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1、10申请公布号CN103939058A43申请公布日20140723CN103939058A21申请号201410189012322申请日20140506E21B43/0020060171申请人西安石油大学地址710065陕西省西安市电子二路东段18号72发明人魏航信吴伟职黎光74专利代理机构西安智大知识产权代理事务所61215代理人弋才富54发明名称风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置57摘要风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，伺服电机采用风力发电机、太阳能电池、蓄电池联合供电的方式，风力发电机通过稳压器I为蓄电池充电，同样太阳能电池通过稳压器II为蓄电池供电，蓄电池通过稳压电源和单片机、。
2、驱动器、伺服电机相连接，检测游梁式抽油机主电机电压、电流的传感器通过变送器和单片机相连接。单片机通过检测到信号，采用模糊PD算法进行实时运算，送出控制指令到驱动器，驱动器带动伺服电机转动，伺服电机的转动最终会带动平衡块的轴向移动，从而实现对游梁式抽油机平衡度的实时调节。该装置具有结构紧凑、尺寸小、工作可靠、实时平衡效果好、节能效果显著等特点，真正实现了游梁式抽油机的节能降耗。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图3页10申请公布号CN103939058ACN103939058A1/1页21风光储联合的游梁式抽油。
3、机智能平衡装置，其特征在于，包括机械部分和控制部分，机械部分包括电机27，电机27通过皮带轮28与减速器29连接，减速器29和曲柄17连接，曲柄17末端上设置有曲柄平衡块18，曲柄17通过连杆19和游梁20连接，在游梁20后臂设置有平衡块智能调节装置21，在游梁20另一端设置有驴头22及杆柱系统23，控制部分包括单片机控制器24，单片机控制器24与机械部分平衡块智能调节装置21的伺服电机12控制端相连，单片机控制器24的电源端口与太阳能电池25和风力发电机26相连。2根据权利要求1所述的风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，其特征在于，所述的单片机控制器24包括主电机电压传感器和主电机电流传感。
4、器，电机电压传感器和主电机电流传感器的信号端与变送器信号输入端连接，变送器信号输出端与单片机连接，单片机控制信号输出端与驱动器连接，驱动器输出端与伺服电机12连接，稳压电源对变送器、单片机、驱动器、伺服电机供电，稳压电源输入端与蓄电池连接，蓄电池通过稳压器I与风力发电机26供电端相连，蓄电池还通过稳压器II与太阳能电池25供电端相连。3根据权利要求1所述的风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，其特征在于，所述的平衡块智能调节装置21包括伺服电机12，伺服电机12通过联轴器11与丝杠10连接，丝杠10上的丝杠螺母9左端设置有平衡块8，平衡块8的上下部位均贯穿有导杆7，两根导杆7固定在轴承座2上，。
5、轴承座2固定在游梁20上，丝杠10左右两端通过轴承5固定在轴承座2上，轴承5外端面通过端盖4定位，端盖4由螺母6固定。4根据权利要求1或2所述的风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，其特征在于，所述的单片机采用模糊PD控制，应用实时调节控制算法，具体如下1通过传感器检测抽油机一个冲程内电流、电压，计算其平衡度；2根据抽油机实际平衡度，计算模糊控制器输入量E及其变化率；3确定模糊控制器的输入量、输出量论域范围、模糊控制规则；4模糊控制器对输入量进行模糊化、模糊推理、去模糊化，得到输出量KP和KD；5根据模糊控制器输出的参数KP和KD，PD控制器用来对抽油机平衡装置进行实时控制，输出控制量U，考虑。
6、到实时性要求，采用PD控制算法公式如下式中KP为比例因子，KD为微分因子，BJ为当前采样时刻的平衡度值，BJ1为前一时刻的平衡度值，B0为最佳平衡度值，输出量U为电压值，可正可负，即伺服电机可以正向和反向转动，反向转动时，平衡块朝着远离游梁支撑中心的位置移动；6返回1。权利要求书CN103939058A1/4页3风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置技术领域0001本发明涉及石油采油设备技术领域，特别涉及一种风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置。技术背景0002虽然国内外开发出很多新型抽油机凸轮抽油机、链条抽油机、皮带抽油机、用于丛式井的曲柄滑块一机多抽抽油机等。但由于它们在现场的可靠性、使用寿。
