裴忠民，李貽斌，徐 碩

（1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061;2.中國科學(xué)技術(shù)信息研究所信息技術(shù)支持中心，北京 100038）

0 引言

基于桿式抽油機(jī)抽油是當(dāng)前石油生產(chǎn)的主要工藝形式［1］。示功圖是分析井下抽油泵運(yùn)行狀況、計算原油開采量及進(jìn)行故障診斷的重要依據(jù)［2～4］。由于抽油井多分布在沼澤、沙漠、盆地等野外偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)前我國大部分油田對示功圖的采集還依賴于人工巡檢和有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測手段，自動化程度相對較低。

電子示功儀是采集抽油井工礦數(shù)據(jù)、獲取抽油井示功圖的主要儀器，依賴于抽油井自動化監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展變化，電子示功儀的演進(jìn)也經(jīng)歷了傳統(tǒng)示功儀、便攜式示功儀和新一代網(wǎng)絡(luò)化示功儀3個階段。傳統(tǒng)示功儀多采用拉線式和角位移傳感器測量實現(xiàn)，儀器笨重，斷頭率高［5］;便攜式示功儀的無繩化設(shè)計便于攜帶［6］，但要求定期充電且網(wǎng)絡(luò)接入方式單一;隨著新能源技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入［7］，研究新一代示功儀，構(gòu)建面向抽油井工礦數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為當(dāng)前油田信息化領(lǐng)域研究的熱點問題［8］。

本文針對當(dāng)前示功儀設(shè)備普遍存在的充電維護(hù)困難、網(wǎng)絡(luò)接入功能弱化等問題，設(shè)計實現(xiàn)了新一代一體化太陽能示功儀，構(gòu)建了一個面向抽油井工況監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并在長慶油田試運(yùn)行。

1 抽油井工況監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 抽油井工況監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為實現(xiàn)對抽油井示功圖、沖程、機(jī)電設(shè)備參數(shù)等工礦數(shù)據(jù)的實時采集、分析與監(jiān)測，本文首先構(gòu)建了一個抽油井工況監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型包括無線一體化太陽能示功儀、無線溫度傳感器和無線壓力傳感器3種。節(jié)點基于Zig Bee自組網(wǎng)協(xié)議構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過多協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)備和廣域網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器實現(xiàn)對示功圖和傳感器數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和顯示，并提供用戶接口。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 抽油井工況監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig 1 The architecture of pump well WSNs for working state monitoring

由圖1可知，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于三級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，包括部署在抽油井工業(yè)現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，安裝在聯(lián)合站或計量站的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，以及在遠(yuǎn)程監(jiān)測中心的服務(wù)器三部分。工業(yè)現(xiàn)場傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，直接將原始數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器集中解析。多協(xié)議網(wǎng)關(guān)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理、數(shù)據(jù)的匯聚以及多傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換，使傳感器數(shù)據(jù)能夠通過多種協(xié)議接口進(jìn)行透明傳輸。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由各種服務(wù)器和用戶接口組成，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中處理和顯示，為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)提供各種服務(wù)。

1.2 示功儀節(jié)點部署

示功圖是載荷隨位移變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線圖，由于位移可以通過加速度的雙重積分得到，因此，基于載荷和加速度傳感器設(shè)計一體化示功儀已成為當(dāng)前的主流方法［5］。圖2給出了游梁式抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和加速度傳感器、載荷傳感器的實際部署位置。由圖2可知，載荷和加速度傳感器部署于驢頭下方抽油桿光桿處。研究表明，要使由安裝位置產(chǎn)生的位移測量誤差不超過1%，加速度傳感器敏感方向偏離抽油桿運(yùn)動方向的角度不能超過8°［9］。

2 一體化太陽能示功儀硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 一體化太陽能示功儀硬件組成

圖2 游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)與示功儀節(jié)點部署圖Fig 2 Structure of beam pumper and the deployment of indicator nodes

