Устройство для контроля и управления глубинно-насосной установкой нефтяных скважин Советский патент 1991 года по МПК G06F15/46 

Изобретение относится к нефтедобыче и предназначено для автоматического управления работой нефтяных скважин, эксплуатирующихся в режиме периодической откачки жидкости.

Цель изобретения - повышение точности устройства.

На фиг. 1 приведены эпюры сигналов, характеризующих работу устройства; на фиг. 2 - схема устройства: на фиг. 3 - схема распределения импульсов; на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства при отсутствии фазового сдвига; на фиг. 5 - диаграммы при положительном фазовом сдвиге; на фиг. 6 - диаграммы при отрицательном фазовом сдвиге; на фиг. 7 - диаграммы при фазовом сдвиге, равном полупё- риоду качения; на фиг. 8 - алгоритм работы блока управления; на фиг. 9 и 10 - функциональная схема блока управления, построенная на базе микропрограммного автомата Мили (согласно фиг.8).

Устройство содержит датчик 1 усилий штока насоса, фиксатор 2 нулевого уровня сигнала, формирователь 3 напряжения, датчик 4 хода насоса, сигнализатор 5 максимального сигнала датчика хода, сигнализатор 6 максимального сигнала датчика хода насоса, блок 7 управления, пороговый блок 8, генератор 9 импульсов, блок

О 4 О СЛ О О

10 деления, блок 11 памяти измерений, счетчик 12 длительности импульса (датчика усилий), счетчик 13 циклов незаполнения насоса, триггер 14 и реле 15 управления двигателем станка-качалки, входящие в блок 16 управления двигателем станка-качалки, первую схему 17 сравнения, распределитель 18 импульсов, реверсивный счетчик 19, вторую схему 20 сравнения.

Распределитель 18 импульсов (фиг.З) содержит формирователь 21 коротких импульсов, первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 D-триггеры, первый 26, второй 27, третий 28, четвертый 29 и пятый 30 элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, элемент ИЛИ 32 и шину 33 логическая

или

На фиг. 4-7 приняты следующие обозначения:

а - сигнал датчика усилий;

б - импульсы на выходе формирователя коротких импульсов;

в - сигнал датчика хода;

г - импульсы на выходе сигнализатора 6;

д - импульсы на выходе сигнализатора 5;

е - сигнал на прямом выходе первого О-триггера;

ж.з -сигналы на выходах первого и второго элементов И соответственно;

и.к - сигналы на прямых выходах третьего и четвертого триггеров соответственно;

л - сигнал на выходе схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;

м - сигнал на седьмом входе блока 7 управления;

н - сигнал на шестом выходе блока 7 управления;

о,п - сигналы на втором и третьем входах реверсивного счетчика соответственно;

р - содержимое реверсивного счетчика.

Устройство работает следующим образом.

Установленные на станке-качалке (не показан) датчики 1 и 4 (усилий и хода) преобразуют информацию об изменении нагрузки на полированном штоке и перемещении балансира в электрические сигналы соответственно (фиг. 4-7, айв соответственно), Устройство работает в двух режимах: первый режим нахождения фазового сдвига и второй режим определения незаполнения насоса. При первоначальном включении устройство находится в первом режиме нахождения фазового сдвига между сигналами датчиков 1 и 4. В данном режиме на третьем выходе распределителя 18 устанавливается потенциал низкого уровня, который, поступая в блок 7, запрещает второй режим определения незаполнения насоса. Операции по выявлению фазового сдвига начинаются по импульсу, вырабатываемому сигнализатором 5 при прохождении сигналом датчика 4 своего максимального значения (фиг. 4-7,в; точка А).

Фазовый сдвиг определяется как разность между моментами начал возрастания

сигнала датчика 1 (фиг. 4-7,6) и достижения сигналом датчика 4 минимального значения (фиг.4-7,г). Величина фазового сдвига формируется в счетчике 19, который при поступлении импульсов на его второй вход

функционирует как суммирующий счетчик, а при поступлении импульсов на его третий вход функционирует как вычитающий счетчик. В целом возможны три случая:

фазовый сдвиг (р между сигналами датчиков 1 и 4 отсутствует, то есть р О (фиг. 4,б,г);

сигнал датчика 1 опережает сигнал датчика 4, то есть р положителен (фиг. 5, б,г); сигнал датчика 1 отстает от сигнала датчика 4, то есть (f отрицателен (фиг.6,б-г).

В первом случае, то есть р 0, распределитель 18 запрещает прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 9 как на второй, так и на третий входы счетчика 19.