7、命等问题，目前油田90仍是游梁式抽油机。但游梁式抽油机能耗大，为了减小能耗，采用平衡块存储和释放能量。传统的游梁式抽油机平衡方式有曲柄平衡、游梁平衡、复合平衡，近些年出现的改进型有随动平衡、增加超越离合器、飞轮动能平衡、弹簧平衡、电机加滚珠丝杠自动调节平衡等。这些调整方式中，前七种对于现场变化多样的复杂载荷，平衡效果变差；最后一种虽然效果较好，但其调整电机耗电量抵消了抽油机自身的节电量，因此不能实现真正节能。发明内容0003为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，利用风能太阳能蓄电池方式供电，不消耗油田电能，因此可实现抽油机节能降耗，可根据油井。
8、现场复杂工况，实时调节游梁式抽油机平衡度，具有结构紧凑、工作可靠、节能效果好的特点。0004为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的0005风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，包括机械部分和控制部分，机械部分包括电机27，电机27通过皮带轮28与减速器29连接，减速器29和曲柄17连接，曲柄17末端上设置有曲柄平衡块18，曲柄17通过连杆19和游梁20连接，在游梁20后臂设置有平衡块智能调节装置21，在游梁20另一端设置有驴头22及杆柱系统23；控制部分包括单片机控制器24，单片机控制器24与机械部分平衡块智能调节装置21的伺服电机12控制端相连，单片机控制器24的电源端口与太阳能电池。
9、25和风力发电机26相连。0006所述的单片机控制器包括主电机电压传感器和主电机电流传感器，电机电压传感器和主电机电流传感器的信号端与变送器信号输入端连接，变送器信号输出端与单片机连接，单片机控制信号输出端与驱动器连接，驱动器输出端与伺服电机12连接，稳压电源对变送器、单片机、驱动器、伺服电机供电，稳压电源输入端与蓄电池连接，蓄电池通过稳压器I与风力发电机26供电端相连，蓄电池还通过稳压器II与太阳能电池25供电端相连。0007所述的单片机采用模糊PD控制，应用实时调节控制算法，具体如下00081通过传感器检测抽油机一个冲程内电流、电压，计算其平衡度；00092根据抽油机实际平衡度，计算模糊控。
10、制器输入量E及其变化率；00103确定模糊控制器的输入量、输出量论域范围、模糊控制规则；00114模糊控制器对输入量进行模糊化、模糊推理、去模糊化，得到输出量KP和KD；00125根据模糊控制器输出的参数KP和KD，PD控制器用来对抽油机平衡装置进行实说明书CN103939058A2/4页4时控制，输出控制量U，考虑到实时性要求，采用PD控制算法公式如下00130014式中KP为比例因子，KD为微分因子，BJ为当前采样时刻的平衡度值，BJ1为前一时刻的平衡度值，B0为最佳平衡度值，输出量U为电压值，可正可负，即伺服电机可以正向和反向转动，反向转动时，平衡块朝着远离游梁支撑中心的位置移动；001。
11、56返回1。0016所述的平衡块智能调节装置21包括伺服电机12，伺服电机12通过联轴器11与丝杠10连接，丝杠10上的丝杠螺母9左端设置有平衡块8，平衡块8的上下部位均贯穿有导杆7，两根导杆7固定在轴承座2上，轴承座2固定在游梁20上，丝杠10左右两端通过轴承5固定在轴承座2上，轴承5外端面通过端盖4定位，端盖4由螺母6固定。0017当抽油机在运行过程中，由于井下工况的变化而出现欠平衡，即悬点载荷大于平衡块这边的载荷，单片机控制器24发出指令，伺服电机12转动，带动丝杠10旋转，丝杠10上的丝杠螺母9向左运动，从而带动平衡块8向左运动，平衡块8有效力臂变长，抵消了悬点处载荷的增加，使欠平衡得。
12、到改善。同样，如果悬点处载荷减少，抽油机出现过平衡，则通过伺服电机的转动，使游梁平衡块右移，相当于有效力臂减小，使过平衡现象得到改善。0018本发明通过平衡块智能调节装置21实时调节平衡块8的位置，平衡块智能调节装置21由风力发电机26、太阳能电池25、蓄电池供电，实现了抽油机的真正节能。0019本发明能很好地解决当前游梁式抽油机平衡调节效果差的缺点，并由于采用了风光储联合供电模式，以及采用模糊PD控制算法，平衡装置本身不消耗油田电能，可以实现真正节能降耗。它既可以在抽油机生产厂家作为新产品生产，也可对目前油田大量在役的游梁式抽油机进行技术改造，成本低、效果好，因此具有极大的推广应用价值。附图。
13、说明0020图1是本发明的总体原理结构图。0021图2是本发明的单片机智能控制部分结构图。0022图3是本发明的机械部分装配图。0023图4是本发明的实时控制流程图。0024图5是本发明的单片机控制器控制算法示意图。具体实施方式0025下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。0026参照图1，风光储联合的游梁式抽油机智能平衡装置，包括机械部分和控制部分，机械部分包括电机27，电机27通过皮带轮28与减速器29连接，减速器29和曲柄17连接，曲柄17末端上设置有曲柄平衡块18，曲柄17通过连杆19和游梁20连接，在游梁20后臂设置有平衡块智能调节装置21，在游梁20另一端设置有驴头22及杆柱系统2。
