齊鳳河，熊春宇，夏云波，崔 峰

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶163712)

0 引言

當(dāng)前，在螺桿泵工況監(jiān)測及生產(chǎn)故障判斷的方法主要有生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)經(jīng)驗判斷法、螺桿泵轉(zhuǎn)子受力測試法、驅(qū)動電機(jī)電參數(shù)檢測診斷法等［1］。生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)經(jīng)驗判斷法簡單易行，生產(chǎn)參數(shù)容易采集，缺點是不能做到定量分析，做出的判斷不夠準(zhǔn)確;螺桿泵轉(zhuǎn)子受力測試法，判斷比較準(zhǔn)確，但扭矩傳感器的安裝需要停機(jī)，影響生產(chǎn)。驅(qū)動電機(jī)電參數(shù)測試診斷法是一種新興的定量診斷技術(shù)，它通過檢測驅(qū)動螺桿泵電機(jī)的各項電參數(shù)，并結(jié)合電機(jī)的工作狀況，通過建立數(shù)學(xué)模型利用微處理器可以得出螺桿泵的各種工況參數(shù)，從而對油井的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測。

1 系統(tǒng)原理

在驅(qū)動電機(jī)電參數(shù)測試診斷法基礎(chǔ)上，利用TI 工業(yè)級微處理器結(jié)合ATT7022 電參數(shù)計量專用芯片為核心組成檢測控制系統(tǒng)，對螺桿泵工作狀況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，實現(xiàn)對螺桿泵驅(qū)動電機(jī)的主要電氣參數(shù)以及螺桿泵采油井的油壓、套壓、溫度等流體參數(shù)的實時監(jiān)測與采集，使監(jiān)測控制系統(tǒng)能對斷桿、卡泵、電源缺相等災(zāi)難性故障做出判斷，及時斷電停機(jī)，并通過無線通訊裝置發(fā)出報警信號，使工作人員及時得到信息，快速處理，將故障損失降到最低。同時微處理器根據(jù)采集的驅(qū)動電機(jī)電參數(shù)中的有功功率和無功功率以及功率因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計算分析，然后計算出所需補(bǔ)償電容，驅(qū)動補(bǔ)償電容柜，自動投入所需的補(bǔ)償電容，提高電機(jī)功率因數(shù)，降低能耗，提高工作效率，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器的選擇

單片機(jī)控制器是系統(tǒng)的核心，其主要功能是利用ATT7022 對螺桿泵驅(qū)動電機(jī)的三相電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)以及螺桿泵采油井的油壓、套壓、溫度等流體參數(shù)的實時監(jiān)測與采集，并把數(shù)據(jù)存儲在存儲器中?？刂破魍ㄟ^數(shù)據(jù)分析，對斷桿、卡泵、電源缺相等災(zāi)難性故障做出判斷，及時斷電停機(jī)，并發(fā)出報警信號。因此需要一款性能穩(wěn)定、能耗低微、擴(kuò)展方便、通用性強(qiáng)的處理器，綜合考慮各種處理器的利弊后，本系統(tǒng)采用的是美國德州儀器公司生產(chǎn)的MPS430 系列單片機(jī)。

2.2 電參數(shù)采集電路

電參數(shù)采樣計量采用珠海力矩三相電能專用計量芯片ATT7022B，其內(nèi)部框圖如圖2所示。ATT7022是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它內(nèi)部集成了六路二階的sigma-delta 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)參考電壓電路、各種功率檢測、消耗能量、交流電有效值、系統(tǒng)功率因數(shù)以及頻率測量等數(shù)字信號處理電路。它不僅能夠測量各單相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓的有效值，系統(tǒng)功率因數(shù)、相位角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相電力系統(tǒng)電氣參數(shù)檢測的需求。另外還支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表;有功、無功電能脈沖輸出，提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正?？梢詫ㄓ泄?、無功功率進(jìn)行測量，提供兩類視在能量輸出，RMS 視在能量以及PQS 視在能量，提供一個標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口，方便與外部微處理器之間進(jìn)行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞［2］。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 ATT7022 內(nèi)部原理圖

2.3 數(shù)據(jù)存儲電路

數(shù)據(jù)存儲電路主控芯片選用南京沁恒CH375B。CH375B 是一款基于USB 總線協(xié)議的通用接口芯片，支持USB 主機(jī)方式和USB-DEVICE 設(shè)備方式。在設(shè)備方式時CH375B 具有8 位并行數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP 等控制器的系統(tǒng)總線上。在主機(jī)方式下，CH375B 還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)等相連接，支持12Mbps 全速USB 設(shè)備和1.5Mbps 低速設(shè)備。CH375B 內(nèi)置了處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲設(shè)備，最大存儲量可達(dá)100G。同時它支持5V 電源電壓和3.3V 電源電壓，有低功耗模式，方便與各種處理器連接。