無線一體化太陽能示功儀的硬件組成如圖3所示。示功儀由中央控制和無線通信單元、太陽能電源管理單元、傳感器單元和外設(shè)單元四部分組成，其中傳感器單元包括加速度傳感器信號處理電路和載荷傳感器信號處理電路兩部分，實現(xiàn)對傳感器信號的放大、濾波等處理。中央控制和無線通信單元基于CC2530 Zig Bee芯片實現(xiàn)，負(fù)責(zé)信號的中央控制和短距離無線通信。外設(shè)單元包含實時時鐘和FLASH存儲器兩部分，主要實現(xiàn)計時和簡單數(shù)據(jù)的存儲功能。太陽能電源管理單元由太陽能面板、磷酸鐵鋰蓄電池組和電源控制電路組成，為示功儀提供穩(wěn)定的直流供電電壓和電源保護(hù)、電池充放電等電路。

圖3 太陽能示功儀硬件組成Fig 3 Hardware composition of solar energy indicator

2.2 中央控制和無線通信單元硬件實現(xiàn)

中央控制和無線通信單元是一體化太陽能示功儀硬件設(shè)計的核心。由于點對點無線通信已無法滿足抽油井工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可靠傳輸要求，為構(gòu)建支持多徑傳輸和具有自愈能力的抽油井工礦監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文基于Zig Bee自組網(wǎng)協(xié)議，選用TI公司CC2530核心芯片和CC2591射頻前端功率放大芯片，實現(xiàn)了中央控制和無線通信單元的硬件設(shè)計。

CC2530是一種集成度較高的片上系統(tǒng) （SoC）芯片。CC2591是一種高性能2.4 GHz射頻前端，芯片內(nèi)部集成了射頻開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)、平衡/不平衡轉(zhuǎn)換電路、功率放大器（PA）以及低噪音放大器（LNA）電路，輸出功率可達(dá)22 dBm。通過對CC2591與CC2530的組合設(shè)計，可進(jìn)一步增強(qiáng)射頻信號的傳輸距離，拓展無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。圖4給出了CC2591和CC2530芯片主要管腳的連接圖。對于2.4 GHz高頻電路設(shè)計，抗干擾設(shè)計是關(guān)鍵，在示功儀硬件實現(xiàn)時采取的方法有:1）保證地線的完整，采用0 Ω電阻或磁珠將數(shù)字電路與模擬電路分開;2）晶振外殼接地，確保時鐘準(zhǔn)確;3）引腳去藕濾波，外圍元件應(yīng)盡量靠近RF芯片，器件封裝盡量選擇0402;射頻電路附近不走線，以減少對信號的電磁干擾。

圖4 CC2591和CC2530主要管腳連接Fig 4 Main pins connection of CC3591 and CC2530

2.3 太陽能電源管理單元硬件實現(xiàn)

為滿足示功儀在野外連續(xù)7個陰雨天也可正常工作的要求，本文首先計算出7 d內(nèi)示功儀工作所需的最大功耗，包括傳感器功耗、無線通信功耗和核心器件運(yùn)算功耗，然后依照功耗計算出太陽能電池方陣的大小，并根據(jù)芯片的供電電壓需求，設(shè)計出相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路和充放電控制電路。太陽能電源管理單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 太陽能電源管理單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig 5 Structure diagram of solar energy power management unit

由圖5可知，太陽能電源管理單元由太陽能電池方陣、充放電控制器、蓄電池組和穩(wěn)壓模塊四部分組成。其中，太陽能電池方陣選用光電轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅太陽能組件。充放電控制器實現(xiàn)對蓄電池組充放電的控制，防止蓄電池組過充或過放，本文選用MC3063芯片實現(xiàn)。蓄電池組選用磷酸鐵鋰電池組，具有超長壽命、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。穩(wěn)壓模塊可為CC2530提供穩(wěn)定的3.3 V工作電壓，以確保無線通信的穩(wěn)定。本文選用帶有升壓和降壓功能的LTC3440穩(wěn)壓模塊來搭建穩(wěn)壓電路。

2.4 傳感器單元與外設(shè)單元硬件實現(xiàn)

本文選用ADXL203型雙軸加速度傳感器實現(xiàn)對抽油桿運(yùn)動加速度的測量。ADXL203與CC2530的連接電路如圖6所示。為實現(xiàn)對輸出信號的去鋸齒和降噪，設(shè)計時分別在Xout和Yout引腳連接了低通濾波電容器，在電源端并聯(lián)了0.01 μF和10 μF低頻和高頻噪聲濾波電容器。

