復(fù)雜工況抽油機(jī)變頻控制中游梁擺角高精度測(cè)量技術(shù)研究

容建剛，李曉瑩，申 強(qiáng)，趙彥明，袁廣民

（西北工業(yè)大學(xué)空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

0 引言

游梁式抽油機(jī)是實(shí)際油井工程中采油生產(chǎn)的主要設(shè)備。目前的抽油機(jī)普遍存在運(yùn)行效率非常低、電機(jī)容易燒毀、電能?chē)?yán)重浪費(fèi)等問(wèn)題。為了提高抽油機(jī)的采油效率，有效保護(hù)電機(jī)和節(jié)省能耗，國(guó)內(nèi)外普遍采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)有效控制交流電機(jī)［1］。常規(guī)變頻調(diào)速采用的方法是按照預(yù)先設(shè)置的速度曲線(xiàn)，通過(guò)控制電機(jī)頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)功率的目的，速度曲線(xiàn)是根據(jù)理論分析平衡重的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及油井狀態(tài)而擬合得到的，這種常規(guī)處理抽油機(jī)上、下沖程速度的方法不可避免地存在控制效率及精度不夠高、系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，不能滿(mǎn)足實(shí)際載荷與驅(qū)動(dòng)功率匹配的要求［2］。

油井井況的變動(dòng)與抽油機(jī)平衡重的擺動(dòng)位置引起了實(shí)際載荷變化，直接反映到抽油機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行游梁擺角的變動(dòng)值。因此，為變頻調(diào)速控制器提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的角度信息，通過(guò)對(duì)其電機(jī)速度曲線(xiàn)進(jìn)行多點(diǎn)插值的優(yōu)化處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速能夠根據(jù)實(shí)時(shí)井況及頻繁變動(dòng)的載荷進(jìn)行直接、有效的控制［3］。目前，常規(guī)角度精確測(cè)量通常使用的是光電編碼器測(cè)量法，光電編碼器雖然測(cè)量精度比較高，能達(dá)到0.05°，但是該測(cè)量系統(tǒng)不僅成本高，而且在油田野外的惡劣工況中使用壽命極短，精度也大打折扣。

因此，本研究基于MEMS 傾角計(jì)設(shè)計(jì)游梁擺角測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)采用抗振動(dòng)數(shù)字濾波、零偏補(bǔ)償及安裝誤差在線(xiàn)標(biāo)定等技術(shù)，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度及可靠性。

1 測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

游梁擺角測(cè)量系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 游梁擺角測(cè)量系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)包含3 個(gè)模塊，分別是：數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都嚴(yán)格按照油田的特殊工作環(huán)境選擇合適的器件，保證電路的安全可靠［4］。

信號(hào)采集模塊選擇ADI 公司的傾角傳感器ADIS16209，其量程為±1.7 g，分辨率0.244 mg/LSB，內(nèi)置一路12 bit數(shù)字溫度傳感器輸出，標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口可以實(shí)現(xiàn)與大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單集成；信息處理模塊選用了ST 公司基于CORTEX-M3 內(nèi)核的STM32F103T4，其CPU 內(nèi)置了一個(gè)單周期硬件乘法器，其乘法運(yùn)算速度大幅提高，非常適合高精度的姿態(tài)測(cè)量場(chǎng)合［5］；信號(hào)傳輸模塊設(shè)計(jì)兩路接口方式：一路RS485數(shù)據(jù)總線(xiàn)，通過(guò)RS485總線(xiàn)，把擺角測(cè)量系統(tǒng)的角度測(cè)量信息傳輸給變頻控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度曲線(xiàn)的多點(diǎn)插值優(yōu)化處理，同時(shí)變頻控制器的啟動(dòng)、在線(xiàn)標(biāo)定、休眠等指令也可以通過(guò)總線(xiàn)下達(dá)給擺角測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主變頻控制系統(tǒng)對(duì)擺角測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制；另外一路接口是無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊方便于試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)合。

