Система управления и регулирования электроприводом погружного насоса

Изобретение относится к системам управления и регулирования электроприводом погружного насоса для нефтедобычи. Техническим результатом является повышение надежности кодового обмена информацией между наземной и погружной частями системы управления и регулирования по силовому кабелю питания погружного насоса в условиях повышенной температуры окружающей среды. Система управления и регулирования электроприводом погружного насоса содержит блок питания, приемный и передающий тракт и коммуникационную сеть, приемный тракт содержит последовательно соединенные трансформатор связи, входной усилитель напряжения, первый полосовой фильтр, частотный детектор, блок прерываний, первый микроконтроллер, который через первый порт с гальванической развязкой соединен с коммуникационной сетью. Передающий тракт содержит первый микроконтроллер, последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь и второй полосовой фильтр, выходной усилитель мощности, трансформатор связи, причем коммуникационная сеть через блок дифференциальных усилителей по входу соединена со вторым микроконтроллером, первый вход-выход которого через второй порт с гальванической развязкой соединен с коммуникационной сетью, а его второй вход-выход через гальваническую развязку соединен с первым микропроцессором, первый и второй вход которого соединены с соответствующими выходами частотного детектора, третий выход которого соединен с входом блока прерываний, выход которого соединен с входом первого микроконтроллера, погружная часть является источником информации, линией для обмена данными является двужильный кабель, соединяющий наземный высоковольтный выпрямитель, нагрузкой которого является высоковольтный инвертор погруженного насоса с конденсаторами фильтра на выходе С выпрямителя и входе С инвертора, при этом для передачи цифровых данных по индуктивной связи концы одной из жил силового двужильного кабеля являются первичной обмоткой трансформатора связи, вторичная обмотка трансформатора связи в приемном тракте соединена с выводами входного усилителя напряжения, а в передающем тракте - с выводами выходного усилителя мощности. 3 ил.

 

Изобретение относится к системам управления и регулирования электроприводом погружного насоса и может быть использовано в системах управления и регулирования высокоскоростным электроприводом погружного насоса для нефтедобычи.

Система обеспечивает формирование и передачу команд на включение и отключение электропривода погружного насоса на базе высоковольтного инвертора, задание скорости вращения электродвигателя погружного насоса, а также передачу на верхний уровень данных от различных датчиков погружной части системы для периодической регистрации состояния погружной части системы управления.

Задача повышения техногенной безопасности и рентабельности является в настоящее время актуальной задачей для нефтегазовой промышленности.

Одной из наиболее важных задач является разработка безопасной ресурсосберегающей эксплуатации оборудования в режиме реального времени.

Применяемые в этой сфере традиционные методы управления и контроля весьма громоздки, трудоемки и в итоге малоэффективны, так как не давали полной достоверной информации всех факторов в реальном масштабе времени. Например, при помпаже насоса в процессе его функционирования большой поток событий остается незафиксированным, что не позволяло оперативно обнаружить и предупредить осложнения в работе.

Известна СУ БЭР «Компакс», которая является исполнительной системой реального времени и обеспечивает безопасную работу оборудования, а также обеспечивает решение ряда задач. Среди этих задач: диагностика и прогнозирование основных неисправностей оборудования; формирование предписаний персоналу по результатам диагностики и прогнозирования; контроль исполнения диагностических предписаний и др. (Журнал «Нефть России», №4, 2005, с.101-105).

В России разработаны погружные насосы с высокооборотным вентильным приводом с переменной частотой вращения (Журнал «Нефть России», №12, 2005, с.64-66), для управления которыми необходимы система управления по ресурсосберегающей технологии, контроля и диагностики электрооборудования.