Содержимое счетчика 19 равно 0.

Во втором случае, то есть р положителен, момент начала возрастания сигнала датчика 1 (фиг,5,а; точка Б) опережает момент прохождения сигналом датчика 4 минимального значения (фиг.5,в; точка В). Прямоугольный сигнал, сформированный из сигнала датчика с помощью фиксатора 2 и формирователя 3, поступает на четвертый вход распределителя 18, который разрешает прохождение тактовых импульсов генератора 9 на второй вход счетчика 19 (фиг,5,о). При прохождении сигналом датчика 4 минимального значения (фиг.5,в; точка В) сигнализатор 6 вырабатывает импульс

(фиг.5,г), который поступает на второй вход распределителя 18. Последний запрещает счет тактовых импульсов. Зафиксированная к этому моменту величина в счетчике 19 пропорциональна фазовому сдвигу + р

(фиг.5,л,р), В третьем случае, то есть р отрицателен, момент начала возрастания сигнала датчика 1 (фиг.б.а; точка Б) отстает от момента прохождения сигналом датчика 4 минимального значения (фиг.б.в; точка В).

Тогда первым появляется импульс сигнализатора 6 (считая вправо от точки А фиг.6,в). По нему распределитель 18 разрешает прохождение тактовых импульсов на второй вход счетчика 19. При появлении импульса

на выходе формирователя 3, соответствующего моменту начала возрастания сигнала датчика 1, распределитель 18 запрещает счет. Зафиксированная к этому времени величина в счетчике 19 пропорциональна отрицательному фазовому сдвигу р- (фиг.6,л,р). Таким образом, измеряется одна из трех возможных величин сдвига ут: 0, , - р, которая далее по сигналу со второго выхода блока 7 запоминается в блоке 11. В первом же режиме с момента появления минимума запускается счетчик 12 и производится измерение длительности полупериода to качзния станка-качалки. При достижении сигналом датчиком 4 второго максимума (фиг.4-7,в; точка Г) заканчивается измерение длительности to полупериода качания. Полученное значение полупериода запоминается в блоке 11. Счетчики 12 и 19 обнуляются, а распределитель 18 формирует на своем третьем выходе сигнал высокого уровня, который поступает в блок 7. На этом первый режим завершается и инициируется второй режим определения незаполнения насоса. В этом режиме в каждом цикле определения незаполнения нэсоса (число циклов проверок на незаполнение равное 8) по сигналу с седьмого выхода блока 7 в реверсивный счетчик 19 предварительно из блока 11 пересылается ранее найденная величина фазового сдвига между сигналами датчиков 1 и 4 После этого по импульсу с сигнализатора 6 (фиг.4-7,в; точка Д, О блока 7 вырабатывает разрешающий сигнал (фиг 4-6,и), который воздействует на распределитель 18 таким образом, что тактовые импульсы поступают на второй вход счетчика 19. Счетчик 19 начинает считать от предварительно установленной в нем величины фазового сдвига f до момента, когда его содержимое сравнивается с величиной полупериода to качания (фиг.4-7,р). Операция сравнения производится схемой 20. При выполнении условий содержимое счетчика 19 оавно полупериоду t0 схема 20 вырабатывает импульс (фиг 4- 7. с) Указанный импульс соответствует точке на сигнале датчика 1, от которой необходимо производить измерение длительности г(фиг.4-7.а; точка Е), например, если фазовый сдвиг отрицателен и равен - 5, а полупериод качания t0 20. В режиме определения незаполнения в счетчик 19 предварительно занесена из блока 11 величина f -5. В счетчик 19 поступит ровно 25 тактовых импульсов, после которых его содержимое станет (-5+25) 20, т.е. полупериоду to. Таким образом, импульс равенства сформируется на пять тактов позже. Измерение длительности т происходит с момента выработки схемой 20 импульса до уровня фиксации ификс. После измерения длительности г величины to и т подаются в блок 10, где производится операция деления г на to. Если r/to 0,0476, то это означает, что насос работает с полным заполнением и уровень жидкости в эатрубном пространстве еще не снизился до приема нэсоса. Если же

r/to S 0,0476, то блбк 8 вырабатывает сигнал, означающий, что возможно уровень жидкости в затрубном пространстве снизится до приема насоса, Блок 7 запускает счетчик 13, содержимое которого будет увеличено на 1. Для достоверного определения незаполнения насоса необходимо, чтобы с момента появления первого сигнала о снижении уровня жидкости указанный сигнал появился подряд в восьми циклах

проверки. В этом случае содержимое счетчика 13 будет изменяться в последовательности, указанной в таблице.

