王道軍 薛 健 姜建國

(1. 大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311；2. 東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

潛油電機是一種專門用于機械采油的特種電機，具有排量大、揚程高、地面工藝簡單及管理方便等優(yōu)點，在油田生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。潛油電機在實際工作中為變負荷運行，易引起無功需求的變化，當(dāng)無功損耗增大時，潛油電機的使用壽命受到嚴重影響，同時降低了采油效率[2]。為提高潛油電機的采油效率，對潛油電機的某些物理量進行實時監(jiān)控和存儲是極其重要的環(huán)節(jié)。電流是潛油電機運行的重要參數(shù)，因此電流數(shù)據(jù)的采集與存儲系統(tǒng)是其實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

對潛油電機電流進行采集和存儲是筆者的主要研究目的。在系統(tǒng)中，電流信號通過傳感器和調(diào)理電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置傳輸?shù)缴衔粰C進行計算、處理、顯示和存儲。目前國內(nèi)一些院校和企業(yè)在此方面的研究取得了一定的進展，但國內(nèi)器件一般很難滿足高溫、低溫及高壓等特殊工況的要求，因此在可靠性和器件選擇方面仍需進一步改進和研究[3]。隨著科技的發(fā)展，一些高性能器件和開發(fā)平臺已逐步嶄露頭角，比如在數(shù)據(jù)采集方面，基于PC的數(shù)據(jù)采集板卡得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集板卡分為內(nèi)插式板卡和外掛式板卡兩類，內(nèi)插式板卡包括基于ISA、PCI、PXI/Compact PCI及PCMCIA等各類計算機內(nèi)總線的板卡，其速度快但拔插不方便；外掛式板卡包括USB、IEEE1394、RS-232/RS-485和并口板卡，基于USB接口技術(shù)的數(shù)據(jù)采集板卡具有傳輸速度快、易安裝、易擴展、通用性強及性價比高等優(yōu)點。

LabVIEW作為一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，利用它實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和儀器控制時可以提高工作效率[4]。LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與USB總線技術(shù)結(jié)合是今后數(shù)據(jù)采集和測控的發(fā)展趨勢，因此在潛油電機數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)中引進此項技術(shù)，能夠更好地監(jiān)控潛油電機的運行狀態(tài)，達到高效采油的目的。結(jié)合實際工程，筆者介紹了一種基于LabVIEW和USB-6008數(shù)據(jù)采集板卡的潛油電機交流側(cè)三相電流數(shù)據(jù)采集和儲存系統(tǒng)模塊的硬件和軟件設(shè)計。

1 系統(tǒng)模塊總體結(jié)構(gòu)①

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，硬件部分包括傳感器、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集硬件[5]。其中，電流互感器采用LT 208.S7電流傳感器，其原邊和副邊之間是絕緣的，用于測量交流和脈沖電流；信號調(diào)理電路將電流信號轉(zhuǎn)換為滿足采集條件的電壓信號，并送入數(shù)據(jù)采集板卡；數(shù)據(jù)采集板卡采用USB-6008，通過上位機程序?qū)⑿盘栞斎胗嬎銠C，完成信號采集。軟件部分的信號采集程序與用戶應(yīng)用程序由LabVIEW圖形編程軟件開發(fā)完成。

圖1 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)存儲模塊需要通過LabVIEW編寫的上位機程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)保存在硬盤中[6]，LabVIEW支持的文件格式主要有：

a. 文本文件。文本文件可以用字處理軟件或電子表格程序來讀取或處理數(shù)據(jù)，是最易于整體交互和共享的格式，但由于每個字符都要占用一個字節(jié)，存儲數(shù)據(jù)過程中存在ASCII碼與機器內(nèi)碼的轉(zhuǎn)換，因此文本文件存在占用磁盤空間較大及存取速度慢等缺點。

b. 二進制文件。二進制文件是將數(shù)據(jù)按其在內(nèi)存中存儲的形式(機器內(nèi)碼)原樣輸出到磁盤上，存儲速度快，格式緊湊，并且可以隨機訪問其中的某一個數(shù)據(jù)。由于各類二進制文件之間不是通用的，因此用戶在讀寫二進制文件時，必須明確文件使用的數(shù)據(jù)類型。