Известна помехозащищенная система связи (заявка RU 20004129909/09, H04L 27/32), состоящая из передатчика и приемника; передатчик содержит источник информации, блок модуляции, преобразователь частоты, усилитель мощности, блок коммутации, генератор сетки частот, блок опорных частот, генератор кода; приемник содержит приемную антенну, первый смеситель, синтезатор частот, первый усилитель промежуточной частоты, блок поиска узкополосных помех; первый канал информационный содержит последовательно соединенные смеситель, усилитель промежуточной частоты, квадратурный демодулятор; в передатчик включен первый блок синхронизации; блок управления; первый преобразователь; в приемник введены дополнительные информационные каналы, фазовращатель и второй блок синхронизации.

Известна СУ насосными станциями. Основными функциями системы являются: сбор информации с насосной станции; автоматический контроль и предупреждение аварийных ситуаций; автоматическое и дистанционное управление оборудованием; автоматическое регулирование технологических параметров.

Система обеспечивает указанные функции через отдельные каналы связи с различной скоростью и качеством передачи данных (Журнал «Нефть России», специальный выпуск, 2004).

Известен способ и устройство для обмена информацией (патент РФ №2273103, H04L 12/56) - ПРОТОТИП.

Устройство содержит первое и второе устройства пользователя с коммуникационными приложениями, коммуникационную сеть.

Способ включает: определение события, индикацию события, формирование запроса на информационный объект, посылку запроса на информационный объект, принятие и обработку ответа от информационного объекта.

Технической задачей изобретения является обеспечение надежного кодового обмена информацией между наземной и погружной частями системы управления и регулирования по силовому кабелю питания погружного насоса в условиях повышенной температуры окружающей среды погружной части.

Для решения поставленной задачи предлагается система управления и регулирования электроприводом погружного насоса, содержащая блок питания, приемный и передающий тракт и коммуникационную сеть, отличающаяся тем, что приемный тракт содержит последовательно соединенные трансформатор связи, входной усилитель напряжения, первый полосовой фильтр, частотный детектор, блок прерываний, первый микроконтроллер, который через первый порт с гальванической развязкой соединен с коммуникационной сетью, передающий тракт содержит первый микроконтроллер, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и второй полосовой фильтр, выходной усилитель мощности, трансформатор связи, причем коммуникационная сеть через блок дифференциальных усилителей по входу соединена со вторым микроконтроллером, первый вход-выход которого через второй порт с гальванической развязкой соединен с коммуникационной сетью, а его второй вход-выход через гальваническую развязку соединен с первым микропроцессором, первый и второй вход которого соединены с соответствующими выходами частотного детектора, третий выход которого соединен с входом блока прерываний, выход которого соединен с входом первого микроконтроллера, погружная часть является источником информации, линией для обмена данными является двужильный кабель, соединяющий наземный высоковольтный выпрямитель, нагрузкой которого является высоковольтный инвертор погруженного насоса с конденсаторами фильтра на выходе С выпрямителя и входе С инвертора, при этом для передачи цифровых данных по индуктивной связи концы одной из жил силового двужильного кабеля являются первичной обмоткой трансформатора связи, вторичная обмотка трансформатора связи в приемном тракте соединена с выводами входного усилителя напряжения, а в передающем тракте - с выводами выходного усилителя мощности.

при этом для уменьшения помех в линии, обеспечивают условия:

где С_инв - фильтрующая емкость на входе инвертора;

С_выпр - фильтрующая емкость на выходе выпрямителя;

U_нагр и I_нагр - номинальные постоянные напряжение и ток выпрямителя;

R_волн - волновое сопротивление линии;

R_согл - сопротивление резистора, устанавливаемого между выводами вторичной обмотки трансформатора связи по тракту входного усилителя напряжения;

N_вх - число витков вторичной приемной обмотки трансформатора связи по тракту входного усилителя напряжения;

L_вх и L_вых - приведенные к линии индуктивность входной цепи входного усилителя напряжения и выходной цепи выходного усилителя мощности;

F₀, F₁ - частоты синусоидальных колебаний информационных посылок (пачек), соответствующих битам логического «0» и логической «1»;

F_инв - частота преобразования инвертора.

