潘大偉， 于云華

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

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一種用于抽油機(jī)的雙模式無(wú)線示功儀設(shè)計(jì)*

潘大偉， 于云華

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

針對(duì)目前拉線式和角度式示功儀故障率高和被動(dòng)工作模式的無(wú)線示功儀能耗高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有主動(dòng)和被動(dòng)兩種工作模式的無(wú)線示功儀。該示功儀既可以根據(jù)所接收指令測(cè)示功圖和上傳數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)設(shè)置自動(dòng)測(cè)示功圖和上傳數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了綜合濾波算法，可有效濾除加速度數(shù)據(jù)中的高頻干擾和尖峰干擾。詳細(xì)介紹了硬件電路、工作模式和濾波程序設(shè)計(jì)，并給出了能耗和示功圖數(shù)據(jù)的測(cè)試分析?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：該裝置具有可靠性高、測(cè)量準(zhǔn)確、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

示功儀； 雙模式； 抽油機(jī)； 綜合濾波算法

0 引 言

抽油機(jī)示功圖是分析、診斷抽油機(jī)生產(chǎn)的一種重要手段，它由抽油桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位移與該位移處抽油桿所承受載荷兩部分組成[1]。載荷可通過載荷傳感器直接測(cè)量，位移主要有兩種測(cè)量方法，一種是采用拉線式和角度式，它們需要借助復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，故障率較高，使用較少；二是加速度方式，位移通過采集加速度間接獲得，無(wú)復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免了方式一故有的缺點(diǎn)[2]。隨著抽油機(jī)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，示功儀逐漸實(shí)現(xiàn)無(wú)線化[3]，利用無(wú)線傳輸系統(tǒng)接收上位機(jī)指令和上傳示功圖，因此,示功儀的無(wú)線模塊需要長(zhǎng)時(shí)間處于高功耗的接收模式，從而大大縮短了電池使用壽命，增加了設(shè)備維護(hù)量。

根據(jù)上述問題，本文提出了一種基于加速度傳感器的無(wú)線示功儀。該示功儀具有主動(dòng)和被動(dòng)兩種工作模式，既可以像傳統(tǒng)無(wú)線示功儀通過接收上位機(jī)指令工作，也可以主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，以達(dá)到降低能耗、延長(zhǎng)電池使用壽命，減少維護(hù)量的目的。

1 無(wú)線示功儀的組成

無(wú)線示功儀的組成如圖1所示，主要包括單片機(jī)控制模塊、電源模塊、載荷采集模塊、加速度采集模塊、存儲(chǔ)模塊、無(wú)線模塊等部分。

該裝置由電池通過電源芯片供電，采用MSP430F1611單片機(jī)作為主控芯片。利用載荷傳感器采集載荷信號(hào)，加速度傳感器采集加速度信號(hào)，分別通過放大電路和濾波電路送入單片機(jī)。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量的載荷與加速度，通過數(shù)字濾波和積分獲得示功圖數(shù)據(jù)，再利用無(wú)線模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程終端設(shè)備(remote terminal unit,RTU)。下面對(duì)主要組成部分進(jìn)行說明。

圖1 無(wú)線示功儀的組成

1.1 電源模塊

由于抽油機(jī)一般布置于野外，并且該無(wú)線示功儀固定于抽油機(jī)懸點(diǎn)，電池不便更換，為保證可靠供電，該裝置采用高能量型鋰亞硫酰氯電池，容量19 Ah，額定電壓3.6 V。

本裝置所有元件都由該電池通過額定輸出電壓為3 V的NCP500穩(wěn)壓電源芯片供電。為降低功耗，本裝置采用兩片NCP500芯片，芯片1為單片機(jī)和無(wú)線模塊供電，該芯片一直處于工作模式；芯片2為載荷采集模塊、加速度采集模塊和存儲(chǔ)模塊供電，只在采集示功圖、讀寫存儲(chǔ)器時(shí)將芯片2設(shè)置為工作模式，其余時(shí)間均為待機(jī)模式。

