無線通信抽油機數(shù)據(jù)記錄儀設計研究

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1引言

迅速發(fā)展的計算機技術極大地提高了油田自動化管理水平。在實際生產(chǎn)中，采油設備工作的周邊環(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，另一方面抽油機的井下工況復雜，抽油機經(jīng)常發(fā)生故障，這不僅影響到油田的生產(chǎn)，還會造成資源的浪費，使效益降低。因此，及時準確地對抽油機井下工況實時監(jiān)測是避免抽油機經(jīng)常發(fā)生故障的重要手段。在采油工藝技術中，通常以示功圖作為分析抽油機井下工況的主要依據(jù)。常見抽油機即游梁式抽油機是油田廣泛應用的傳統(tǒng)抽油設備。游梁式抽油機在運行時，運行情況總是根據(jù)油井的情況有所變化，尤其是想得到不同時間段的示功圖，可是示功儀價格昂貴，不能安裝在無人值守的抽油機上，只能在某一時人工測量。因此此開發(fā)能在不同時間自動記錄抽油機的抽油桿拉力、行程、電壓、電流等數(shù)據(jù)具有重要意義。

2抽油機數(shù)據(jù)記錄儀硬件設計

基于無線通信抽油機數(shù)據(jù)記錄儀旨在無人看守的情況下，可以自動在不同時間記錄抽油機的抽油桿拉力、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，再進一步傳到PC機上，進行數(shù)據(jù)分析，得出抽油機的運行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)分為硬件設計和軟件設計，硬件主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉換、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換為電量輸出；加速度傳感器放在抽油桿的平衡鐵上，對加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進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，測得的實時的位移和載荷，構成示功圖。利用電壓互感器和電流互感器得到抽油機的電壓值和電流值。本設計信號放大電路采用TLC2254四運算集成放大器，該放大器輸入阻抗高，噪聲低，是高阻抗源的小信號調理電路的理想芯片。放大電路圖。放大電路分為四級，第一級構成電壓跟隨器，具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點，作隔離電路。第二級是構成放大倍數(shù)10倍的放大電路，第三級構成的半波檢波器與第四級的加法器組成簡單的絕對值電路。

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、超強抗干擾的新一代8051單片機，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，不需要進行電平轉換。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S）。與普通的8051相比，STC12C5A60S2芯片還擁有SPI接口、兩個串口、EEPROM和1K內(nèi)部擴展RAM。單片機通過I/O口輸出相應的高低電平控制8通道模擬多路復用器，分時對位移、載荷、電壓和電流數(shù)據(jù)采集。8通道模擬多路復用器在同一時刻只允許一路信號經(jīng)過，由傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過放大和檢波電路輸入到MCU進行AD轉換，并將數(shù)據(jù)存入存儲模塊?；赟TC12C5A60S2芯片具有的A/D轉換功能，無需采用單獨的數(shù)模轉換模塊，大大減低了設計成本。當單片機收到手抄器進行數(shù)據(jù)讀取的通信信號后，單片機將數(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個串行接口進行編程配置。主控模塊控制數(shù)據(jù)的采集、讀取、A/D轉換、存儲和無線通信。該設備通過模擬SPI模式實現(xiàn)主控模塊和無線通信模塊的連接，通過單片機STC12LE5A60S2的P2口與nRF2401相應引腳相連，對其寫入讀取控制字實現(xiàn)無線通信。單片機P25、P24、P23分別與nRF2401的PWR_UP、CE、CS相連，單片機的P22、P21、P20分別與nRF2401的DR、CLE、DATA相連。單片機控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時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、空閑模式和關機模式。

3抽油機數(shù)據(jù)儀的軟件實現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集的軟件設計

數(shù)據(jù)儀的功能實現(xiàn)需要在硬件的基礎上利用軟件部分實現(xiàn)控制和通信。對于抽油機數(shù)據(jù)采集儀來說，不可能實現(xiàn)完全意義上的實時監(jiān)測，因為每時每刻的監(jiān)測會使短時間內(nèi)數(shù)據(jù)量過大，且傳感器等硬件的響應都有一定的界限，并且由于抽油機自身具有的穩(wěn)定性和可靠性，可以在相同間隔的不同時刻對抽油機的狀態(tài)進行監(jiān)測。本系統(tǒng)每隔一個小時對數(shù)據(jù)采集一次。記錄儀上電開始工作時，進行單片機、無線模塊等外設參數(shù)的初始化，利用單片機自帶的定時器，再編寫計數(shù)程序，當時間達到一小時時，單片機分時讀取拉力、行程、電壓和電流的數(shù)據(jù)，并進行存儲。存儲模塊主要由兩個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證數(shù)據(jù)后向手抄器發(fā)送應答信號，在確認應答信號正確的前提下，手抄器發(fā)送抄數(shù)據(jù)指令，此時記錄儀將存儲的數(shù)據(jù)信息通過無線模塊傳送給手抄器。

3.2無線通信的軟件設計

本設計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，在與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸時速率較慢，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單片機的I/O口進行初始化并設置系統(tǒng)時鐘，通過寫控制字的方式初始化nRF2401。單片機向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nRF2401自動添加CRC校驗碼，然后置CE為低，nRF2401自動加入報頭并開始空中數(shù)據(jù)發(fā)送。當發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準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機相連，接收到數(shù)據(jù)后傳送給PC機，再進一步進行數(shù)據(jù)處理和分析，得出抽油機的工作狀態(tài)。

作者：康金 單位：承德石油高等專科學校