基于STC89C52的油田抽油机智能节电器的研究

胡宏梅，浦灵敏

(健雄职业技术学院 电气工程学院，江苏 太仓 215411)

基于STC89C52的油田抽油机智能节电器的研究

胡宏梅，浦灵敏

(健雄职业技术学院 电气工程学院，江苏 太仓 215411)

利用以单片机为核心技术研制的抽油机智能节电器，有效减少抽油机不必要的有功浪费，通过液面传感器和流量传感器对油井工况的感知，自动实现节电器优化控制，同时还可进行数据的采集、通信以及遥信遥测功能，提高了系统的灵活性和适用性，节约了成本.

STC89C52；传感器；智能控制；油田抽油机节电器

目前，我国油田主要应用的是游梁式抽油机，而这个抽油机耗能量较大，其用电量占总用电量的30%～40%，而且系统的效率较低下[1–2]，因此，节能就成为了有杆抽油系统急需解决的一个问题.本文通过对以往油田抽油机的节电方式进行分析，找出不足，提出改进的智能节电方式.

1 节能控制技术

目前，常用的抽油机的节能控制技术有：变频调节器节能，电容动态无功补偿，继电接触器调压节能，可控硅调压.

1) 变频调节器节能.通过改变供给电动机的输出频率，来改变电机转速，从而改变负载的转速，通过降低转速以减少流量，达到节能的目的.这种方式具有效率高、调速范围宽、平稳等特点，但是，也具有设备成本较高，控制系统复杂，可靠性、防盗差等问题，从长远来看，经过改进，应该是一种发展方向.

2) 电容动态无功补偿.通过电机的就地补偿来提高电机的功率因数，提高电网的利用率，结构简单、成本低.缺点是不能减小有功损耗，从而达不到有功省电的目的.

3) 继电接触器调压节能.将电机定子绕组为△接法，起动时为Y接法，启动电压降低，接近额定转矩时，再将定子绕组改为△接法.此方法控制简单，但节电效果不明显.

4) 可控硅调压.如何提高抽油机电动机的运行效率是节能中要考虑的一个问题，通常会采用提高功率因数、降低无功损耗的方式来实现.而通过可控硅可以达到这一目的，实现电动机电压的可控、可调.一般称之为电机的软启动，用晶闸管(可控硅)可实现交流到可变交流之间的变换，从而实现调压功能，这种方式节电效果较好，但电源电流波形易发生畸变，而且在油田这种恶劣环境下，其可靠性不能得到保证，结构复杂，成本较高.

抽油机均普遍存在抽取能力大于油井实际负荷的问题，因此，泵空或空捞现象便相伴而生.泵空增加无效行程，浪费大量电能，同时也使抽油设备的维护费用提高.针对这些问题，本文将提出一种基于STC89C52的抽油机智能节电器的研发方案，对油田抽油机节电方式进行改善提高.通过应用智能化控制手段，控制抽油机的工作能力与油井负荷，建立优化的匹配关系，从而使我国的油田抽油机节电器在智能化控制技术上有了新的突破.

2 硬件方案设计

本文提出的智能节电器是以单片机STC89C52为核心元件，外围电路主要由监测系统、信号处理电路、检测电路以及通信模块组成.

2.1 监测系统

监测系统由无线传感器、中央监控单元和数据采集及处理单元组成.

采用监测技术，精确感知抽油机负荷变化，优化控制模式，随负荷变化动态调整抽油机启、停的时间.

如图1所示，无线传感器包括液面传感器和流量传感器两种，它们将从不同的层面监测油量，从而减少抽油机的低效及无效抽取.

通过使用液面传感器实时监测井下液体积存，设定井下积液液面的高度值，使得抽油机的间开周期与油井的供液能力相匹配，只有当井内液量恢复到满足再次连续抽油的条件时，抽油机才会再次启动.

本系统中的液面传感器可采用光纤液位传感器，如图2所示.

光纤液面传感器是通过光纤对测量的光波进行调制，并对被调制过的光波信号进行调解检测的一种装置.一般包括如图2所示的三部分内容.

