1、II毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称 基于泵示功图的智能间开系统系 部 信息系专 业 班 级 通信学 生 姓 名指 导 教 师辅 导 教 师开题报告时间II-1基于泵示功图的智能间开系统一、题目来源本题目来源于科研项目。二、研究（设计）目的和意义随着国民经济的快速发展，对石油的需求量日益增长，石油已经成为国民经济发展的血液。而由于我国石油储量并高，人均更是低于世界平均水平，每年都需要依赖从国外进口的大量石油资源。中东，石油出产最高的国家群却因为局势动荡不稳定。导致原油进口价格波动剧烈，供不应求的同时，致使国内油价不断攀升，为缓解石油压力，我国应该采取更加科学的，可持续的开采本国的石油资源
2、。我国绝大多数对的油田属于低产油田，因此需要抽油机来进行机械抽取。但多数油田开采一段时间之后油井就会处于供液不足的状态，这使得中后期抽油机会出现长时间的“空抽”现象。长期处于“空抽”状态的抽油机会浪费大量的电能，还会造成抽油机设备的磨损，降低了抽油机的的使用寿命，如因此出现“井喷” “气锁”等事故严重时有使油井报废可能。由人工每日看守的启停抽油机并不科学，效率也不高。因此就需要设计一种抽油机智能间抽设备（又叫抽油机智能间开设备） ，以控制抽油机合理间抽为主要任务，从而实现减轻人员的工作量，减少油井事故，并达到节能不减产的目的。油井示功图指标作为一个成熟的理论，在工作和科研上均具有国际性的认可度
3、。示功图面积值可直接反应出泵抽产量的变化情况。从理论上看，该智能间抽设备采集示功图并加以分析其面积为间抽的控制依据，动态的自动选取抽油机间抽标准和停机时间，运用对比优化方法，合理地控制抽油机启停，使其工作效率尽可能最大化。三、阅读的主要参考文献1 采油工程 张琪著 石油工业出版社，20062 dsPIC 数字信号控制器 C 程序开发及应用梁海浪编著，北京航空航天大学出版社，2006 3 抽油机智能间抽设备的研制 李明著 新疆大学 2006II-24 抽油机智能间抽设备实现故障诊断的研究 任建国著，新疆大学 20075抽油机智能间抽设备的研制 李明，樊军，何英，杨志帮 20066间抽井节能增产的
4、理论与技术实现李国伟著 新疆大学 20077天平式游梁抽油机控制器的设计与实现 穆德志著 吉林大学 20138有杆泵监测诊断及油田经济运行系统设计 姚鲁著 大连理工大学 20139抽油机伺服控制系统的研究 方波 长春理工大学 201210 J 油田机采系统节能改造项目后评价 路殿斌 吉林大学 201211抽油机智能远程监控系统设计与实现 张舒 大连理工大学 200712基于悬点实测示功图的抽油机井动态仿真研究 石正宝 燕山大学 201013抽油机井间抽生产管理的几点认识 金广军，孙铁志 黑龙江科技信息 201214新型智能间抽技术在超低渗油田中的应用 任鹏，唐凡，姚洋，罗聪英 石油工业计算机应
5、用 201115油井智能间抽采油控制器的研制与应用 李健，王月成，钟权锋 石油工业计算机应用 200616 数据采集与处理技术 马明建著 西安交通大学出版17 PROTEL 入门与提高电子工业出版社18 单片机 C 程序设计及应用胡伟著 北京邮电出版社四、国内外现状和发展趋势石油是国民经济所必须的一种基础能源，保障了国民经济持续健康的发展，也是关系到国家的重要的战略资源。目前在世界能源中占的比例约为 2/5。2012 年全球石油总储量约为 13,250 亿桶。在新能源开发不能满足现状的现在，石油仍将作为主要能源沿用。继工业经济后，知识经济将带来了的新的理念降本增效，提高管理水平，成为油田现阶段
6、发展的新目标。正是在这个背景下，世界各石油设备公司，都将只要精力投入到提高产能效率，降低污染上，除了改进石油生产设备，降低设备整体成本，提高采油效率，还致力于控制技术的研发改进上，以井下示功图为理论依据，结合采油现场遇到的情况的经验，将计算机采集分析诊断技术与专家II-3诊断系统相结合，应用在正常状态下工作，降低抽油机故障风险， 提高油田产能效率。国内外各大油田及石油公司对于油田开采生产的节能主要有以下几种：1、对现在正在使用的抽油机进行节能改造，其中包括：(1)变频调速节能电机的变频调速节电(2)晶闸管软启动控制器(3)简单的“间抽 ”控制(4)无功功率补偿(5)/Y 转换控制器2、设计新型
