曲臂速度分布傳送到該控制器的裝置。該系統最好還包括一個含有該 抽運單元幾何形狀的數學表達的存儲器，並且其中該處理器還包括用於 建立杆速度分布的裝置以及把杆速度分布轉換成曲臂速度分布的裝置。在另一方面，本發明可包括一種用於控制一個具有某種幾何形狀的 抽運單元的杆速度的方法，其中該抽運單元包括可變頻驅動器、變速電 機和轉動曲臂，該方法包括步驟(a) 建立抽運單元幾何形狀的數學模型；(b) 從用戶接收杆速度分布或曲臂速度分布；(c) 若接收到杆速度分布，利用該數學模型:Wt速度分布轉換成曲 臂速度分布；以及(d) 根據該曲臂^JL分布向該可變頻驅動器輸出速度設定值。


現通過一示範實施例參照簡化、不按比例的

本發明。附圖中圖1 (現有技術)示意示出能實施本發明的方法或系統的常規泵傳動 裝置單元的幾何形狀。圖2圖示常規固定的曲臂速度分布和正弦杆速度分布。 圖3示意表示泵傳動裝置速度控制系統的一種實施例。 圖4是示意表示圖3實施例的方塊圖。圖5是計算機軟體窗口圖，示出泵傳動裝置幾何形狀的計算機表示。 圖6是計算機軟體窗口圖，示出線性杆速度分布。 圖7是計算機軟體窗口圖，示出線性曲臂速度分布。 圖8是計算機軟體窗口圖，示出從圖6的線性杆速度分布導出的模 擬曲臂速度分布。圖9是速度分布輸入進程的流程圖。 圖10是速度控制進程的流程圖。
具體實施方式
本發明涉及用於由電動機或內燃機驅動的搖梁(waling beam)抽運 單元的速度控制系統。在說明本發明時，本文所有未說明的術語具有它 們通常技術上公認的含義。在圖1中示出常規搖梁抽運單元。如技術上周知那樣，抽運單元的如文中採用那樣，這種抽運單元的單個抽運周期由曲臂的一次完整迴轉 定義。可以把單個抽運周期看成是從抽油杆柱到達其最低點的那個點開 始，並且按照抽油杆柱上升、迴轉和下降回到它的起始位置持續。假定 曲臂速度固定，杆速度實質上遵循正弦曲線，在杆行程的最高點和最低 點速度達到零然後加速以達到這二點之間的最大速度，如圖2中所示。為了把典型地按每秒度數計量的曲臂轉速轉換成曲型地按每秒米數 計量的杆的直線速度，必須知道抽運單元各個部件的尺寸和配置。在本 文中將其稱為抽運單元的幾何形狀並且可以被數學表達以得到把杆速度轉換成曲臂速度的各等式。推導出任何給定抽運單元幾何形狀的數學才莫 型是在本領域技術人員的技能之內的。如本文採用那樣，速度分布是一組在單個抽運周期範圍中的速度值並且可以如圖2中示出那樣用曲線描述。在圖2中，曲臂速度分布(CSP) 是一條直線，表示在整個周期中曲臂速度固定。杆速度分布(RSP)則 是一條正弦曲線。如本領域技術人員會意識到的那樣，曲臂速度的任何 變化轉換成杆速度的變化。並且，在一個周期期間從一個速度值改變到 另 一個速度值不是立即出現的，從而在各速度值之間速度分布會向上或 者向下傾斜，以表示加速或者減速階段。在一實施例中，本發明包括一種如圖3中所示的包含一個控制器10 和一個變速驅動器12的設備。在使用中，通過該具有伺服運動控制器的 控制器把由曲臂速度分布規定的曲臂速度施加到變速電機14上。可以用 以適當軟體編程的通用計算機、固件、微控制器、微處理器或多個微處 理器、數位訊號處理器、其它硬體或者其它本領域技術人員知道的硬體 軟體的組合來實現該控制器。該控制器物理上通過該變速驅動器12控制 該電機的速度。適用的變速驅動器可以是交流的或者直流的，這在技術 上是周知的。在一實施例中，該驅動器可以是市場上能買到的變頻交流 驅動器，例如ABBACS-601 (ABB Industry Oy，Helsinki,Finland)或者 Allen-Bradley 1336 Impact drive (Rockwell Automation,Milwaukee, WI， USA )。