图1 总体设计方案

这种传感器能较好地适应高噪声、高温、强腐蚀性等环境，同时具有抗电磁干扰、可靠性较高、体积小等特点，因此，可以在各种恶劣的环境下使用.

而流量传感器的作用是通过感应监测泵内的油量，计算出电动机的实际所承载的负荷量，同时根据负载率的变化，结合电机运行转矩，自动选择最佳功率点，提供抽油机电机实际所需电量，可从根本上消除了由于泵空现象所导致的无效抽取.

数据采集单元实时采集油井的液位信号，收集、统计并存储相关数据；中央监控单元采用数字处理和智能化控制技术，其中选用STC89C52为核心芯片，能及时接受处理数据，通过智能方法选择性从数据采集单元提取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理，能准确地动态调整电机的供电电压与电流，使电机的输出功率与负载精确匹配.

图2 光纤液位传感器基本结构

2.2 信号处理电路

信号处理电路主要包括光隔、信号放大、模糊控制器以及可控硅.

光隔即光电隔离电路，把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系.

对STC89C52中的数据进行调用，可根据可控硅具有感应脉冲时会迅速转换状态的特性，选择可控制可控硅的开关，供给电机运行所需的最适用电压.

引进模糊控制器，能增加软启动功能，用于降低电机的启动电流，减少冲击电流对电机绝缘的破坏，降低电机运行温度，减少电机的维护量，延长使用寿命.并实现了对可控硅控制角α的调节，可以较好地解决被控对象模型的不确定性问题.

2.3 检测电路

检测电路主要是通过检测元件实时监测电动机电流、电压及温度，计算出功率因数，可通过STC89C52控制可控硅的导通角，提供电动机合适的运行电压，避免“大马拉小车”的浪费现象，同时也可以保证向电动机提供足够的输出转矩.还具有故障检测保护作用，可对过电压、过电流、低电压、过载、过热、自启动失败保护、报警等故障进行智能监测控制调节.

2.4 通信模块

通过串行通信技术，实现人机互动，实现数据采集及存储功能、联网和通信、遥控遥测功能，并在屏幕上显示各种信号变化(液压，水位，温度等).

3 结论

该智能节电系统设计原理简单，控制电路的实现方便可靠，已成功制成电路板，节电效率可达20%.该系统采用单片机控制，所以具有较高的性价比，而且升级更改参数容易实现，提高了系统的灵活性和适用性，节约了成本.

[1]李中增，张国波. 抽油机用新型智能节电器的原理及应用[J]. 石油矿场机械，2006(35)：87-89.

[2]朱漫. 基于AT89C51智能节电器的研究[J]. 湖南冶金职业技术学院学报，2006(1)：96-99.

[3]陈平，熊家新. 抽油机电机专用节电器[J]. 油气田地面工程，2007(9)：61-62.

[4]左玉忠. 抽油机智能节电器的研制及应用[J]. 石油机械，2006(34)：40-41.

[5]蒋佳佳，赵华. 基于80C51单片机的多路智能遥控节电器[J]. 电子技术应用，2009(1)：38-39.

The Development of New Intelligent Electrical Appliance in Pumping Unit Based on STC89C52

HU Hong-mei，PU Ling-min

(School of Electrical Engineering，Chien-shiung Institute of Technology，Taicang 215411，China)

The development of silicon controlled power and SCM for 'intelligent electrical appliance in pumping unit' effectively reduce such unnecessary electricity waste.Through the perception of well conditions by the level sensor and the fl ow sensor it offers optimum automatic electric control， data collection，tele-communication and telemetry，which improves the system's fl exibility and applicability，and saves cost.

STC89C52；sensor；intelligent control；pumping unit

TP273

A

1008-5475(2013)03-0020-03

2013-01-25；

2013-02-26

胡宏梅（1982-），女，江苏徐州人，讲师，硕士，主要从事电子通信研究.

(责任编辑：沈凤英)