1.2 載荷采集模塊

本裝置采用載荷傳感器測(cè)量抽油桿承受載荷大小[4]。傳感器量程為0～150 kN，輸出為0～4.5 mV。由于輸出電壓較低，因此，需要對(duì)該信號(hào)做放大處理才能輸給單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本裝置采用單電源儀表放大器AD623作為放大電路芯片。載荷采集模塊電路如圖2所示。

圖2 載荷采集模塊電路

AD623的輸入信號(hào)VC為IN+與IN-兩腳間的差值，6腳輸出VO為[5]

(1)

本裝置RG采用400 Ω精密電阻器，把輸入信號(hào)放大250倍，即將載荷傳感器輸出范圍0～4.5 mV放大為0～1.129 5 V。信號(hào)放大后，送入MSP430的P6.0/A0引腳。

1.3 加速度采集模塊

本裝置的加速度傳感器采用Analog Devices公司生產(chǎn)的ADXL103，該芯片測(cè)量范圍為±1.7gn，可以通過在輸出引腳安裝不同容量電容器選擇輸出信號(hào)的低通濾波器帶寬。加速度采集電路如圖3所示。

圖3 加速度采集模塊電路

本裝置中ADXL103采用3 V供電，輸出靈敏度為560 mV/gn，Xout引腳連接10 μF濾波電容器，低通濾波器帶寬設(shè)置為0.5 Hz。ADXL103對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)上下方向加速度測(cè)量的輸出通過濾波后送入MSP430的P6.1/A1引腳。

1.4 無(wú)線模塊

本裝置無(wú)線模塊采用nRF905，與單片機(jī)的連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 nRF905連接圖

當(dāng)nRF905接收完一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包，并且自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位后，DR引腳會(huì)置高，因此，將與DR相連的P2.2設(shè)置為中斷源，上升沿中斷。MSP430在等待RTU發(fā)送指令時(shí)處于LPM4低功耗模式，當(dāng)nRF905接收到RTU指令后，DR引腳置高，觸發(fā)中斷，將MSP430喚醒執(zhí)行相關(guān)操作。

2 無(wú)線示功儀的工作模式

按照應(yīng)答方式的不同，本無(wú)線示功儀具有被動(dòng)和主動(dòng)兩種工作模式。

2.1 被動(dòng)工作模式

該工作模式下，未接收到RTU指令時(shí)，nRF905一直處于接收模式，無(wú)線示功儀為等待指令狀態(tài)，MSP430處于低功耗模式，NCP500電源芯片2設(shè)置為待機(jī)模式。RTU每隔一定時(shí)間向無(wú)線示功儀發(fā)送測(cè)量示功圖指令，無(wú)線示功儀收到指令后，將MSP430從低功耗模式喚醒，NCP500電源芯片2設(shè)置為工作模式，進(jìn)行示功圖采集，采集完成后將NCP500電源芯片2設(shè)置為待機(jī)模式，nRF905設(shè)置為發(fā)送模式，再把示功圖發(fā)送給RTU。發(fā)送結(jié)束后，nRF905設(shè)置為接收模式，MSP430再次進(jìn)入低功耗模式。

該工作模式下，無(wú)線示功儀被動(dòng)接收RTU的指令，不會(huì)主動(dòng)測(cè)試、發(fā)送示功圖。這是一種常見的工作模式，適用于一臺(tái)RTU連接多臺(tái)無(wú)線示功儀的情況，但是該模式下無(wú)線模塊長(zhǎng)時(shí)間處于接收模式，能耗較大，縮短了電池使用壽命。

2.2 主動(dòng)工作模式

為降低能耗，延長(zhǎng)電池使用壽命，本裝置還可工作于主動(dòng)模式。該模式下，無(wú)線示功儀根據(jù)設(shè)置時(shí)間間隔自動(dòng)測(cè)量示功圖，測(cè)量完成之前，nRF905設(shè)置為待機(jī)模式；測(cè)量完成后，nRF905設(shè)置為發(fā)送模式，再將示功圖傳輸給RTU。無(wú)線示功儀傳輸完成后，nRF905設(shè)置為接收模式，并維持5 min，期間可以接收RTU指令，如轉(zhuǎn)換工作模式、修改示功圖的測(cè)量時(shí)間間隔等。5 min后，將nRF905設(shè)置為待機(jī)模式，直至再次測(cè)量完示功圖。