То есть на втором выходе (четвертый разряд) счетчика 13 появится логическая

1, которая поступает в блок 16. С помощью триггера 14 и реле 15 блока 16 двигатель отключается и устройство переходит к выдержке времени накопления. Если же, хотя бы один раз в одном из циклов проверки с

момента появления первого сигнала о снижении уровня жидкости будет получено, что отношение r/t0 0,0476 то можно заранее судить о том, что содержимое счетчика 13 будет меньше восьми, поэтому предыдущие

полученные признаки незаполнения считаются ложными. В таком случае устройство не ожидает окончания восьмого цикла проверки, а из текущего цикла проверки переходит в первый режим нахождения

фазового сдвига. При этом счетчик 13 обнуляется Использование этого факта позволяет добиться некоторого упрощения устройства. Выдержка времени накопления жидкости осуществляется разрядным двоичным счетчиком, который образуется последовательным обьединением счетчиков 19, 12 и 13. На вход объединенного счетчика с выхода формирователя 3 через блок 7 поступают тактовые импульсы. После подсчета объединенным двоичным счетчиком числа импульсов, пропорциональных заданному времени накопления жидкости, на выходе схемы 17 вырабатывается импульс, поступающий на первый вход блока 16. С

помощью триггера 14 и реле 15 блока 16 происходит запуск двигателя станка-качалки. Устройство возвращается в первый режим нахождения фазового сдвига и цикл работы повторяется.

Распределитель 18 импульсов (фиг.З) работает следующим образом.

В исходном состоянии D-триггеры 2225находятся в нулевом состоянии, при котором на их прямых выходах присутствует логический О (фиг. 4-7,е,и,к,о). а на инверсных - логическая 1. При поступлении первого максимума сигнала датчика А на тактовый вход первого D-триггера 22 этот триггер переходит в единичное состояние. Логическая 1 с его прямого выхода является разрешающей для прохождения сигналов через элементы И 26 и 27. Возможны три различных случая фазового сдвига. Рассмотрим работу узлов распределителя 18 в каждом конкретном случае. В первом случае, когда фазовый сдвиг отсутствует, то есть импульс с выхода формирователя

21 и импульс минимума сигнала датчика 4 появляются одновременно (фиг.4,б,г). Ука- занные импульсы, пройдя через элементы И

26и 27 (фиг.4ж,з), переключают триггеры 24 и 25 в единичное состояние (фиг.4и,к). Так как на обоих входах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 (сумма по модулю 2} действуют логические 1 с прямых входов D-тригге- ров 24 и 25, то элемент 31 не изменит своего состояния:

исходное состояние: О

после:1 Ы 0

Таким образом, на вторых входах элементов И 29 и 30 действует запрещающий уровень логического О и, независимо от состояния других входов, на выходах этих схем остаются логические О. Тактовые импульсы от генератора 9 не поступают как на второй, так и на третий входы счетчика 19, в котором остаются нули, то есть фазовый сдвиг .

Во втором случае, когда фазовый сдвиг положителен, то есть + р импульсы с выхода формирователя 21 опережает импульс минимума сигнала датчика 4 (фиг. 56,г). Тогда О-триггер 24 переключится в единичное состояние первым (фиг.5,и). На входы элемен- та ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 действуют логическая Г с прямого выхода D-триггера 24 и логический О с прямого выхода D- триггера 25. Состояние элемента 31 будет единичным, так как .

Тем самым на двух входах элемента И 30 устанавливаются разрешающие уровни логической Тс выхода элемента 31 и с прямого выхода D-триггера 24. Теперь тактовые импульсы проходят через элемент И 30 и элемент ИЛИ 32 на второй вход счетчика 19, в котором определяется фазовый сдвиг р со знаком плюс. При появлении импульса минимума сигнала датчика 4 Dтриггер 25 устанавливается в единичное состояние, после чего на обоих входах элемента 31 установятся логические 1

было:КЙ) 1

стало 1+4 О

Таким образом, логический О с выхода элемента 31 запретит прохождение тактовых импульсов. В счетчике 19 зафиксируется величина, пропорциональная фазовому сдвигу + р. В третьем же случае, когда фазовый сдвиг отрицательный, то есть , импульс с выхода формирователя 21 отстает от импульса минимума сигнала датчика 4 (фиг.бб.г). Первым в единичное состояние переключится D-триггер 25 и тогда на входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 действуют логический О с прямого выхода D- триггера 24 и логическая 1 с прямого выхода триггера 25. Состояние элемента 31 станет единичным, так как . Тем самым разрешающие уровни логической 1 установятся на двух входах элемента И 29. а тактовые импульсы будут поступать на третий вход счетчика 19, в котором будет определяться фазовый сдвиг со знаком минус. При появлении импульса с выхода формирователя 21 в единичное состояние перейдет и третий D-триггер 24 (фиг.б.и). Тогда на обоих входах элемента 31 установятся логические 1, а на выходе - О