優選的可變頻驅動器能在帶有或不帶有速K饋的情況下實現對 電機速度和/或轉矩的準確控制。如果有的話，可以通過電機軸上的脈衝 編碼器或其它已知裝置提供速度反饋。如果該電機是柴油發動器，控制 器10可操作成打開或者關閉一個節流閥(未示出)以實現速度控制。設置一個動態制動器16以在周期中抽油杆柱下降或者減速期間控制 超限負載。在可變速度控制系統的技術領域中動態制動器是周知的。在 某些情況下，抽油杆柱的重量大於由油井中的流體粘性以及抽運單元固 有的摩擦力所提供的阻力。從而，在下行程期間，該抽運單元產生經電 動機傳到可變頻驅動器上的能量。在一實施例中，該動態制動器包括一 排阻滯元件，如技術上周知那樣。也可以選用直線制動(line braking)或再生驅動器。在一實施例中，該控制器IO是微處理器並且通過一臺分立的通用個 人計算機(PC)例如膝上計算機提供用戶接口 18,該PC通過適當的數 字輸入/輸出可操作地和該控制器連接。在該實施例中，該PC包括一個 含有該抽運單元的數學模型以及允許用戶輸入曲臂速度分布或杆速度分 布的軟體的存儲器。如果用戶定義曲臂速度分布，則可直接使用該速度 分布以便由該控制器控制曲臂速度。但是，如果用戶定義杆速度分布， 則必須利用抽運單元數學模型把它轉換成曲臂速度分布，接著利用後者 通過該控制器控制曲臂速度。在另一實施例中，該用戶接口 18位於遠程並且通過標準網絡通信協 議例如TCP/IP或乙太網協議和控制器10通信。如圖3中所示，遠程工 作站18可以通過電話、RF或與該工作站18以及控制器10關聯的衛星 數據機20來和該控制器通信。在遠程設置用戶接口 18的情況下可 以提供一個本地顯示器22，用來觀看用戶定義的速度分布以及製圖結果。圖4示意表示本發明系統的一實施例。如圖3中示出那樣，控制器 IO分立於用戶接口 18實現。但是，在一替代實施例中，也可以在單個組 件例如一臺通用計算機中實現控制器和用戶接口 。在一優選實施例中， 用戶接口是用通用計算機一運行的軟體實現的，而控制器用固件分立實 現。用戶接口 18包括一個可在其中存儲泵傳動裝置幾何形狀的數學模型 的存儲器22。該用戶接口最好還包括一個能從預先定義的泵傳動裝置幾 何形狀選擇已知數學模型或者創造並存儲新數學模型的軟體模塊。如圖5 中看到那樣，可以從和選定製造商的具M型對應的下拉選單30中選擇 數學模型。替代地，可以通過輸入泵傳動裝置幾何形狀的相關值來輸入 或者建立新的數學模型，接著該新模型可存儲在該存儲器中並由該用戶 接口的其它模塊訪問。該用戶接口還可包括一個允許快速、方便輸入用戶定義的杆速度分 布(RSP)或曲臂速度分布(CSP)的模塊。用戶定義的RSP可以由多 個用戶定義的值組成，例如初始、最大和終止上行程速度以及初始、最大和終止下行程速度。用戶還可以規定加速率或者用戶可以接受默認值。 在一實施例中， 一個或多個分布類型可以被預配置並存儲在存儲器中和作為選單選擇提供。在一實施例中，二種分布類型是線性RSP和線性 CSP。如本領域技術人員會理解那樣，線性或固定的RSP可以只是曲線 化CSP的結果。另一方面，線性CSP會產生曲線化RSP。圖6描述用來定義線性RSP的軟體窗口的屏幕快照。分布類型是從 窗口右上側處的下拉選單32中選擇的。可以看出在該例中把杆速度限制 在上行程以及下行程期間的最大值上，並且加速或減速度率是相對線性 的。如本領域技術人員會理解那樣，這種RSP要求CSP包括一個與線性 最大杆速度對應的速度逐漸減小和增加階段。