陳鴻龍，涂 玲，孫 良，鄧曉剛

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］被美國商業(yè)周刊列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)之一，麻省理工學(xué)院技術(shù)評論將其列為改變世界的10大技術(shù)之一。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也得到了國內(nèi)學(xué)者們的高度重視并取得了許多研究成果和應(yīng)用［2－4］。作為一種全新的信息獲取與處理模式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸3種功能，能夠?yàn)樵S多無人值守和條件惡劣的長期監(jiān)測應(yīng)用（如石油石化過程監(jiān)測［5］、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控［6］和戰(zhàn)場監(jiān)視［7］等）提供有效的解決方案。

抽油機(jī)［8］俗稱“磕頭機(jī)”，是現(xiàn)在最常用的開采石油的機(jī)器設(shè)備之一，主要是通過加壓的辦法使石油出井。抽油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是保障原油產(chǎn)量穩(wěn)步增長的前提條件之一。然而，抽油機(jī)通常是分布在野外環(huán)境中，其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控比較復(fù)雜，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)出現(xiàn)故障時，如果不能及時有效地檢測并將之排除，很可能會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)Νh(huán)境帶來嚴(yán)重的破壞。

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺［9－10］將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到抽油機(jī)的監(jiān)控過程中，實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該實(shí)驗(yàn)平臺有助于石油院校的自動化和測控等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法，有助于學(xué)生掌握抽油機(jī)的工作原理，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力［11］，使學(xué)生能夠更快地適應(yīng)將來的工作環(huán)境。

1 游梁式抽油機(jī)的工作原理

游梁式抽油機(jī)主要是由4個部分組成，即游梁部分、支架部分、減速器部分和配電部分，如圖1所示。游梁部分包括驢頭、游梁、橫梁、尾梁、連桿和平衡板；支架部分包括中央軸承座、工作梯、護(hù)圈、操作臺和支架；減速器部分包括底座、減速器筒座、減速器、曲柄、配重塊和剎車等部件；配電部分包括電機(jī)座、電機(jī)和配電箱等。

圖1 游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)

在采油過程中，電機(jī)將其高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給減速箱的輸入軸，經(jīng)中間軸后帶動輸出軸，輸出軸帶動曲柄作低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。曲柄通過連桿經(jīng)橫梁拉著游梁后臂（或前臂）擺動（或者是連桿直接拉著游梁后臂），游梁的前段裝有驢頭，活塞以上液柱及抽油桿柱等載荷均通過懸繩器懸掛在驢頭上。驢頭隨同游梁一起上下擺動，游梁和驢頭便帶動活塞作上下的往復(fù)運(yùn)動，即可將原油抽出井筒。

抽油機(jī)運(yùn)行過程中，要對其電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使得轉(zhuǎn)速保持在一定的范圍之內(nèi)，確保抽油機(jī)能夠連續(xù)穩(wěn)定地工作。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是抽油機(jī)正常工作所需要解決的問題之一。

同時，在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，游梁驢頭會帶動懸繩器以下的裝置作上下的往復(fù)運(yùn)動，在這一傳遞動力的過程中，抽油桿的載荷因抽油桿的位置不同而不同。抽油機(jī)的載荷主要包括抽油桿本身重量、油管內(nèi)柱塞以上液柱重量，以及柱塞與泵筒和襯套、抽油桿與油管、抽油桿與液柱、油管與液柱之間的摩擦力，抽油桿與液柱的慣性力，由于抽油桿的彈性而引起的振動力以及由于液體和活塞運(yùn)動不一致或泵未充滿等原因引起的沖擊載荷。抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線稱之為示功圖［12］，示功圖能夠有效地反應(yīng)抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵的工作狀況。在理想情況下，即在油管無漏失、泵工作正常、油層供液能力充足、泵能夠完全充滿等條件下，抽油機(jī)的示功圖近似于平行四邊形。然而，當(dāng)裝置出現(xiàn)異常時，例如油管漏失，抽油機(jī)的示功圖的形狀將有會發(fā)生變化。因此，通過對抽油機(jī)示功圖的實(shí)時監(jiān)測即可監(jiān)測抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括抽油機(jī)模型、PLC（Modicon M340）［13］、無線傳感器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)4部分。在該實(shí)驗(yàn)平臺中，為了節(jié)省硬件資源，只采用了2個無線傳感器節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的多跳傳輸。在實(shí)際的抽油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，可以根據(jù)具體要求增加無線傳感器節(jié)點(diǎn)個數(shù)。

