【摘要】針對(duì)目前河北冀東油田南堡作業(yè)區(qū)油井分散，分布范圍寬，地區(qū)偏遠(yuǎn)，不宜管理等特點(diǎn)，本文主要利用變頻器對(duì)其電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或者少人值守的目的。

【關(guān)鍵詞】LABVIEW；鴻寶；RS485；MODBUS；CRC；無(wú)人值守；油田

1.引言

石油開(kāi)采行業(yè)中抽油機(jī)是機(jī)械采油的重要設(shè)備。保證抽油機(jī)的正常、科學(xué)運(yùn)行對(duì)提高原油產(chǎn)量和油田節(jié)能都有重要意義。目前我國(guó)大部分油田抽油井的現(xiàn)狀是：油井分散，分布范圍寬，地區(qū)偏遠(yuǎn)，不宜管理；大部分油井采用人工巡視，抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)不能適時(shí)反映到管理中心，在很大程度上影響對(duì)油井的合理決策；當(dāng)抽油機(jī)電機(jī)發(fā)生短路或缺相故障時(shí)，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止電機(jī)，而這是人工巡井很難做到的。對(duì)低滲透率地區(qū)的油井，抽油機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)常會(huì)發(fā)生抽空現(xiàn)象，此時(shí)抽油機(jī)處于輕載或空載狀態(tài)，如繼續(xù)運(yùn)行，勢(shì)必造成電能和機(jī)械能的浪費(fèi)。

針對(duì)以上抽油機(jī)存在的問(wèn)題，上海鴻寶生產(chǎn)的高性能矢量變頻器HB-E9作為下位機(jī)，上位機(jī)軟件使用NI公司的Labview。本系統(tǒng)集合了目前流行的DSP，虛擬儀器等技術(shù)，為解決抽油機(jī)目前存在的幾個(gè)問(wèn)題，提高自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或者少人值守的目的。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

抽油機(jī)電機(jī)采用HB-E9變頻器進(jìn)行控制，上位機(jī)采用Labview軟件。通訊接口為RS485接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議。

鴻寶HB-E9系列變頻器為矢量變頻器技術(shù)，是基于DQ軸理論而產(chǎn)生的，它的基本思路是把電機(jī)的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵(lì)磁電流，Q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和力矩電流分開(kāi)控制，使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)相似的控制特性，是為交流電機(jī)設(shè)計(jì)的一種理想的控制理論，大大提高了交流電機(jī)的控制特性.具有低頻力矩大、輸出平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)速精度高、減速停車(chē)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用LabVIEW強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能、完備的圖形控制工具輕松的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的處理及波形的直觀顯示。同時(shí)利用LabVIEW的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接工具包及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，為進(jìn)一步研究和控制抽油機(jī)提供參考。

變頻器通信接口為RS485形式，協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議。Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。

3.通訊下位機(jī)

RS485采用的是半雙工工作模式，接口共三根線，公共地，A+，B-。一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)只用接A+，B-兩根線。計(jì)算機(jī)端可以采用RS232轉(zhuǎn)RS485設(shè)備或者采用USB轉(zhuǎn)RS485設(shè)備。

變頻器和計(jì)算機(jī)能夠正確的通訊上，需要設(shè)置相應(yīng)的通訊參數(shù)，如端口，地址位，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗(yàn)方式等。

HB-E9系列變頻器的ModBus協(xié)議通信數(shù)據(jù)格式分為RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式和ASCII（American Standard Code for Information International Interchange）模式兩種進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)采用RTU模式。具體的協(xié)議請(qǐng)參考《HB-E9系列使用說(shuō)明書(shū)》中通訊協(xié)議部分。

幀的錯(cuò)誤校驗(yàn)方式主要包括兩個(gè)部分的校驗(yàn)，即字節(jié)的位校驗(yàn)（奇/偶校驗(yàn)）和幀的整個(gè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)（CRC校驗(yàn)或LRC校驗(yàn)）。

3.1 字節(jié)位校驗(yàn)

用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇不同的位校驗(yàn)方式，也可以選擇無(wú)校驗(yàn)，這將影響每個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位設(shè)置。

偶校驗(yàn)的含義：在數(shù)據(jù)傳輸前附加一位偶校驗(yàn)位，用來(lái)表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，為偶數(shù)時(shí)，校驗(yàn)位置為“0”，否則置為“1”，用以保持?jǐn)?shù)據(jù)的奇偶性不變。