было:0+1 1

стало:1 +

Прохождение тактовых импульсов через элемент И 29 прекращается, а в счетчике 19 зафиксируется величина, пропорциональная фазовому сдвигу-у. После нахождения фазового сдвига распределитель 18 ожидает появления второго импульса максимума сигнала датчика 4 (фиг. 6-6, в; тока Г). Этим импульсом D-триггер 22 возвращается в нулевое состояние, так как на его D-входе ранее был логический О с его инверсного выхода. В момент смены состояний D-триггера 22 логический О на его инверсном выходе переходит в логическую Г. Этот импульс воздействует на тактовый вход D- триггера 23, на D-входе которого присутствует логическая шины 33. Второй D-триггер 23 переключается в единичное состояние, и логическая 1 со своего прямого выхода сбрасывает в нуль D-триггеры 24 и 25. Указанные триггеры, а также D-триггер 22, блокируются до очередного режима нахождения фазового сдвига. Одновременно указанная логическая 1 поступает в блок 7 и инициирует переход во второй режим определения незаполнения насоса.

Во втором режиме по сигналу разрешения от блока 7 (фиг.4-6,н) тактовые импульсы проходят через элемент И 28 и элемент ИЛИ 32 на второй, вход счетчика 19. В этом режиме состояния триггеров не меняются. По завершении определения незаполнения насоса распределитель 18 возвращается в исходное состояние, а триггеры распределителя 18 разблокируются.

Устройство сохраняет работоспособность, когда фазовый сдвиг равен 180°, то есть полупериоду качания (фиг.7). Фазовый сдвиг здесь находится аналогично, как в случае с положительным фазовым сдвигом В режиме же определения незаполнения условие содержимое счетчика 19 равно длительности to полупериода выполняется с момента загрузки счетчика 19 из блока 11 И поэтому как только блок 7 выдаст разрешающий импульс (фиг.7,н), схема 20 сформирует импульс, который совпадает во времени с точкой на сигнале датчика 1, от которой ведется измерение длительности т{фиг.7,а; точка Е)

Алгоритм работы блока 7 приведен на фиг. 8. Блок 7 (фиг 9,10) вырабатывает последовательность управляющих сигналов для узлов устройства Он реализован на базе микропрограммного автомата М или согласно блок-схеме алгоритма на Фиг 8.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля и управления глубинно-насосной установкой нефтяных скважин, содержащее датчик усилий штока насоса, датчик хода насоса, фиксатор нулевого уровня сигнала, формирователь напряжения, генератор импульсов, сигнализаторы минимального и максимального сигналов датчика хода насоса, блок управления, счетчик длительности импульса, счетчик циклов незаполнения насоса, блок памяти измерений, блок деления, пороге вый блок, первую и вторую схемы сравнения, триггер и реле управления двигателем станка-качалки, выход генератора импульсов соединен с тактовым входом блока управления, соответствующими выходами подключенного к входам сброса счетчика длительности импульса, сброса счетчика циклов незаполнения насоса, управления операций блока деления и управления записью блока памяти измерений, выход датчика хода насоса через сигнализаторы максимального и минимального сигналов датчика хода насоса подключен к входам сигнализации максимального и минимального хода насоса блока управления соответственно, выход датчика усилия штока насоса через последовательно соединенные фиксатор нулевого уровня сигнала и второй формирователь напряжения подключен к входу сигнализации нулевого усилия на штоке насоса блока управления, первая, вторая, третья группы выходов счетчика длительности импульса подключены к первым группам входов данных первой схемы

сравнения, блока памяти измерений и группе входов делимого блока деления соответственно, первая группа выходов блока памяти измерений подключена к группе входов делителя блока деления, выходы ко0 торого через пороговый блок соединены с входом установки счетчика циклов незаполнения насоса, группа выходов счетчика циклов незаполнения насоса соединена со второй группой входов данных первой схе5 мы сравнения, выходом подключенной к входу сброса триггера, выход которого подключен к входу обмотки реле управления двигателем станка-качалки, отличающееся тем, что, с целью повышения