ADIS16209 輸出的傾角值及溫度均為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)SPI 總線(xiàn)接口進(jìn)入微處理器STM32F103T4，處理器對(duì)傾角計(jì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、溫度漂移誤差補(bǔ)償及角度解算等處理，最后通過(guò)RS485 總線(xiàn)發(fā)送給上位機(jī)，或通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊把信號(hào)發(fā)送給地面信號(hào)接收站。

系統(tǒng)原理樣機(jī)的實(shí)物如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理樣機(jī)圖

2 信號(hào)數(shù)字濾波

抽油機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，電磁狀態(tài)等突變不可避免地會(huì)引入脈沖干擾等高頻噪聲，地面或其他部位振動(dòng)也會(huì)引起脈動(dòng)干擾，雖然常規(guī)的均值濾波可以在一定程度上衰減脈沖干擾，但如果脈沖干擾比較嚴(yán)重，均值濾波之后的剩余干擾值仍然較大［6］。為了解決這一問(wèn)題，本研究采用防脈沖干擾移動(dòng)平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波，其算法為：

式中：x(n)—第n次采樣時(shí)刻的信號(hào)輸入，n=k,k-1,…,k-N+1；y(k)—第k次采樣時(shí)刻的濾波輸出。

與常規(guī)的均值濾波相比，該方法因?yàn)槿サ袅擞?jì)算第k次采樣時(shí)刻濾波輸出所采用的N個(gè)采樣輸入數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，可以更好地衰減脈沖干擾，有效提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

3 溫度漂移補(bǔ)償

油田存在季節(jié)及晝夜溫度變化范圍大等因素，往往使得擺角測(cè)量系統(tǒng)具有較大的溫度漂移誤差，從而很難滿(mǎn)足工程實(shí)際要求。為了減小溫度漂移的影響，研究者一般采用軟件補(bǔ)償［7］的方法進(jìn)行修正，主要有非線(xiàn)性反函數(shù)校正方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、基于最小二乘法原理的多項(xiàng)式擬合方法等。非線(xiàn)性反函數(shù)通常不易精確求得，因此，補(bǔ)償精度不高，應(yīng)用場(chǎng)合受限。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法由于對(duì)初始值很敏感、容易陷入局部極小值等，其泛化能力很難保證；多項(xiàng)式擬合方法對(duì)測(cè)量誤差補(bǔ)償具有補(bǔ)償精度較高，且操作簡(jiǎn)便［8-10］。因此，本研究采用多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行擺角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差的補(bǔ)償。

3.1 溫度漂移實(shí)驗(yàn)及分析

擺角測(cè)量系統(tǒng)的溫度漂移誤差主要表現(xiàn)為溫度引起的零點(diǎn)漂移，由于溫度對(duì)零點(diǎn)漂移的影響是比較復(fù)雜的，本研究需要通過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)反映擺角測(cè)量系統(tǒng)零點(diǎn)漂移隨溫度變化的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)方法：將擺角測(cè)量?jī)x放入溫控箱，按照大慶油田實(shí)際的溫度變化工況在-40 ℃～50 ℃范圍內(nèi)，每隔5 ℃測(cè)量一次零點(diǎn)漂移；在每個(gè)溫度點(diǎn)上采樣10 min，再計(jì)算平均值，作為該溫度下陀螺的零點(diǎn)漂移值。

擺角測(cè)量系統(tǒng)在各個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)漂移值如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償前的零偏誤差

圖3中：圓點(diǎn)表示實(shí)際各溫度點(diǎn)的零點(diǎn)漂移值，虛線(xiàn)為擬合曲線(xiàn)。由此看出，擺角測(cè)量系統(tǒng)零點(diǎn)漂移隨溫度漂移呈較復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。