在該例中，規定加速度率 並且上行程起始、結束速度與下行程起始、結束速度相同。接著該軟體 把RSP轉換成CSP並且規定若干分布步位(profile st印)。每個分布步 位代表一個規定曲臂位置處的速度改變以及曲臂加速度值。如圖6中所 示，線性RSP可轉換成具有23個分布步位的CSP。在該例中，利用杆 的運動^:確定CSP。然而，在替代實施例中，用戶可輸入RSP步位數 據表，其中每個RSP步位由 一個杆位置以及該位置處的期望杆速度組成。圖7描述用來定義線性CSP的軟體窗口的屏幕快照。該分布類型 (Crank Speed-Dual)是從分布類型下拉選單(32)中選擇的。用戶可 以通過規定周期中各預定點的期望速度來定義CSP的類型。CSP包括一 系列步位，其中每個步位由該期望速度開始的曲臂位置、該期望速度以 ^速度率構成。圖7中示出具有四個步位的數據表34形式的CSP。如 還可以圖7看出，該CSP還可以用曲線表示。可以通過對該數據表輸入 值或者通過規定運動參數，例如一個周期內一些相位上最大轉速，生成 該數據表34和曲線表示。一旦用戶定義了期望CSP或RSP,該軟體可提供仿真功能以觀看得 到的CSP或RSP。圖8描述示出線性RSP (圖6中示出的RSP)仿真結 果的軟體窗口的屏幕快照。在此情況下，RSP被定義並且用戶可以根據 曲線按表格形式觀看所得到的仿真CSP。在一實施例中，可以利用 一些適當的傳感器監視吸杆上的電機轉矩或負載。典型地希望把轉矩或杆負載限制在某些最大值內以防止杆過栽。可提供帶有定標算法的比例積分微分(PID )控制以便調整速度控制從而保持在某些參數範圍之內。如果測出的轉矩超過^:定的最大值，可以調 用該定標算法以縮小速度分布。在一優選實施例中，可變頻驅動器通過監視電機的電壓和電流波形 或者通過某些其它裝置來產生實際速度參照。利用該速度參照估計一個 周期內任何時刻的曲臂位置。在一實施例中，用來估計曲臂位置的裝置 包括一個產生模擬速度參照的部件以及一個把該速度參照轉換成其頻率 與該速度成比例的方波脈衝串的部件。接著可以積分由方波代表的速度 以便通過從脈衝編碼器輸入對方波邊緣計數從而獲得曲臂位置。在另一 實施例中，可以利用脈衝編碼器直接測量曲臂的位置和速度。由於在一個周期內估計曲臂位置或者由於可能存在皮帶滑動或其它 機構、電氣錯誤，希望設置糾錯裝置。在一實施例中，通過在每個周期 用實際位置對估計位置復位來提供糾錯。這可以通過設置一個接近開關40實現，該開關固定在抽運單元上能感測曲臂通過的位置處，並且一旦曲臂通過它能產生輸出信號。可以在每個周期開始時或者在每個周期中 於一個規定點上利用該接近開關信號對由該控制器執行的速勿時間計算 所得出的曲臂估計位置進行復位。在一優選實施例中，可以利用該實際速度參照產生能被製圖和圖形 地顯示或記錄的實時速度分布。實際速度分布與用戶定義的速度分布的實時比較可能特別有用。這種製圖功能可以是用戶接口中的基於PC的軟體的一部分，它還可以接收並製圖其它數據或變量，例如電機電流或轉 矩。在一實施例中，可以設置一個編碼器以便提供實際曲臂位置信號， 在這種情況下接近開關或其它糾錯裝置可能是不必要的，但可能仍是希 望有的，以便修正諸如皮帶滑動的積湘餘溪。現參照圖9和10說明本發明的以一種方法為形式的實施例。 圖9是一個流程圖，表示建立代表CSP或RSP的一系列程序步中涉 及的各步驟，第一步是通過輸入數據表、程序步或運動參數模板來輸入CSP或者RSP (步驟100 )。如果輸入RSP，必須把RSP值轉換成CSP (步驟110)， CSP由一系列某些曲臂位置處的曲臂速度設定組成。