一般每隔0.5 h或1 h測(cè)量一次示功圖，因此,在大部分時(shí)間內(nèi)無(wú)線示功儀為空閑狀態(tài)，nRF905為待機(jī)模式，并且只在測(cè)量示功圖時(shí)將電源芯片2設(shè)置為工作模式，從而大大降低能耗。但為了防止出現(xiàn)多臺(tái)無(wú)線示功儀同時(shí)向一臺(tái)RTU傳輸數(shù)據(jù)，該模式只適用于一臺(tái)RTU對(duì)應(yīng)一臺(tái)無(wú)線示功儀的情況。

3 加速度數(shù)據(jù)的濾波處理

示功圖的位移可以通過對(duì)加速度數(shù)據(jù)的二次積分獲得[6]。由于機(jī)械振動(dòng)和加速度芯片自身的原因，在MSP430采集的加速度數(shù)據(jù)中疊加了大量干擾。直接對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分會(huì)將這些干擾放大，使位移計(jì)算出現(xiàn)較大誤差，因此,積分前必須對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。為了濾除加速度數(shù)據(jù)中的干擾，本文提出了一種綜合濾波算法。

該算法首先利用滑動(dòng)平均濾波消除高頻噪聲干擾，再自動(dòng)計(jì)算出一閾值，通過該閾值消除尖峰干擾。該算法包括以下步驟：

1)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣，保存于數(shù)組X，包括X(0)～X(N-1)，共N個(gè)數(shù)據(jù)；

2)對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行2次七點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波，消除高頻干擾，單次七點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波公式為

(2)

3)根據(jù)濾波后的加速度數(shù)據(jù)計(jì)算閾值T

(3)

4)利用閾值T消除加速度數(shù)據(jù)中的尖峰干擾，計(jì)算步驟如下：

選擇一常數(shù)k，計(jì)算相鄰兩點(diǎn)的差值D=X(i)-X(i+1)，其中,i=3～N-5，如果|D|≤kT，X(i+1)保持原值，如果|D|>kT，當(dāng)D>0時(shí)，X(i+1)=X(i)-kT;當(dāng)D<0時(shí)，X(i+1)=X(i)+kT。

圖5和圖6是加速度數(shù)據(jù)濾波前后的對(duì)比。通過對(duì)比可以看出，濾波后的加速度數(shù)據(jù)變化較平滑，干擾大大減少。

圖5 濾波前的加速度數(shù)據(jù)

圖6 濾波后的加速度數(shù)據(jù)

對(duì)加速度數(shù)據(jù)濾波后，通過比較極值點(diǎn)判斷周期，再通過二次積分計(jì)算出位移量。

4 測(cè)試分析

4.1 能耗測(cè)試

在不同的工作狀態(tài)下，本裝置電池的供電電流如表1所示。

表1 示功儀電池供電電流

Tab 1 Supply current of dynamometer battery

工作模式被動(dòng)工作模式指令主動(dòng)工作模式工作狀態(tài)測(cè)試示功圖發(fā)送示功圖等待指令測(cè)試示功圖發(fā)送示功圖等待指令空閑狀態(tài)供電電流(mA)18.0514.6013.545.9714.6015.753.72

設(shè)示功儀每小時(shí)測(cè)試一次示功圖，下面對(duì)該裝置在兩種工作模式下每小時(shí)的能耗和電池使用時(shí)間分別進(jìn)行計(jì)算分析。

1)被動(dòng)工作模式

該模式下，測(cè)試一個(gè)示功圖大約耗時(shí)4 min，即240 s，發(fā)送示功圖大約耗時(shí)2 s，等待指令時(shí)間約為3 600-240-2=3 358 s，根據(jù)表1可計(jì)算出1 h的總能耗為49 828.52 mA·s。本裝置電池容量為19 Ah，可供電時(shí)長(zhǎng)為

19×1 000×3 600 mA·s/49 828.52 mA·s/h≈

1 372.7 h≈57 d.