c. 數(shù)據(jù)記錄文件。數(shù)據(jù)記錄文件也是一種二進制格式的文件，它能夠簡單、快捷地存儲復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，并且很容易訪問數(shù)據(jù)，但只有LabVIEW才可以對其進行讀取和處理。

d. 波形數(shù)據(jù)文件。波形數(shù)據(jù)文件記錄了波形數(shù)據(jù)特有的一些信息。

測試數(shù)據(jù)文件(.lvm)是使用制表符分隔的文本文件，可以在電子表格應(yīng)用程序或文本編輯應(yīng)用程序中打開。在.lvm文件中LabVIEW最高可保存6位精度的數(shù)據(jù)，還包含生成數(shù)據(jù)的日期及時間等信息。測量文件(.tdm)為二進制文件，包含波形數(shù)據(jù)，具有精度高、占用磁盤空間小和運行速度比.lvm文件快的優(yōu)點。二進制TDM流文件(.tdms)比.tdm文件格式的寫入速度快，并且定義屬性界面更簡單。

在實際工程中，計算機上沒有安裝LabVIEW軟件就很難通過編程查看采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用LabVIEW與Microsoft通信的方式將文件以Word形式進行保存。

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集板卡

本系統(tǒng)采用的USB-6008是基于USB的12位多功能數(shù)據(jù)采集板卡，最大采樣速率10kS/s，由八路單端(四路差分)模擬輸入、兩路模擬輸出和數(shù)字I/O組成，具有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O及計數(shù)器/計時器等功能，這些功能由對應(yīng)的電路實現(xiàn)。該數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與計算機相連，方便進行操作。

2.2 電流互感器

電流互感器采用LT 208.S7電流傳感器，其參數(shù)為：原邊額定電流有效值200A；原邊電流測量范圍-300～300A；測量電流范圍-200～200A時，最大測量電阻RM=50Ω；測量電流范圍-300～300A時，最大測量電阻RM=73Ω；副邊額定電流有效值100mA；轉(zhuǎn)換率為1∶2 000；電源電壓±12V或±15 V。電流互感器的接線示意圖如圖2所示。

圖2 電流互感器接線示意圖

2.3 電流信號監(jiān)測和調(diào)理電路

電流信號監(jiān)測和調(diào)理電路如圖3所示。電流調(diào)理電路由兩級組成：第一級為電流取樣轉(zhuǎn)換電路，它將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；第二級為電流調(diào)理電路[7]。電流傳感器輸出電流信號；R是精密電阻，將電流信號線性地轉(zhuǎn)換為電壓信號；電壓信號由電壓跟隨器進行隔離，輸出阻抗降低；運放LM324組成了一個比例環(huán)節(jié)和一個加法器電路，將電平的中心點由0.0V抬高到1.5V。

電流互感器電壓采用±15V，其可測電流為±200A，最大可接入電阻為73Ω。在該設(shè)計中，取樣電阻為5Ω，電流互感器變比為1∶2 000，潛油電機的負載電流峰值一般不會超過100A，因此100A/2000=50mA，50mA×5Ω=0.25V，再經(jīng)放大環(huán)節(jié)進行兩倍放大得到0.5V的有效電壓，算得其峰值為0.5×1.414=0.707V，這時為交流信號。為使有效電壓峰值能在0.3V左右，再經(jīng)過同相加法運算，與一個1.8V的直流電壓相加，即可滿足條件送入數(shù)據(jù)采集卡進行采樣。

圖3 電流信號監(jiān)測和調(diào)理電路

3 軟件設(shè)計

將電流監(jiān)測電路和調(diào)理電路采集的電流信號輸入到數(shù)據(jù)采集板卡USB-6008中；該數(shù)據(jù)采集板卡通過USB接口與計算機相連，通過LabVIEW里的DAQmx把信號傳輸至計算機。在使用LabVIEW對其進行程序設(shè)計時，可以省略底層驅(qū)動程序的編寫，從而提高系統(tǒng)模塊開發(fā)的效率。軟件設(shè)計主要是將采集到的電流信號進行實時顯示，以便監(jiān)測潛油電機的運行狀態(tài)；并對數(shù)據(jù)進行有效保存，方便日后對電機運行參數(shù)進行分析。軟件設(shè)計實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計實現(xiàn)過程