然後 把CSP錶轉換(步驟120 )成一系列程序步，這些程序步可下載到(步 驟130 )可操作地與可變頻驅動器連接的控制器上。圖IO展示控制器的操作。接近開關提供周期開始信號(步驟200)， 隨後可變頻驅動器(UFD)按設定的加速度率把曲臂速度提高到期望啟 動速度(步驟210 )。接著利用上面說明的實際速度參照估計曲臂的位置， 並在適當位置調用下一個程序步(步驟220)。在該位置，按期望加速度 增加或減小VFD速度i殳定值，並且繼續該周期內所有程序步的處理。該 接近開關發信號通知與下一個周期的起點完全重合的周期的終點。此刻， 如果啟動PID定標並且在該周期期間檢測出過轉矩或杆過載，可縮小速 度"^殳定值並且可為下一個周期建立一個新的定標的速度分布。可以設計 該定標算法從而在每個周期按預定量減小所有速度設定值，直至由轉矩 傳感器報告轉矩減小到可接受水平。備選地，該定標算法可設計成感測 轉矩值的超過量並且按某百分比減小速度設定值，以便一步把轉矩減小 到可接受水平。在一替代實施例中，可把該定標算法設計為只在周期中 的一部分上，例如只在上行程部分進行縮小處理。如本領域技術人員清楚那樣，在不背離本發明所要求的範圍的情況 下，可對上面的具體公開做出各種修改、調整和改變。在不背離本發明 的範圍的情況下，可以按與在此所說明的或要求保護的組合不相同的方 式組合本發明所說明的各種特徵和元部件。
權利要求
1.一種用來控制抽運單元的杆速度的方法，該抽運單元具有將轉動曲臂的運動施加到杆上的幾何形狀，該轉動曲臂由交流或直流可變速驅動器和可變速電機驅動，該方法包括從用戶接收與所希望的杆速度分布相關的用戶定義的速度分布；從用戶定義的速度分布獲得非恆定的曲臂速度分布供控制器使用；根據曲臂速度分布增大或減小控制器處的速度設定值；以及從控制器輸出速度設定值至交流或直流可變速驅動器用於控制可變速電機。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，用戶定義的速度分布是曲臂速度 分布。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，用戶定義的速度分布是杆速度分 布，獲得非恆定的速度分布還包括根據抽運單元的幾何形狀將杆速度分 布轉換成曲臂速度分布。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，用戶定義的速度分布是杆速度分 布，獲得非恆定的曲臂速度分布還包括將該抽運單元幾何形狀的數學模型存儲在處理器中；以及 使用處理器中的數學模型將杆速度分布轉換成曲臂速度分布。
5. 如權利要求1所述的方法，在輸出速度設定值之前，還包括 在控制器處接收來自該交流或直流可變速驅動器的電機實際速度參照；以及根據實際速度參照來估計曲臂的位置和速度。
6. 如權利要求5所述的方法，在估計曲臂的位置之後，還包括 感測曲臂在一個周期期間經過接近開關至少一次的經過； 從接近開關發送信號至控制器，用於確定曲臂的實際位置；以及 將曲臂的估計位置重設為實際位置。
7. 如權利要求5或6所述的方法，在輸出速度設定值之前，還包括 響應於與杆的運動相關的狀態來縮放曲臂速度分布。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，與杆的運動相關的狀態是電機處 的轉矩。
9. 如權利要求7所述的方法，其中，與杆的運動相關的狀態是杆上的負載
10. 如權利要求7所述的方法，其中，在周期的起點而不是在周期期 間中放大或縮小曲臂速度分布。