奇校驗(yàn)的含義：在數(shù)據(jù)傳輸前附加一位奇校驗(yàn)位，用來(lái)表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，為奇數(shù)時(shí)，校驗(yàn)位置為“0”，否則置為“1”，用以保持?jǐn)?shù)據(jù)的奇偶性不變。

例如，需要傳輸“11001110”，數(shù)據(jù)中含5個(gè)“1”，如果用偶校驗(yàn)，其偶校驗(yàn)位為“1”，如果用奇校驗(yàn)，其奇校驗(yàn)位為“0”，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，奇偶校驗(yàn)位經(jīng)過(guò)計(jì)算放在幀的校驗(yàn)位的位置，接收設(shè)備也要進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)接受的數(shù)據(jù)的奇偶性與預(yù)置的不一致，就認(rèn)為通訊發(fā)生了錯(cuò)誤。

3.2 CRC校驗(yàn)方式——CRC（Cyclical Redun-dancy check）

使用RTU幀格式，幀包括了基于CRC方法計(jì)算的幀錯(cuò)誤檢測(cè)域。CRC域檢測(cè)了整個(gè)幀的內(nèi)容。CRC域是兩個(gè)字節(jié)，包含16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到幀中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到幀的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩個(gè)CRC值不相等，則說(shuō)明傳輸有錯(cuò)誤。

CRC是先存入0xFFFF，然后調(diào)用一個(gè)過(guò)程將幀中連續(xù)的6個(gè)以上字節(jié)與當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個(gè)字符中的8Bit數(shù)據(jù)對(duì)CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗(yàn)位均無(wú)效。CRC產(chǎn)生過(guò)程中，每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相異或（XOR），結(jié)果向最低有效位方向移動(dòng)，最高有效位以0填充。LSB被提取出來(lái)檢測(cè)，如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值相異或，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相異或。最終寄存器中的值，是幀中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC的這種計(jì)算方法，采用的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的CRC校驗(yàn)法則，用戶(hù)在編輯CRC算法時(shí)，可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的CRC算法，編寫(xiě)出真正符合要求的CRC計(jì)算程序。

4.通訊上位機(jī)軟件

Labview語(yǔ)言是美國(guó)NI公司為適應(yīng)計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展、加快儀器的開(kāi)發(fā)和完善其功能而退出的。它使用圖形化的編程語(yǔ)言，執(zhí)行程序的順序是由塊之間的數(shù)據(jù)流決定的。而不是傳統(tǒng)文本語(yǔ)言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行。Labview語(yǔ)言具有界面友好、易學(xué)易懂、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。

4.1 Labview 2009串口通訊編程

在Labview中進(jìn)行串口通訊主要利用Serial compatibility VIS，包括端口初始化，設(shè)定端口號(hào)，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗(yàn)等，從串口讀取數(shù)據(jù)，向串口寫(xiě)數(shù)據(jù)等。最后不需要串口時(shí)，可以將串口關(guān)閉，端口留給別的程序。

4.2 通訊程序?qū)崿F(xiàn)的功能

通過(guò)計(jì)算機(jī)可以對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停電機(jī)，設(shè)置運(yùn)行頻率，讀取變頻器的運(yùn)行參數(shù)，如變頻器的直流母線電流，輸出電流，輸出電壓，輸出力矩，故障信息等。其中涉及到CRC校驗(yàn)碼的求取和校驗(yàn)，其程序如下：

求CRC校驗(yàn)碼：

判斷CRC校驗(yàn)碼是否正確程序：

部分界面如下：

5.結(jié)論

本文主要利用Labview實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與變頻器進(jìn)行通訊，通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行端口來(lái)控制變頻器，可以方便、直觀地控制變頻器的運(yùn)行、監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置變頻器的參數(shù)、監(jiān)控變頻器的故障狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)變頻器的聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或者少人值守。希望本文能給同行提供一種解決問(wèn)題的思路，能有更多的同仁一起共同努力來(lái)提高實(shí)現(xiàn)油田等艱苦行業(yè)的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化水平。

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作者簡(jiǎn)介：

陳國(guó)平（1981—），男，研究生，現(xiàn)供職于上海鴻寶企業(yè)發(fā)展有限公司，主要負(fù)責(zé)變頻器的軟硬件開(kāi)發(fā)，變頻器自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的研發(fā)及相應(yīng)監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)。

王成起（1962—），男，大學(xué)專(zhuān)科，現(xiàn)供職于中國(guó)石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，主要負(fù)責(zé)低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行、電氣維修、電工管理。

白廣潮（1988—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于中國(guó)石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，主要負(fù)責(zé)低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行、電氣維修、電工管理。