14、3。控制部分包括单片机控制器24，单片机控制器24与机械部分平衡块智能调节装置21的伺服电机12控制端相连，单片机控制器24的电源端口与太阳能电池25和风力发电机26相连。0027参照图2，所述的单片机控制器包括主电机电压传感器和主电机电流传感器，电机说明书CN103939058A3/4页5电压传感器和主电机电流传感器的信号端与变送器信号输入端连接，变送器信号输出端与单片机连接，单片机控制信号输出端与驱动器连接，驱动器输出端与伺服电机12连接，稳压电源对变送器、单片机、驱动器、伺服电机供电，稳压电源输入端与蓄电池连接，蓄电池通过稳压器I与风力发电机26供电端相连，蓄电池还通过稳压器II与太阳能。
15、电池25供电端相连。0028参照图4，所述的单片机采用模糊PD控制，应用实时调节控制算法，具体如下00291通过传感器检测抽油机一个冲程内电流、电压，计算其平衡度；00302根据抽油机实际平衡度，计算模糊控制器输入量E及其变化率；00313确定模糊控制器的输入量、输出量论域范围、模糊控制规则；00324模糊控制器对输入量进行模糊化、模糊推理、去模糊化，得到输出量KP和KD；00335根据模糊控制器输出的参数KP和KD，PD控制器用来对抽油机平衡装置进行实时控制，输出控制量U，考虑到实时性要求，采用PD控制算法公式如下00340035式中KP为比例因子，KD为微分因子，BJ为当前采样时刻的平衡度。
16、值，BJ1为前一时刻的平衡度值，B0为最佳平衡度值，输出量U为电压值，可正可负，即伺服电机可以正向和反向转动，反向转动时，平衡块朝着远离游梁支撑中心的位置移动，参照图5；00366返回1。0037参照图3，所述的平衡块智能调节装置21包括固定在底座13上的伺服电机12，伺服电机12通过联轴器11与丝杠10连接，联轴器11通过弹性轴15及左右两端的螺钉14、16固定，丝杠10上的丝杠螺母9左端设置有平衡块8，平衡块8的上下部位均贯穿有导杆7，两根导杆7通过螺母3固定在轴承座2上，轴承座2通过螺钉1固定在游梁20上，丝杠10左右两端通过轴承5固定在轴承座2上，轴承5外端面通过端盖4定位，端盖4由螺。
17、母6固定。0038所述的丝杠10采用WLL4006，公称直径40MM。0039所述的轴承5采用深沟球轴承6207。0040所述的平衡块8，应该根据抽油机机型变化，其质量在800KG1200KG之间变化。0041所述的太阳能电池25的电池板采用多晶硅太阳能电池板，每块板90W，共使用5块。0042所述的单片机型号为JMDM28DIOMT，进行控制时其可靠性好、抗干扰能力强，12路光电隔离晶体管输出控制，抗静电冲击，电脑串口控制，用KEILC或汇编语言编程。0043所述的风力发电机26，功率为500W，风轮直径25M，叶片材质增强玻璃钢，额定风速8M/S，启动风速3M/S。0044所述的蓄电池，电。
18、压12V，容量200AH，荷电状态免维护蓄电池，化学类型胶体蓄电池，适用范围太阳能蓄电池。0045本发明的工作原理为0046参照附图1、图3，当白天光线足够强时，太阳能电池25为蓄电池充电，并向伺服电机12和单片机供电。当白天或夜间风力足够大时，由风力发电机26给蓄电池充电，并向伺服电机12及单片机供电。如果夜间风力不够，则由蓄电池所充电能供电。如抽油机出现欠说明书CN103939058A4/4页6平衡，单片机发出指令，驱动伺服电机12转动，带动丝杠10旋转，丝杠10上丝杠螺母9向左运动，丝杠螺母9固定在平衡块8上，从而带动平衡块8向左运动，平衡块8有效力臂变长，抵消了悬点处载荷的增加，使欠平。
19、衡得到改善。0047参照附图2，风力发电机26和太阳能电池25的电压通过各自的稳压器I、II进行稳压后，存储在蓄电池中。由单片机根据主电机电流、电压传感器信号计算的抽油机平衡度，然后确定所需实时控制信号大小，控制伺服电机12转动。0048参照附图4，在每一个冲程周期或者指定的控制周期内，单片机确定控制平衡块运动的具体流程。0049参照附图5单片机控制器按照模糊PD算法，确定当前伺服电机应转动的角度和角速度。0050经济性分析0051由于该装置增加了风力发电机、太阳能电池板，因此成本较以往的抽油机平衡装置略有增加，因此有必要进行经济性分析。0052该装置的滚珠丝杠、轴承、丝杠螺母部分零件费用约3。
20、00元，太阳能电池板5块，每块90W，共计4000元，风力发电机500W，价格为3000元，蓄电池12V200AH约1500元，单片机控制器约400元，整个装置制造费用约1000元，伺服电机及驱动器约1000元。如果每个丛式井井场平均7台抽油机，注意这里的太阳能电池板、蓄电池、风力发电机可以共用，只有滚珠丝杠组件在每台抽油机安装一套，因此一个井场上总成本为20800元。按照目前六型抽油机所带电机为11KW，每台抽油机除去故障检修时间，其有效工作时间为300天，使用该装置可节电15计算，每年可节约用电83万度，节约费用85万元左右，因此不到半年即可收回成本。说明书CN103939058A1/3页7图1图2说明书附图CN103939058A2/3页8图3图4说明书附图CN103939058A3/3页9图5说明书附图CN103939058A。