7、的节能抽油机3、游梁式抽油机变矩平衡节能控制系统4、采取简单的“间抽”控制模式间抽设备用电机参数的判断来作为间抽依据并不是很理想，由电机参数来获知井下情况比较困难。设备的安装要经过一些调试环节，需要为获得每口井设备输入临界点，而这个临界点的获得比较麻烦，而且显然在今后的运行过程中不是一成不变的。井下泵况相当复杂，引起变化因素较多，这样在做判断停抽标准时并不是很便捷，所以间抽效果不理想。有些设备的操作界面比较专业，设置了键盘，但是要求现场工人进行一些操作，而对采油工人来讲，界面应该越简单越好。这些都不适合现场的要求，所以设备很难得到推广。五、主要研究（设计）内容、关键问题及解决思路5.1 主要研
8、究内容硬件系统实现模块化，主要有以下几个模块部分:1.单片机主控系统模块该模块主要存在的电路有:单片机电路，时钟电路，扩展存储器 flash 电路和串口通信电路。2.示功图数据采集转换模块包括电流输入隔离转换放大电路，光电隔离电路和 A/D 芯片转换电路3.电源模块II-4为各模块电路及传感器提供电源，输出电压分别有+5V, +12V, 24V。而且对各硬件电路板的供电考虑了模拟与数字供电的隔离。4.数字量输入输出模块由包括光电隔离、继电器等组成的电路，其功能为控制电机和报警器的开关，手/自和电机开/关检测，系统运行状态的 LED 指示灯显示。硬件系统主要由作为处理器核心的 AT89S51 单
9、片机、串口通信模块、传感器 ,A/D 转换器、数据采集调理电路、语音报警模块、存储器、 LED 显示键盘模块、看门狗电路以及电源模块等组成。其中 AT89S51 单片机芯片是一种低功耗、高性能的CMOS8 位微处理系统，内部包含了 8k 字节 Flash,256 字节 RAM, 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针，3 个 16 位定时器/ 计数器，中断系统，8 个中断源，双全工串行接口，片内晶振及时钟电路。设计硬件组成如图 1 所示。图 1 智能间抽系统硬件结构图各硬件模块功能是:数据采集模块，完成对电流、电压、功率和井下压力模拟量信号的检测。A/D 转换器，完成模拟信号到数字
10、信号的转换，本设计采用的是ADC0809 芯片，可实现 8 路信模拟信号的分时采集。继电器保护控制电路，标准输出+5 V 和 0V 电平，控制稳定性极好的输入为 324V 的固态继电器，分别控制抽油机的开启和停止，开机前报警。语音报警模块，该部分主要负责语音输出功能，当智能抽油机节能控制器控制电机启停时，需要在电机启、停前发出语音报警信号。II-5且当电动机出现缺相、短路、过压和过载等现象时，控制器会自动停机，发出语音报警。本系统采用的是语音芯片 APR9600，它具有多种手动控制力一式、分段管理力一便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。串行
11、通讯模块，该部分负责单片机和 PC 机的通信，通讯模块包括两个部分， RS232 模块和 RS485 模块。RS232 用于程序调试，便于与PC连接编程使用，而 RS485 模块则是系统正常运行时采用的通讯模块。工作状态指示灯，该部分用来表示抽油机“停止” 、 “运行” 、 “节能” 、 “保护”和“复位”5 种工作状态，由 5 个放光二极管组成。硬件电路是智能间抽控制系统工作的基础，其设计的好坏，将直接影响到智能间抽控制器单元功能的实现。要考虑到硬件系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配，同时当单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。除了工作性能以外，经济指标也是工业应用系统在设计过程中要考
12、虑到的一个重要因素，能够长期占据市场的将是那些高性价比的产品。硬件电路的设计围绕实现间抽功能的要求进行。本控制系统集成测量、控制、通讯等功能于一体，控制设备必须对载荷模拟量，接近开关的开关量进行测试。同时可以和上位机进行通讯，而且得具有良好的人机交互功能。在设计时应充分考虑增强其自身的抗干扰性能。硬件设计的主要任务是综合考虑系统所要实现的各种功能和各部分硬件之间的关系，来选择所需芯片，设计出系统电路原理图以及印刷电路板。软件设计部分也是按步骤进行：智能间抽控制器的软件包括系统自检初始化、串口通信处理、井口压力值读取、监测电网数据判断开机条件、数据检测、计算、处理和对比调整、自动优化计算油井启停