0 точности устройства, в него введены реверсивный счетчик, распределитель импульсов, входом останова, первым и вторым стартовым, первым и вторым тактовым входами подключенный к выходам сигнализаторов

5 максимального и минимального сигналов датчика хода насоса, выходам второго формирователя напряжения, генератора импульсов и тактовому выходу блока управления соответственно, а выходами ин0 кремента, декремента и сигнальным - к входам суммирования и вычитания реверсивного счетчика и к входу запрета блока управления соответственно, первая группа выходов реверсивного счетчика сое5 динена с третьей группой входов данных первой схемы сравнения, а вторая группа выходов - со второй группой входов данных блока памяти измерений и первой группой входов данных второй схемы сравнения,

0 второй группой входов данных подключенной к первой группе выходов блока памяти измерений, а выходом - к входу запуска измерения фазового сдвига блока управления, вторая группа выходов блока памяти

5 измерений подключена к информационным установочным входам реверсивного счетчика, выход четвертого разряда счетчика циклов незаполнения насоса соединен со входом установки триггера и с входом уп0 равления остановом насоса блока управления, выходом установки подключенного к входу сброса реверсивного счетчика.

2. Устройство поп.1 отличающее- с я тем, что распределитель импульсов со5 держит формирователь коротких импульсов, первый, второй, третий и четвертый D-триггеры, первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-и элемент ИЛИ, два входа которого подключены соответственно к выходам третьего и пятого элементов И, первые входы которых и первый вход четвертого элемента И являются вторым тактовым входом распределителя, тактовый вход первого D-триггера является входом останова распределителя, D-вход первого D-триггера соединен со своим инверсным выходом и с тактовым входом второго D-триггера, D- вход которого и D-входы третьего и четвертого D-триггеров подключены к шине логическая 1, входы сброса в нуль первого, третьего и четвертого D-триггеров соединены с прямым выходом второго D-триггера и являются сигнальным выходом распределителя, вторые входы четвертого и пятого элементов И подключены к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого и третий вход пятого элемента И подключены к прямому выходу третьего D-триггера, а второй вход элемента ИСК-

ЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и третий вход четвертого элемента И подключены к прямому выходу четвертого О-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу второго элемента И, первый вход которого является вторым стартовым входом распределителя, второй вход второго элемента И и первый вход первого элемента И подключены к прямому выходу первого D-триггера, второй вход первого элемента И подключен к выходу формирователя коротких импульсов, вход которого является первым стартовым входом распределителя, выход первого элемента И подключен к тактовому входу третьего D-триггера, второй вход третьего элемента И является вторым тактовым входом распределителя, а выходы элемента ИЛИ и четвертого элемента И являются выходами декремента и инкремента распределителя соответственно.

Изобретение относится к автоматике. Целью изобретения является повышение точности устройства. Устройство содержит датчик усилий штока насоса 1, фиксатор 2 нулевого уровня сигнала, формирователь 3 напряжения, датчик 4 хода насоса, сигнализаторы максимального 5 и минимального 6 сигналов датчика хода насоса, блок 7 управления, схемы сравнения 20, 17, блок деления 10, блок 11 памяти измерений, счетчики 12,13,19, триггер 14, реле 15, распределитель импульсов 18. Точность устройства повышается за счет нахождения фазового сдвига р между сигналами датчиков усилий 1 штока насоса и хода насоса и учета величины р при измерении длительности г. Распределитель 18 импульсов организует работу счетчика 19 таким образом, что в нем измеряется одна из возможных величин фазового сдвига ff, 0; + 1р, - р. Измеренный фазовый сдвиг р запоминается в блоке 11 памяти. При определении незаполнения с помощью реверсивного счетчика 19 и схемы 20 сравнения задается точный момент времени, от которого производится измерение длительности т до уровня Уфикс- По отношению r/to судят о незаполнении насоса. 1 з.п.ф-лы, 10 ил. ё

SttiaB itptv фор jcola-, fne.it 3

Sbttcd

Stsu: &

I Нахождение Определение OewSote I неыпалнени

fol.4

-r

/7

Определение наполнения

Фм.5

Фш.б

ФмЛ

Начало

Ул

О .М /s naxl/s

Пропускать так товые импульсы Нйбторой ox.CvJS

Мэмеренид t0

Измерение t

О

догрузить t0 и to делитель W

Разделить Т на t0

О

Отключить ддцгатель Объединить Сч19,СчПиСч13

Фм.8

U

Включить дбигатель Разъединить &19,С 11ист

15

Обнулить

Сч19,СШ2и Сч1Ь

Конец

Ую, Уц

У

15

1

14