3.1 電流信號采集模塊

電流信號采集模塊程序如圖5所示。進行電流信號采集時通過創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)為任務(wù)添加一個或多個虛擬通道，通過VI主程序配置好數(shù)據(jù)采集卡的物理通道。定時函數(shù)用于對模擬輸入DAQmx Timing.vi的采樣時鐘源和采樣速率進行設(shè)置，其中系統(tǒng)將定時函數(shù)設(shè)置為連續(xù)采樣。啟動任務(wù)函數(shù)實時地將任務(wù)轉(zhuǎn)換成運行狀態(tài)，完成特定的采集或生成任務(wù)。讀取函數(shù)從緩存中讀取采集到的數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)通過Waveform Graph控件和表格控件以波形圖和表格的形式實時顯示在前面板，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。最后為程序添加清除任務(wù)函數(shù)，以避免分配不必要的內(nèi)存。

圖5 電流信號采集模塊程序

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊程序如圖6所示。進行數(shù)據(jù)存儲時，利用新建報表函數(shù)創(chuàng)建一個新的報表，報表類型選擇Word。Word Easy Title函數(shù)用來給報表添加標(biāo)題。利用Word Easy Text函數(shù)給Word報表添加文本，其中一個為添加日期時間文本，設(shè)置背景為灰色，對齊方式為居中；另一個為報表添加說明文本。利用Word Easy Table函數(shù)給報表添加表格，表格的數(shù)據(jù)來自采集模塊，表格的首行通過首行屬性進行設(shè)置。利用Word Easy Graph函數(shù)給報表添加圖表，圖表數(shù)據(jù)同樣來自采集模塊，設(shè)置圖形格式為xlRadar，通過雷達形圖表顯示電流數(shù)據(jù)，能夠更直觀地體現(xiàn)一次采樣周期內(nèi)潛油電機在特定時間的運行狀態(tài)。保存報表函數(shù)將報表保存至報表文件路徑中指定的文件。處置報表函數(shù)用來關(guān)閉報表并釋放其界面，以節(jié)省內(nèi)存。

圖6 數(shù)據(jù)存儲模塊程序

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)用戶應(yīng)用程序界面如圖7所示，啟動狀態(tài)連續(xù)運行時，Waveform Graph控件實時顯示采集到的三相電流信號波形；三相電流表格實時顯示采集到的三相電流有效值；最大值、最小值是為保護數(shù)據(jù)采集板卡而設(shè)置的；通過采樣頻率控件可以設(shè)置任務(wù)的采樣頻率；在表格標(biāo)題和標(biāo)簽說明控件中可以分別設(shè)置Word報表中相應(yīng)內(nèi)容；通過保存路徑可設(shè)置保存文件路徑。當(dāng)按下右下角的停止按鈕時，系統(tǒng)關(guān)閉。

圖7 系統(tǒng)用戶應(yīng)用程序界面

數(shù)據(jù)以Word表格和圖形的形式，并帶有生成數(shù)據(jù)的時間和日期保存到硬盤指定文件中，可用于后續(xù)潛油電機運行狀態(tài)的分析。

5 結(jié)束語

通過系統(tǒng)模塊在實現(xiàn)潛油電機電流的自動采集、實時顯示和數(shù)據(jù)保存方面所做的可靠實驗，形成了運行穩(wěn)定且具有直觀、簡便的用戶操作界面的潛油電機電流采集和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠在上位機上以表格和圖形的形式動態(tài)顯示采集到的電流數(shù)據(jù)，還可根據(jù)需要將采集到的數(shù)據(jù)以表格、文本及波形等形式保存下來，并且在測量潛油電機的其他運行特征時可以很方便地進行擴充。另外，在其他涉及電流的工業(yè)和測控領(lǐng)域，本系統(tǒng)也有較大的應(yīng)用價值。

[1] 梅思杰，邵永實，劉軍，等.潛油電泵技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[2] 董振剛.潛油電泵機組狀態(tài)監(jiān)測與辨識方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[3] 沈利榮.潛油電泵井?dāng)?shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2013.

[4] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] 程學(xué)慶，房曉溪，韓薪莘，等.LabVIEW圖形化編程與實例應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] 楊建偉，鄭瓊?cè)A，沈昱明.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)保存[C].第八屆工業(yè)儀表與自動化學(xué)術(shù)會議.上海：上海理工大學(xué)，2007.

[7] 鄭耀天，吳浚浩.信號調(diào)理電路的設(shè)計與研究[J].中國科技信息，2006，(2)：122.