На фигуре 1 показана блок-схема устройства обмена информацией.

На фигурах 2 и 3 - части тракта передачи данных по линии в направлении к погружному насосу и от него (при этом разделение на два чертежа является условным, так как через магнитопровод трансформатора связи проходит одна жила силового кабеля и независимые витки соответствующих приемной вторичной обмотки входного усилителя напряжения и передающей вторичной обмотки выходного усилителя мощности в количестве N_вх и N_вых витков соответственно).

На фигуре 1 показано: трансформатор 1 связи, входной усилитель 2 напряжения, первый полосовой фильтр 3, частотный детектор 4, первый микроконтроллер 5, гальваническая развязка 6, второй микроконтроллер 7, блок 8 дифференциальных усилителей, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9, второй полосовой фильтр 10, выходной усилитель 11 мощности, блок 12 прерываний, первый 13 и второй 14 порты с «внутренней» гальванической развязкой.

Блок питания и коммуникационная сеть не показаны.

В приемный тракт входят последовательно соединенные трансформатор 1 связи, приемная вторичная обмотка которого соединена с входным усилителем 2 напряжения, первый полосовой фильтр 3, частотный детектор 4, первый микроконтроллер 5 с гальванической развязкой 6, первый порт 13, блок 12 прерываний.

В передающий тракт входят первый микроконтроллер 5 с гальванической развязкой 6, первый порт 13; последовательно соединенные ЦАП 9, второй полосовой фильтр 10, выходной усилитель 11 мощности, соединенный с передающей вторичной обмоткой трансформатора 1 связи.

Второй микроконтроллер 7, соединенный с гальванической развязкой 6, через блок 8 дифференциальных усилителей второй порт 14 соединен с коммуникационной сетью.

Первый и второй выходы частотного детектора 4 являются выходами низкочастотной огибающей ТТЛ уровня по частотам F₀ и F₁ и сигнала «Ошибка» - признак нахождения входной частоты частотного детектора вне полосы пропускания (нижний край полосы составляет 2F_инв≈30 кГц, верхний = 1,1 F₀) и соединены с соответствующими входами микроконтроллера 5.

Третий выход частотного детектора 4 соединен с входом блока 12 прерываний (формируемых при смене частот F₁ на F₀ или F₀ на F₁). Прерывания (короткие импульсы длительностью до 1 мкс) производятся по фронтам низкочастотной огибающей, а выход блока 12 соединен с третьим входом микропроцессора 5.

ЦАП 9 представляет собой набор резисторов одной величины.

Полосовой фильтр 3 предназначен для подавления сигналов, поступивших по входному тракту, частота которых находится вне заданной полосы.

Полосовой фильтр 10 предназначен для выделения из ступенчатого «синусоидального» сигнала синусоидального колебания с частотой F₀ и F₁.

Входное сопротивление усилителя 2 между выводами (показанными стрелками на фиг.2, 3) - R_{вх 2}>>R_волн.

Внутреннее сопротивление усилителя 11 (включающее последовательно соединенные динамическое сопротивление транзистора VT1 конденсатора С2, обмотки с магнитопроводом, источника электропитания моста, или транзистора VT2 конденсатора С1 обмотки с магнитопроводом, источника электропитания моста) - R_{внутр 11}<<R_волн.

Обмен кодовой информацией между наземной и погружной частями осуществляется по двухжильному силовому кабелю (например, типа КТШЭ-П).

По типу организации устройство обмена информацией (между наземной и погружной системами) является полудуплексным, то есть находящимся в режиме передачи или приема информации по линии.

В режиме обмена сигнал с обмотки (числом витков N_вх) трансформатора связи 1 поступает на входной усилитель 2 и далее на полосовой фильтр 3; отфильтрованный сигнал с полосового фильтра 3 (реализованных на двух узкополосных фильтрах на базе известной схемы (с.63, справочник т.12; Операционные усилители и компараторы. М: изд. дом «Додека - XXI», 2001. - С.560) поступает на частотный детектор 4, который выполнен на микросхеме типа XR 2211 фирмы EXAR corporation (p.14 описание от june 1997 - 3 Fig.11, p.22).

