無線通信抽油機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)研究

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1引言

迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)極大地提高了油田自動(dòng)化管理水平。在實(shí)際生產(chǎn)中，采油設(shè)備工作的周邊環(huán)境惡劣，地理位置分散，野外作業(yè)占了絕大多數(shù)，人工檢測有一定的困難，另一方面抽油機(jī)的井下工況復(fù)雜，抽油機(jī)經(jīng)常發(fā)生故障，這不僅影響到油田的生產(chǎn)，還會(huì)造成資源的浪費(fèi)，使效益降低。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)抽油機(jī)井下工況實(shí)時(shí)監(jiān)測是避免抽油機(jī)經(jīng)常發(fā)生故障的重要手段。在采油工藝技術(shù)中，通常以示功圖作為分析抽油機(jī)井下工況的主要依據(jù)。常見抽油機(jī)即游梁式抽油機(jī)是油田廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)抽油設(shè)備。游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行情況總是根據(jù)油井的情況有所變化，尤其是想得到不同時(shí)間段的示功圖，可是示功儀價(jià)格昂貴，不能安裝在無人值守的抽油機(jī)上，只能在某一時(shí)人工測量。因此此開發(fā)能在不同時(shí)間自動(dòng)記錄抽油機(jī)的抽油桿拉力、行程、電壓、電流等數(shù)據(jù)具有重要意義。

2抽油機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀硬件設(shè)計(jì)

基于無線通信抽油機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀旨在無人看守的情況下，可以自動(dòng)在不同時(shí)間記錄抽油機(jī)的抽油桿拉力、行程、電壓和電流等工作參數(shù)，然后通過無線方式將這些數(shù)據(jù)傳送到手抄器上，再進(jìn)一步傳到PC機(jī)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出抽油機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、放大、檢波和顯示等功能；軟件部分完成數(shù)據(jù)處理和控制[2]。

2.1傳感器和信號(hào)放大電路

傳感器是測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場傳感器包括測抽油桿拉力的傳感器，測抽油機(jī)行程位置的加速度傳感器，電壓互感器，電流互感器。載荷傳感器將抽油桿的拉力轉(zhuǎn)換為電量輸出；加速度傳感器放在抽油桿的平衡鐵上，對(duì)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分得到位移量，將載荷傳感器和加速度傳感器聯(lián)合使用，測得的實(shí)時(shí)的位移和載荷，構(gòu)成示功圖。利用電壓互感器和電流互感器得到抽油機(jī)的電壓值和電流值。本設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路采用TLC2254四運(yùn)算集成放大器，該放大器輸入阻抗高，噪聲低，是高阻抗源的小信號(hào)調(diào)理電路的理想芯片。放大電路圖。放大電路分為四級(jí)，第一級(jí)構(gòu)成電壓跟隨器，具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點(diǎn)，作隔離電路。第二級(jí)是構(gòu)成放大倍數(shù)10倍的放大電路，第三級(jí)構(gòu)成的半波檢波器與第四級(jí)的加法器組成簡單的絕對(duì)值電路。

2.2主控模塊

主控模塊選擇的中央處理器是宏晶科技生產(chǎn)的STC12LE5A60S2芯片。該芯片是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。芯片3V供電，與無線模塊可以直接相連，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S）。與普通的8051相比，STC12C5A60S2芯片還擁有SPI接口、兩個(gè)串口、EEPROM和1K內(nèi)部擴(kuò)展RAM。單片機(jī)通過I/O口輸出相應(yīng)的高低電平控制8通道模擬多路復(fù)用器，分時(shí)對(duì)位移、載荷、電壓和電流數(shù)據(jù)采集。8通道模擬多路復(fù)用器在同一時(shí)刻只允許一路信號(hào)經(jīng)過，由傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過放大和檢波電路輸入到MCU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)模塊?；赟TC12C5A60S2芯片具有的A/D轉(zhuǎn)換功能，無需采用單獨(dú)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，大大減低了設(shè)計(jì)成本。當(dāng)單片機(jī)收到手抄器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的通信信號(hào)后，單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理完成后將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊發(fā)送給手抄器，實(shí)現(xiàn)無線通信，還可以通過液晶顯示器將數(shù)據(jù)顯示出來。