11. 如權利要求6所述的方法，還包括在輸出速度設定值之前 根據實際的曲臂位置和速度來建立並且顯示實際的曲臂或杆速度分布。
12. —種用於改變抽運單元的杆速度的控制系統，該抽運單元用於將 運動施加到杆上，該抽運單元包括可變速電機和轉動曲臂，該系統包括用於將速度設定值提供給電機的交流或直流可變速驅動器； 用於輸出在一個周期內非恆定的曲臂速度分布的接口；以及 可操作地與該交流或直流可變速驅動器連接的控制器， 其中，該接口傳送曲臂速度分布至控制器，用於據此輸出速度設定 值至電機。
13. 如權利要求12所述的系統，其中，該接口還包括 包含抽運單元幾何形狀的數學表示且用於接收杆速度分布的存儲器；以及用於根據幾何形狀和杆速度分布建立曲臂速度分布的裝置。
14. 如權利要求12所述的系統，其中，該接口還包括 包含抽運單元幾何形狀的數學表示的存儲器； 用於建立杆速度分布的裝置；以及用於根據幾何形狀和杆速度分布建立曲臂速度分布的裝置。
15. 如權利要求12所述的系統，其中，該接口還包括: 包含抽運單元幾何形狀的數學表示且用於接收杆速度分布的存儲器；以及用於根據幾何形狀和杆速度分布建立曲臂速度分布的處理器。
16. 如權利要求12所述的系統，其中，該接口還包括包含抽運單元幾何形狀的數學表示的存儲器；以及 用於建立杆速度分布且用於根據幾何形狀和杆速度分布建立曲臂速 度分布的處理器。
17. 如權利要求12至16中任一項所述的系統，其中，該接口位於遠 離控制器處。
18. 如權利要求12至16中任一項所述的系統，其中，該接口和控制 器在計算機中實現。
19. 如權利要求18所述的系統，其中，該接口和控制器在同一個計算 機中實現。
20. 如權利要求12所述的系統，其中，該接口還包括可操作地與控制 器連接的計算機。
21. 如權利要求20所述的系統，其中，該計算機還包括含抽運單元幾 何形狀的數學表示且用於接收杆速度分布的存儲器，以及用於根據幾何 形狀和杆速度分布建立曲臂速度分布的裝置。
22. 如權利要求20所述的系統，其中，該計算機還包括含抽運單元幾 何形狀的數學表示且用於接收杆速度分布的存儲器，以及用於根據幾何 形狀和杆速度分布建立曲臂速度分布的處理器。
23. 如權利要求20所述的系統，其中，該計算機還包括 包含抽運單元幾何形狀的數學表示的存儲器； 用於建立杆速度分布的裝置；以及用於根據幾何形狀和杆速度分布建立曲臂速度分布的裝置。
24. 如權利要求20所述的系統，其中，該接口還包括 包含抽運單元幾何形狀的數學表示的存儲器；以及用於建立杆速度分布且用於根據幾何形狀和杆速度分布建立曲臂速 度分布的處理器。
25. 如權利要求12至24中任一項所述的系統，還包括用於確定曲臂 的位置及其速度的裝置。
26. 如權利要求12至25中任一項所述的系統，其中，該交流或直流 可變速驅動器包括用於為控制器產生曲臂的實際速度參照的裝置。
27.如權利要求12至26中任一項所述的系統，其中，所述交流或直 流可變速驅動器是可變頻驅動器。
全文摘要
一種泵傳動裝置速度控制系統，包括一個用戶接口、一個控制器和一個變速驅動器。該用戶接口包括該泵傳動裝置幾何形狀的數學表示，其允許把杆速度分布轉換成曲臂速度分布。
文檔編號F04B47/02GK101220808SQ20071016712
公開日2008年7月16日 申請日期2003年6月10日 優先權日2002年11月1日
發明者哈利·尤帕德海亞, 拉米什·艾加瓦爾, 傑夫·沃特森 申請人:傑克科技有限公司;1123050艾伯塔有限公司