Три сигнала - с первого и второго выходов детектора 4 и выхода блока 12 прерываний - поступают на первый, второй и третий соответственно входы первого микроконтроллера 5 (выполненного на микросхеме типа dSPIC30F6010A-20E/PF фирмы Microchip).

В режиме передачи после поступления цифровой информации (последнего байта посылки) на первый микроконтроллер 5 (через первый порт 13) им производится выдача частотно-манипулированного (синусоидального) сигнала на вход ЦАП 9 в виде ступенчатого «синусоидального» сигнала, путем выставления на входе ЦАП 9 семиразрядного кода с изменением его во времени.

После выхода с ЦАП 9 сигнал фильтруется фильтром 10 и приобретает синусоидальную форму с практическим отсутствием высших гармоник. Далее сигнал передается через усилитель 11, трансформатор 1 в линию. Передаче в линию бита логической «1» соответствуют N1 периодов гармонического сигнала частотой F₁, a логического «0» - передаче N0 периодов сигнала частотой F₀, причем N1/F₁≈N0/F₀; (например, F₀=134,2 кГц, N0=14; F₁=96 кГц, N1=10).

Байт данных оформляется служебными стартовыми и стоповыми битами, которые служат для указания на начало и конец байта данных соответственно. Прерывания в блоке 12 вырабатываются по переходу низкочастотной огибающей частотного детектора 4 из логического «0» в логическую «1» или наоборот. Сигнал «Ошибка» поступает на третий вход микроконтроллера 5, который блокирует обработку сигнала низкочастотной огибающей частотного детектора 4.

В выходном усилителе 11 мощности соответствующая вторичная обмотка трансформатора 1 является диагональю моста, одним из плечей которого служит пара конденсаторов, другим - пара транзисторов (при приеме цифровой информации по линии транзисторы моста усилителя 11 поддерживаются по требованию микроконтроллера 5 в высокоимпедансном состоянии). Электропитание моста осуществляется через выводы «+» и «-», показанные на фиг.2, 3.

Организация приема информации из линии: после включения первого микроконтроллера 5 (для устройства обмена выступающего в роли ведомого) в течение межбайтного интервала времени контролируется отсутствие стартового бита из линии. При приеме стартового бита в течение этого интервала времени сбрасывается принятый бит и вновь ожидается межбайтовый интервал времени (тайм-аут - отсутствие приема). По завершении тайм-аута микроконтроллер 5 ищет стартовый бит.

Прием стартового бита: микроконтроллер 5 проверяет по входу низкочастотной огибающей низкочастотного сигнала наличие логического «0», при его отсутствии микроконтроллер 5 переходит в режим ожидания двух логических «1» подряд на данном входе. Далее микроконтроллер 5 разрешает прерывание по третьему входу от блока 12 прерывания и ждет прерывание по этому входу. При появлении сигнала прерывания на этом входе микроконтроллер 5 переходит в первую подпрограмму обработки прерываний. Первая подпрограмма проверяет состояние сигнала на первом входе микроконтроллера 5. Если сигнал на этом входе соответствует логическому «0», микроконтроллер 5 производит предустановку первого таймер-счетчика на количество машинных циклов (единиц счета), равное времени приема (N0/F₀) бит информации на скорости (F₀/N0) или (F₁/N1) кбод, запускает первый таймер-счетчик на счет количества единиц счета с разрешением прерывания от первого таймер-счетчика по переполнению, что необходимо для контроля приема байта по времени, так как если состояние на этом входе соответствует логической «1», микроконтроллер 5 переходит в режим приема стартового бита с учетом того, что две логических «1» подряд на приеме уже присутствовали. При наличии логического «0» на первом входе микроконтроллера 5 первая подпрограмма загружает второй таймер-счетчик на время, равное 12,5% от времени приема одного бита, и завершает работу. Микроконтроллер 5 переходит на второю подпрограмму обработки по второму таймер-счетчику. Вторая подпрограмма проверяет состояние сигнала на первом входе микроконтроллера 5 от детектора 4 и запоминает его, загружает второй таймер-счетчик на время, равное 25% от длительности бита, запускает второй таймер-счетчик и выходит в режим основной подпрограммы.