因此,在被動(dòng)模式，電池供電情況下，該裝置工作時(shí)間近2個(gè)月。

2)主動(dòng)工作模式

該模式下，測(cè)試與發(fā)送示功圖時(shí)間與被動(dòng)模式相同，等待指令時(shí)間為5 min，即300 s，空閑狀態(tài)時(shí)間為3 600-240-2-300=3 058 s，根據(jù)表1計(jì)算出1 h的總能耗為17 562.76 mA·s。該模式下，本裝置電池供電時(shí)長(zhǎng)為

19×1 000×3 600 mA·s/17 562.76 mA·s/h≈

3 894.6 h≈162 d.

因此,在主動(dòng)模式，電池供電情況下，該裝置工作時(shí)間在5個(gè)月以上。

該裝置電池實(shí)際使用時(shí)間與上述計(jì)算時(shí)間近似。通過分析可知，在條件允許的情況下，采用主動(dòng)工作模式可以明顯降低能耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

4.2 示功圖測(cè)試

本示功儀在華北油田多口抽油機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，表2為其中三口抽油機(jī)的測(cè)量值和真實(shí)值的比較。

表2 示功儀測(cè)量數(shù)據(jù)表

Tab 2 Measurement data of dynamometer

抽油機(jī)任斜檢8任264任60—1沖次(min-1)測(cè)量值真實(shí)值6.76.73.94.01.81.8沖程(m)測(cè)量值真實(shí)值3.033.062.913.012.802.72載荷范圍(kN)測(cè)量值真實(shí)值24.82～56.9225.24～55.2515.43～36.6415.51～35.4349.31～75.7450.65～76.75

由表2可以看出:該示功儀所測(cè)沖次、沖程、載荷的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，與真實(shí)值差距很小。圖7為抽油機(jī)任斜檢8的實(shí)測(cè)示功圖。

經(jīng)過測(cè)試，本示功儀對(duì)于沖程2～5 m，沖次1～7沖的抽油機(jī)均可準(zhǔn)確測(cè)量示功圖，并正確傳輸給RTU。該示功儀工作穩(wěn)定，性能良好。

5 結(jié) 論

本文研制的雙模式無(wú)線示功儀，根據(jù)加速度二次積分計(jì)算位移，通過無(wú)線模式將示功圖數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并且具有主動(dòng)和被動(dòng)兩種工作模式，適應(yīng)不同的工作條件，延長(zhǎng)電池供電時(shí)間，同時(shí)所設(shè)計(jì)的綜合濾波算法可有效濾除加速度數(shù)據(jù)中的高頻干擾和尖峰干擾。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該產(chǎn)品測(cè)量準(zhǔn)確，性能可靠，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖7 示功儀所測(cè)任斜檢8示功圖

[1] 李云飛，吳仲城，吳寶元，等.用于抽油機(jī)井示功儀的載荷位移一體化智能變送器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(2):15-17.

[2] 于云華，張家珍，時(shí)海濤，等.基于加速度傳感器的油井示功圖位移測(cè)量技術(shù)研究[J].電子產(chǎn)品世界，2009(9):25-27.

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Design of a kind of dual-mode wireless dynamometer for well pumping unit*

PAN Da-wei, YU Yun-hua

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum (East China),Dongying 257061,China)

Aiming at disadvantages of high fault rate of tie-line and angle types dynamometer and high energy consumption of passive work mode wireless dynamometer,a kind of wireless dynamometer with active and passive work mode is designed.The dynamometer can test dynamometer card and upload data not only according to command received the but also can automatically do these works according to the established procedure.A kind of comprehensive filtering algorithm is designed,which can effectively remove high-frequency interference and peak interference in acceleration datas.The hardware circuit,work mode and filtering program are described in detail,and test analysis on energy consumption and dynamometer card data are given.The field application shows that the device has advantages of high reliability,accurate measurement and low energy consumption.

dynamometer; dual mode; well pumping unit; comprehensive filtering algorithm

2015—06—04

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(14CX02178A)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0061—04

TE 355

A

1000—9787(2015)09—0061—04

潘大偉(1979-)，男，山東德州人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛途O(jiān)測(cè)領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。