2.3無線通信模塊

無線通信模塊采用nRF2401芯片。該芯片是單片射頻收發(fā)器，其ISM頻段為各國通用的2.4～2.5GHZ。輸出功率和頻率通道可以通過3個(gè)串行接口進(jìn)行編程配置。主控模塊控制數(shù)據(jù)的采集、讀取、A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和無線通信。該設(shè)備通過模擬SPI模式實(shí)現(xiàn)主控模塊和無線通信模塊的連接，通過單片機(jī)STC12LE5A60S2的P2口與nRF2401相應(yīng)引腳相連，對(duì)其寫入讀取控制字實(shí)現(xiàn)無線通信。單片機(jī)P25、P24、P23分別與nRF2401的PWR_UP、CE、CS相連，單片機(jī)的P22、P21、P20分別與nRF2401的DR、CLE、DATA相連。單片機(jī)控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先要配置芯片的工作模式。nRF2401芯片有四種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。

3抽油機(jī)數(shù)據(jù)儀的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)儀的功能實(shí)現(xiàn)需要在硬件的基礎(chǔ)上利用軟件部分實(shí)現(xiàn)控制和通信。對(duì)于抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集儀來說，不可能實(shí)現(xiàn)完全意義上的實(shí)時(shí)監(jiān)測，因?yàn)槊繒r(shí)每刻的監(jiān)測會(huì)使短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)量過大，且傳感器等硬件的響應(yīng)都有一定的界限，并且由于抽油機(jī)自身具有的穩(wěn)定性和可靠性，可以在相同間隔的不同時(shí)刻對(duì)抽油機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。本系統(tǒng)每隔一個(gè)小時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集一次。記錄儀上電開始工作時(shí)，進(jìn)行單片機(jī)、無線模塊等外設(shè)參數(shù)的初始化，利用單片機(jī)自帶的定時(shí)器，再編寫計(jì)數(shù)程序，當(dāng)時(shí)間達(dá)到一小時(shí)時(shí)，單片機(jī)分時(shí)讀取拉力、行程、電壓和電流的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)模塊主要由兩個(gè)24C512組成。手抄器想要獲得記錄儀采集的數(shù)據(jù)首先向記錄儀發(fā)送驗(yàn)證數(shù)據(jù)，通知記錄儀需要提取數(shù)據(jù)，記錄儀的主控芯片收到驗(yàn)證數(shù)據(jù)后向手抄器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，在確認(rèn)應(yīng)答信號(hào)正確的前提下，手抄器發(fā)送抄數(shù)據(jù)指令，此時(shí)記錄儀將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息通過無線模塊傳送給手抄器。

3.2無線通信的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)無線通信采用的是異步半雙工通信模式。以nRF2401芯片為核心的無線收發(fā)器有ShockBurstTM和直接收發(fā)兩種收發(fā)模式，收發(fā)模式由單片機(jī)寫入的配置字決定。與直接收發(fā)相比，ShockBurstTM收發(fā)模式功耗低，在與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速率較慢，但是在2.4GHZ的頻帶下空中傳輸速率最大是1Mbps，這樣就可以提高無線通信在空中的可靠性和穩(wěn)定性。無線傳送開始前需對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行初始化并設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘，通過寫控制字的方式初始化nRF2401。單片機(jī)向nRF2401寫入接收裝置的地址的需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并置CE引腳為高電平，此時(shí)nRF2401自動(dòng)添加CRC校驗(yàn)碼，然后置CE為低，nRF2401自動(dòng)加入報(bào)頭并開始空中數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。內(nèi)有無線接收模塊的手抄器接收數(shù)據(jù)，手抄器可以與PC機(jī)相連，接收到數(shù)據(jù)后傳送給PC機(jī)，再進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得出抽油機(jī)的工作狀態(tài)。

作者：康金 單位：承德石油高等?？茖W(xué)校