圖2 抽油機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺總體結(jié)構(gòu)示意圖

在我校的施耐德電氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中配備了6套抽油機(jī)模型和Modicon M340，如圖3所示。抽油機(jī)模型上裝有3個傳感器（電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、載荷傳感器和位移傳感器）和一個變頻器。Modicon M340是施耐德電氣公司生產(chǎn)的一款高性能中型PLC，具有功能強(qiáng)勁、結(jié)構(gòu)緊湊、超大內(nèi)存、擁有多種專用功能等特點(diǎn)，其中，CPU模塊集成了USB口并且內(nèi)置2個通信接口，為其和無線傳感器節(jié)點(diǎn)的連接提供便利。Modicon M340通過模擬量輸入通道對抽油機(jī)模型的3個傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，即可獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷和位移3個參數(shù)；同時，Modicon M340通過數(shù)字量輸出通道將控制量輸出給變頻器，通過控制變頻器的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

上位機(jī)用帶有UART接口的普通電腦即可。Imote2無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物見圖4，是Crossbow公司開發(fā)的新一代無線傳感器節(jié)點(diǎn)，采用了Marvell PXA271 XScale處理器，集成了IEEE 802.15.4協(xié)議以及2.4GHz天線，并且擁有包括 USB，I2C和UART等豐富的串口資源。在該實(shí)驗(yàn)平臺中，1＃Imote2節(jié)點(diǎn)與Modicon M340通過USB接口建立連接（見圖2），可實(shí)現(xiàn)雙向通信。1＃Imote2節(jié)點(diǎn)和2＃Imote2節(jié)點(diǎn)之間可以采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)短距離通信和交換數(shù)據(jù)。2＃Imote2節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間通過UART接口實(shí)現(xiàn)雙向通信。在作者所主持的國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金的支持下，目前實(shí)驗(yàn)室已擁有Imote2節(jié)點(diǎn)及其開發(fā)套件10套。

圖3 抽油機(jī)模型和Modicon M340實(shí)物圖

圖4 Imote2無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

本文所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺的工作過程如下：Modicon M340通過模擬量輸入口采集抽油機(jī)模型的電機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷和位移3個傳感器的數(shù)據(jù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)作為Modicon M340本地的PID控制器的測量值，用于對抽油機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。Modicon M340通過USB接口將采集到的3個參數(shù)值實(shí)時傳輸給1＃Imote2節(jié)點(diǎn)；1＃Imote2節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式將接收到的3個參數(shù)值發(fā)送給2＃Imote2節(jié)點(diǎn)；2＃Imote2節(jié)點(diǎn)通過UART接口將接收到的3個參數(shù)值發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)利用接收到的載荷和位移值在線繪制示功圖，根據(jù)示功圖分析抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并判斷是否需要調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，若需要調(diào)整，則將電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值通過UART接口發(fā)送給2＃Imote2節(jié)點(diǎn)；2＃Imote2節(jié)點(diǎn)將接收到的給定值通過無線通信方式發(fā)送給1＃Imote2節(jié)點(diǎn)；1＃Imote2節(jié)點(diǎn)通過USB接口將電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值發(fā)送給Modicon M340；Modicon M340將接收到的值作為PID控制器的給定值，PID控制器的輸出通過數(shù)字量輸出通道輸出給變頻器，通過控制電機(jī)的頻率來控制抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語

本文以石油院校的專業(yè)特色為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的抽油機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，整個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷和位移等信息的采集、數(shù)據(jù)傳輸（包括USB，UART串口通信和無線通信）、抽油機(jī)示功圖的在線繪制以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。該實(shí)驗(yàn)平臺有助于石油院校的自動化和測控等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生深入了解采油的基本過程，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，使他們將來能夠更好地勝任石油領(lǐng)域的相關(guān)工作。

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