13、时间、控制抽油机启停、语音报警输出控制等，控制系统软件流程图如图 2所示。控制系统安装初期，由人工根据油井工况，通过键盘设定一组参数(包含抽油机正常工作电流、电压的标准值、停抽时间和抽油时间)作为系统的优化初始迭代值，并将参数存储在 DS12C887 非易失性 RAM 区。工作时，系统通过判断开机时间、停机时间、电网相电压和井下压力值是否满足抽油机开机条件和关机条件来控制其II-6启停。同时，对实时采集的数据进行分析整理、对比、优化和计算，建立数学模型。经一段时间的摸索，初步确定适时间抽时间。由于井下动液面变化的复杂性，即液面并不是时时都完全遵循液面变化规律，必须适时做出调整。在调整阶段，对累
14、计不同时间段的平均面积进行对比，进一步优化和匹配间抽时间，使间抽工作模式和液面变化规律趋近于最佳匹配，不但保证了产量，降低能耗，而且还提高了泵效。系统在控制抽油机启动前，通过检测三相电的相电压，判断电网是否过压或欠压，若电网电压正常，则能正常启动抽油机，并在启动前发出语音报警输出，以提示操作人员离开危险区域，否则，系统发出过压或欠压报警。因为系统在不断地做测，所以可随时调整间抽时间，动态地响应液面变化。在抽油机运行过程中，时时检测数据的变化，随时判断当前的运行情况是否正常，如出现问题转入报告显示和处理状态。同时判断抽油机是否己经处于手动控制，并保持图 2 软件流程图自动继续监测和检测，如出现异
15、常情状况(空抽、油杆断脱)，则作停机处理，并以语音报警和 LED 显示的形式报告。II-7图 2 智能间抽控制系统软件流程5.2 关键问题如何实现智能间开系统是这次的主题，但是其目的主要是更有效率，更安全，更省资源的方式来进行开采石油资源。那么如何来实现上述功能呢？5.3 解决思路抽油机智能间抽控制最终目的是自动控制抽油机在合理的时间启停，在这个周而复始的过程中，要达到智能化就是要充分考虑外界条件和摸索示功图面积为依据的合理间抽规律，实现自动适应自动控制。所谓智能化，就是用其来代替人工操作，而且智能化还应有其自身的一些特点，反映在智能间抽设备上应具有以下几个方面:1.必须要做到实时响应。任何时
16、候都要从检测的数据来监控抽油机的运行情II-8况，当从示功图上反映的井下液面比较低，出现供液不足的时候，会马上停机处理。2.间抽时间必须得较人工控制合理。人为控制时，巡井人员对油井的调开关并不是严格遵循作业制度，人工判断启停时依据标准又比较粗糙，所以总的看来， 人工操作间抽时间并不时很合理。但是自动控制就必须做到，有油就抽，无油就 停。3.在能做到正常控制合理间抽的情况下，智能间抽设备应该考虑到尽可能多的干扰情况，而对这些干扰必须加以处理。4.智能间抽设备要具有对油井经常会发生的事故或是情况要做出处理，做到响应。从以上几个方面的要求，可以进一步明确智能间抽设备的功能实现。在现阶 段，本设计考虑
17、到智能间抽控制主要集中体现在以下几个方面:1.发生手动/自动切换及传感器出现问题时需要进行处理。2.抽油机开机时出现空抽的判别和处理。3.合理间抽制度的摸索，停抽标准的制定。4.程序第一次启动，跑飞及掉电后的处理。当然，还有一些要求如季节要求，冬季停机时间不得超过 2 小时等，由于该 要求具有针对性和确切性，所以本文现不对此进行相关分析。六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件所必须具备的工作环境：(1)AT89S51 单片机、系统主控芯片 PIC18F8620、串口通信模块、传感器,A/D 转换器、数据采集调理电路、语音报警模块、存储器、LED 显示键盘模块、看门狗电路以及电源模块等单片
18、机开发环境；(2)计算机一台；(3)操作系统为 Window XP /2000；(4)FLASH 存储器(5)MCP3204II-9七、预期成果（达到目标）通过基于泵示功图的智能间开系统的设计，系统掌握智能间抽的运行方式。系统掌握如何对所需要的功能进行编程和如何运用的方法，进一步巩固专业基础知识，培养提高专业基础运用和灵活运用创新的能力，为顺利走向工作岗位打下坚实的基础。八、工作的主要阶段、进度与时间安排第一阶段：2013年11月1日2013年11月23日，查阅文献资料，完成开题报告；第二阶段：2013年11月24日2014年5月1日，完成概要设计和详细设计；第三阶段：2014年5月2日2014年5月15日，编制软件；第四阶段：2014年5月16日2014年5月20日，测试各功能模块以及系统测试；第五阶段：2014年5月21日2014年6月1日，撰写论文。九、指导老师审查意见