2.4 無功補(bǔ)償電路

檢測控制系統(tǒng)的MSP430 處理器通過對ATT7022B 傳輸來的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷并確定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償，當(dāng)系統(tǒng)的功率因數(shù)小于設(shè)定值時，給出指令，通過補(bǔ)償電容器的投切來提高功率因數(shù)。

功率因數(shù)補(bǔ)償電容的投切方式有很多種:普通交流接觸器式、晶閘管過零觸發(fā)式、專用同步開關(guān)式等。用交流接觸器式有觸點開關(guān)進(jìn)行投切補(bǔ)償時，投切開關(guān)動作較頻繁，觸點易產(chǎn)生電弧燒毀;用專用同步開關(guān)可以解決這個問題，但成本太高。晶閘管式成本低、無觸點，但由于電容器兩端電壓不能突變，當(dāng)電網(wǎng)電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時刻投切，故本控制器選用的是Motorola 公司的過零觸發(fā)控制芯片MOC3061［4］，其外部接線如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

功能主要分為五大部分:螺桿泵運(yùn)行參數(shù)采集、主要參數(shù)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、硬性故障監(jiān)測、電機(jī)無功補(bǔ)償。軟件的主程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)初始化主要是檢測控制系統(tǒng)處理器和ATT7022B 的初始化。其中，ATT7022B 初始化實際上是系統(tǒng)校準(zhǔn)，過程包括相位補(bǔ)償設(shè)置、功率增益設(shè)定、電源相位校正、額定啟動電流設(shè)置等。

圖3 MOC3061 外部接線圖

硬性故障判斷首先分析電網(wǎng)是否過壓和欠壓，在保證電壓穩(wěn)定的前提下，分析電機(jī)電流參數(shù)和油壓、套壓、溫度等流體參數(shù)，對斷桿、卡泵、電源缺相等災(zāi)難性故障及時做出判斷，及時斷電停機(jī)，并發(fā)出報警信號。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有的螺桿泵工況監(jiān)測及生產(chǎn)故障判斷的方法，設(shè)計了一種基于TI 工業(yè)處理器為基礎(chǔ)的螺桿泵電機(jī)工況監(jiān)測及故障智能診斷系統(tǒng)。以德州儀器公司MSP430 工業(yè)級微處理器和珠海炬力ATT7022 三相電能專用計量芯片為核心組成現(xiàn)場檢測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對螺桿泵驅(qū)動電機(jī)的三相交流電壓、各相電流、電網(wǎng)頻率、系統(tǒng)有功功率、系統(tǒng)無功功率、功率因數(shù)等電參數(shù)以及螺桿泵采油井的油壓、套壓、溫度等流體參數(shù)的實時監(jiān)測與采集，然后利用TI 微處理器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，判斷螺桿泵斷桿、卡泵、電源缺相等災(zāi)難性故障，及時停機(jī)報警;根據(jù)無功功率數(shù)據(jù)的分析自動進(jìn)行無功功率補(bǔ)償裝置的投切，實現(xiàn)自動無功補(bǔ)償。該系統(tǒng)可不上作業(yè)，不影響生產(chǎn)，快速準(zhǔn)確地測出螺桿泵井運(yùn)行的電參數(shù)和熱工參數(shù)，快速的對極限故障進(jìn)行停機(jī)保護(hù)處理并報警;對螺桿泵電機(jī)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，提高電機(jī)工作效率。為螺桿泵井安全長效運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的監(jiān)測手段，對提高螺桿泵采油系統(tǒng)效率、節(jié)能降耗具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

圖4 控制軟件流程圖

［1］王歡，魏顯峰，李云飛，等.螺桿泵井電功法扭矩監(jiān)測技術(shù)研究［J］.油氣田地面工程，2008(1):29-30.

［2］徐軍，趙飛雪，張飛劍，等.嵌入式螺桿泵工況監(jiān)測系統(tǒng)［J］.控制工程，2010，17(4):557-560.

［3］翁薇，朱志杰，陳俊杰，等.基于ATmega128 和ATT7022B 的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計［J］.低壓電器，2009，21:30-33.