3.2 補(bǔ)償模型建立

不同溫度引起擺角測(cè)量系統(tǒng)的漂移趨勢(shì)不一樣，因此，本研究采用分段多項(xiàng)式擬合的補(bǔ)償方法，補(bǔ)償模型如下：

式中：Bias1,Bias2,Bias3—不同溫度段下的零偏補(bǔ)償因子；ai,bi,ci,di—多項(xiàng)式系數(shù)，i=1,2,3。

結(jié)合3.1 節(jié)的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本研究采用最小二乘法，對(duì)各溫度段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，求出每個(gè)溫度段多項(xiàng)式的相應(yīng)系數(shù)：

最終擺角測(cè)量系統(tǒng)補(bǔ)償后的零漂誤差變動(dòng)范圍如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償后的零偏誤差

由圖4 可看出：分段多項(xiàng)式擬合方法補(bǔ)償精度較高，零偏達(dá)到±0.05°。

4 在線(xiàn)標(biāo)定技術(shù)

系統(tǒng)在游梁上安裝時(shí)不能保證安裝面平整，同時(shí)，PCB板的平整度和芯片焊接等引起的傳感器初始角度不為零，需要現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)標(biāo)定［11］。系統(tǒng)每次安裝在不同抽油機(jī)上后，啟動(dòng)標(biāo)定模式，采集5個(gè)周期的游梁擺角值，分別找出5個(gè)周期最小擺角值做平均，該平均值即為安裝誤差值，系統(tǒng)最后輸出角度時(shí)需要減去該安裝誤差值，標(biāo)定完成后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。標(biāo)定的計(jì)算公式如下：

式中：θi—第i個(gè)采樣周期中的最小值，θzero—安裝誤差值，θout—標(biāo)定后輸出角度值，θ—未經(jīng)誤差補(bǔ)償角度值。

5 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)

本研究對(duì)游梁擺角系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的相關(guān)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)精度，本研究用分度臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)。由于抽油機(jī)游梁的擺角幅度在-50°～+50°范圍內(nèi)，測(cè)試也在該范圍內(nèi)進(jìn)行。

靜態(tài)測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1 中的標(biāo)定結(jié)果表明，擺角測(cè)量系統(tǒng)在-50°～+50°之間的誤差保持在±0.15°內(nèi)，靜態(tài)精度很高。

表1 傾角測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)字濾波方法的抗振動(dòng)效果，本研究在大慶油田南1-2122-斜310號(hào)抽油機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

圖5 油田測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試曲線(xiàn)如圖6所示，在重復(fù)的變頻運(yùn)動(dòng)中，測(cè)試曲線(xiàn)平滑且運(yùn)動(dòng)基本一致，這表明本研究所提出的數(shù)字濾波方法十分有效，能夠很好地剔除變頻容易引起的振動(dòng)脈沖干擾。

圖6 周期變頻運(yùn)動(dòng)測(cè)試曲線(xiàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

為了給游梁式抽油機(jī)的變頻控制器提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的角度信息，以達(dá)到提高其變頻控制效率及穩(wěn)定性的目的，本研究開(kāi)發(fā)了用于抽油機(jī)變頻控制器的高精度、實(shí)時(shí)游梁擺角測(cè)量系統(tǒng)，采用了防脈沖干擾移動(dòng)平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并對(duì)擺角測(cè)量系統(tǒng)的溫度漂移及角度安裝誤差作出了補(bǔ)償，極大地提高了系統(tǒng)的游梁擺角測(cè)量精度及可靠性。

經(jīng)在大慶油田工程實(shí)踐的實(shí)際應(yīng)用證明，該高精度、實(shí)時(shí)游梁擺角測(cè)量系統(tǒng)是一種性能優(yōu)越、效果良好的游梁擺角測(cè)量系統(tǒng)。

本研究對(duì)于相關(guān)工程機(jī)械的變頻控制領(lǐng)域具有一定的借鑒意義及拓展價(jià)值。

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