圖6 ADXL203加速度傳感器原理圖Fig 6 Principle diagram of ADXL203 accelerometer sensor

本文選用應(yīng)變式壓力傳感器對載荷進(jìn)行測量，該傳感器內(nèi)部由電阻應(yīng)變計橋電路組成，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變計也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變計的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻器上的電壓發(fā)生變化。電壓信號經(jīng)調(diào)節(jié)后被送入CC2530的AD引腳進(jìn)行測量。

3 現(xiàn)場實驗與試運(yùn)行

3.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點部署

為驗證一體化太陽能示功儀和抽油井工礦監(jiān)測系統(tǒng)的性能，本文在長慶油田白豹鎮(zhèn)第二采油廠進(jìn)行了多次現(xiàn)場實驗并對系統(tǒng)進(jìn)行了為期30 d的試運(yùn)行。系統(tǒng)試運(yùn)行節(jié)點部署示意圖如圖7所示，共計在采油廠的游梁式抽油機(jī)上部署7臺一體化太陽能示功儀和7個無線壓力傳感器節(jié)點，1臺多協(xié)議網(wǎng)關(guān)節(jié)點部署在距離現(xiàn)場約500 m內(nèi)的計量站內(nèi)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS廣域網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器通信。

圖7 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點部署示意圖Fig 7 Deployment diagram of networks system nodes

3.2 實驗結(jié)果與性能分析

一體化太陽能示功儀選用SMA外置鞭狀天線，無線信號經(jīng)CC2591前端功率放大后，在通視條件下點對點無線通信距離可達(dá)1200 m?？紤]到現(xiàn)場通信有遮擋或機(jī)電設(shè)備干擾等復(fù)雜情況，在構(gòu)建現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時選用Zig Bee協(xié)議棧構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)試運(yùn)行的30 d內(nèi)，示功儀每2s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，利用Sniffer分析儀進(jìn)行持續(xù)抓包監(jiān)測，30 d僅監(jiān)測到17幀錯誤數(shù)據(jù)，幾乎做到了100%的可靠傳輸。

對于太陽能供電性能的驗證，因系統(tǒng)試運(yùn)行期間最長連續(xù)陰雨天為4 d，沒有出現(xiàn)節(jié)點斷電失效的情況。為真正檢驗節(jié)點的連續(xù)工作時限，本文又進(jìn)行了室內(nèi)遮擋實驗，即在一次太陽能充電完成后，通過遮擋把節(jié)點放置在室內(nèi)黑暗無光處，監(jiān)測節(jié)點的正常工作時間。實驗結(jié)果表明:節(jié)點最長正常運(yùn)行時間高于198 h，超出了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

本文設(shè)計的一體化太陽能示功儀位移量程為0～4 m，載荷量程為0～150 kN。為驗證示功儀的位移測量精度，分別在7口抽油井進(jìn)行了多種井況下的試驗，沖程為1～4 m，沖次從3沖到8沖不等。實驗方法為:首先由示功儀測得加速度水平分量和垂直分量，在服務(wù)器端計算出抽油桿的沖程;然后利用米尺測出真實位移，二者進(jìn)行比較。表1給出了針對3號井所做的5次實驗結(jié)果。由表1可知，示功儀位移測量的最大誤差0.09 m，符合采油現(xiàn)場的需求，實測示功圖與抽油井的真實工礦相符，載荷實測數(shù)據(jù)變化范圍為20～70 kN。

表1 抽油井位移測量數(shù)據(jù)表Tab 1 Sheet of displacement measurment data of pump well

4 結(jié)論

一體化太陽能示功儀的研制，是新能源技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)在石油工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在石油行業(yè)的實際應(yīng)用，構(gòu)建了一個面向抽油井工況監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)介紹了新一代一體化太陽能示功儀的硬件設(shè)計與實現(xiàn)，并依照示功儀設(shè)備在現(xiàn)場的試運(yùn)行情況，對示功儀的性能進(jìn)行了分析。

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