Так, в течение времени, равного длительности приема одного бита, состояние низкочастотного сигнала проверяется три раза и по принципу «2 из 3-х» выносится решение: был логический «0» или нет. Если логический «0» был, то начинается прием остальных битов. Если была логическая «1», то принимается решение на переход на начало подпрограммы приема стартового бита. Прием остальных битов производится по принципу «2 из 3-х», при этом второй таймер-счетчик при постоянной перезагрузке загружается на время, равное 25% от длительности бита. После приема двух «стоповых» битов байт считается принятым и заносится в память микроконтроллера 5. При отсутствии на приеме байта в течение времени, равного длительности тайм-аута, последний принятый байт считается последним, а посылка считается принятой.

Первый микроконтроллер 5 согласно стандарту типа TIA-485A в соответствии с протоколом взаимодействия устройства обмена информации и внешних устройств осуществляет передачу принятой посылки во второй микроконтроллер 7 или в первый порт 13.

Второй микроконтроллер 7 согласно стандарту типа TIA-485A передает посылку во второй порт 14 либо выполняет указанную в посылке команду: преобразовать аналоговые сигналы в цифровые; опросить входы блока дифференциальных усилителей, с соответствующей фиксацией их состояния.

Сигналы на входах микропроцессора 5 (ТТЛ-уровня) - старт/стоповые биты обеспечивают асинхронный режим обмена цифровой информации по линии; сигнал «Ошибка» детектора 4, сигнал блока 12 обеспечивают высокую помехоустойчивость приема.

Обмен информацией, близкий к режиму бегущей волны, обеспечивает отсутствие ложных сигналов на выходах детектора 4 из-за исключения причины их появления - фазовых сдвигов (задержек), отраженных синусоидальных сигналов с частотами F₀, F₁ от концов линии.

Конденсаторы С_выпр, С_инв уменьшают влияние помех выпрямителя и инвертора, а полосовой фильтр 3 исключает их прохождение на вход детектора 4.

Система управления и регулирования электроприводом погружного насоса, содержащая блок питания, приемный и передающий тракт и коммуникационную сеть, отличающаяся тем, что приемный тракт содержит последовательно соединенные трансформатор связи, входной усилитель напряжения, первый полосовой фильтр, частотный детектор, блок прерываний, первый микроконтроллер, который через первый порт с гальванической развязкой соединен с коммуникационной сетью, передающий тракт содержит первый микроконтроллер, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и второй полосовой фильтр, выходной усилитель мощности, трансформатор связи, причем коммуникационная сеть через блок дифференциальных усилителей по входу соединена со вторым микроконтроллером, первый вход-выход которого через второй порт с гальванической развязкой соединен с коммуникационной сетью, а его второй вход-выход через гальваническую развязку соединен с первым микропроцессором, первый и второй вход которого соединены с соответствующими выходами частотного детектора, третий выход которого соединен с входом блока прерываний, выход которого соединен с входом первого микроконтроллера, погружная часть является источником информации, линией для обмена данными является двужильный кабель, соединяющий наземный высоковольтный выпрямитель, нагрузкой которого является высоковольтный инвертор погруженного насоса с конденсаторами фильтра на выходе С выпрямителя и входе С инвертора, при этом для передачи цифровых данных по индуктивной связи концы одной из жил силового двужильного кабеля являются первичной обмоткой трансформатора связи, вторичная обмотка трансформатора связи в приемном тракте соединена с выводами входного усилителя напряжения, а в передающем тракте - с выводами выходного усилителя мощности.