一種抽油機沖次動態調節系統

王勤昌　王豪

關鍵詞：示功圖;充滿度;自動調節;開關磁阻電機調速系統

目前，游梁式抽油機在油田抽油設備中占多數，根據示功儀數據和經驗人工診斷井下狀況，然后通過計算充滿度來修正抽油機的沖次。但是，油井數量基數大，及時性和準確性得不到保障，這就需要抽油機電控系統能自動讀取示功儀數據并進行智能化分析診斷，自動調節電機轉速或啟動間抽功能，達到節能增產的效果，同時智能化、信息化也符合油田的發展方向。結合開關磁阻電機調速系統在抽油機中的節能效果，本研究所設計的抽油機沖次動態調節系統運行原理如圖1所示，具有通過示功儀數據自動診斷、自動計算、自動調節等功能，能提高抽油機的節電率。

1系統原理

模擬量采集模塊通過4～20mA電流環獲取載荷傳感器及位移傳感器的數據，工控機（Industrial Personal Computer，IPC）與模擬量采集模塊通過RS232進行數據通信，IPC上的控制程序通過獲取功圖數據，繪制歸一化功圖并保存為圖像[1]，程序通過圖像輪廓Hu不變矩算法進行輪廓提取及識別[2]，與模板庫中的功圖圖片進行對比，自動診斷出功圖類型，同時通過載荷逐點微分求出泵充滿度，每次計算的充滿度與上下限設定值進行比較，計算的充滿度次數達到設定值時，如果在上下限區間內的充滿度次數占比大于等于達標率設定值，則抽油機沖次維持不變;如果計算的充滿度大于上限的情況比小于上限的多，則增大抽油機沖次;如果計算的充滿度小于下限的情況比大于上限的多，則減小抽油機沖次;如果抽油機沖次小于間抽功能啟動閾值，則啟動間抽功能，間抽速度及啟停時間可設，控制程序在抽油機停機前1min，通過語音喇叭發出“抽油機即將停機，請注意安全”的語音警示，在抽油機啟動前1min，發出“抽油機即將啟動，請注意安全”的語音警示，避免抽油機突然停止或開啟時造成事故，同時，現場抽油機的運行狀態通過消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）及云服務器轉發到App端，現場生產人員可隨時隨地了解抽油機的運行狀態。

2操作面板

操作面板如圖2所示。沖次調節在“手動”模式下，油井現場人員通過旋轉“沖次調節”電位器旋鈕調節開關磁阻電機轉速，進而調節抽油機沖次;沖次調節在“自動”模式下，油井沖次由控制系統實現自動調節。無論是自動模式還是手動模式，“停止”按鈕均有效，在抽油機運行過程中，手自動模式可任意切換：手動切自動，抽油機沖次未執行調節之前，按手動調節的沖次運行;自動轉手動模式，沖次切換為手動沖次設定值，IPC工控機上電自動開機運行控制軟件，自動聯網，具有斷線重連功能，同時系統設定看門狗功能，實時監測控制軟件的運行狀態，軟件一旦被關閉，10s后看門狗會自動開啟控制軟件。

3軟件主界面

控制程序（見圖3）主要實現以下功能：

（1）示功圖繪制。控制程序根據載荷傳感器及位移傳感器數據，結合模板中的示功圖圖像尺寸，進行歸一化處理，有利于完成圖像的輪廓對比。

（2）功圖類型診斷。將當前繪制的功圖與模板庫中的功圖圖像通過OpenCV視覺庫進行灰度[3]、二值化、輪廓點提取結合Hu不變矩算法進行輪廓相似度對比，逐一計算出相似度，數值越小，說明兩者的輪廓越接近，從而找出當前功圖的歸屬類型。

（3）在線學習。示功圖還有手動圖像學習功能（見圖4），可以通過學習功能，逐步完善功圖模板庫，提高功圖識別成功率，可選擇3種濾波方式：均值、中值、高斯。經測試，高斯濾波效果較好，邊緣參數閾值上下限可以自由設定，默認0～255。

（6）實時監控。IPC讀取電機的實時運行數據，將電機的實時電流、電壓、轉速等以曲線形式顯示，有助于現場分析，同時通過4G DTU模塊，將油井的實時數據以MQTT協議方式發布到云服務器上[4]，手機端App便可以實時了解油井運行情況。

4結語

本系統經過現場試驗，實現了沖次調節的及時性，尤其是針對低產井，可以實現間抽功能，提高了系統的節電率，但也有不足之處。在功圖診斷方面，為了提高診斷的準確率，需提前手動學習，將大量功圖加入模板庫中。下一步將機器深度學習AI技術引入功圖的自動學習中，提高功圖診斷的準確率。