楊 京，梁華慶，曹旭東，艾毅然，孫云龍

（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

抽油機(jī)井大多都分布在地理位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的地區(qū)，給工作人員對(duì)抽油機(jī)井的管理與維護(hù)工作造成困難。隨著信息技術(shù)在石油工業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)大大改善了這一現(xiàn)狀。采用低成本、高性能、低功耗的微控制器以及無線傳感技術(shù)來研制抽油機(jī)井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)具有更佳的性能。該系統(tǒng)能夠讓原油的開采更加便捷安全和穩(wěn)定高效。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地反應(yīng)抽油機(jī)井的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決抽油機(jī)井在工作中出現(xiàn)的故障。采用該系統(tǒng)，可以有效提高設(shè)備的可靠性、減輕工作人員的工作量、降低采油成本，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由6部分組成：現(xiàn)場傳感器（壓力傳感器、溫度傳感器等）、傳感器信號(hào)采集板、互感器模塊、電量參數(shù)采集板、示功圖采集模塊、ZigBee通信模塊和上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall block diagram of the system

油壓、油溫、示功圖以及電機(jī)的電力參數(shù)是抽油機(jī)井工作的重要參數(shù)，是抽油機(jī)井工況判斷的依據(jù)?，F(xiàn)場傳感器將油溫、油壓等物理量轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)后，輸出給傳感器信號(hào)采集板。示功圖采集模塊內(nèi)部有加速度傳感器和負(fù)荷傳感器，采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線方式，發(fā)送到傳感器信號(hào)采集板。信號(hào)采集板通過繼電器來控制抽油機(jī)啟停。三相電壓電流經(jīng)過電壓互感器模塊后，由電量采集模塊來采集。上位機(jī)使用Modbus通信協(xié)議，采用RS485總線與電量采集板和傳感器信號(hào)采集板進(jìn)行通信，以獲取采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。Modbus是工業(yè)控制系統(tǒng)通信中最普遍的協(xié)議，它具有兼容性好，可靠性高等優(yōu)勢[1]。上位機(jī)軟件能夠顯示電量參數(shù)、各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)以及示功圖；更改采集參數(shù)和控制抽油機(jī)的啟停。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選型

主控芯片選擇嵌入式處理器STM32F103RC，這是一款Cortex M3內(nèi)核的 32位單片機(jī)，有 48KB SRAM、256KB FLASH，片上集成 6個(gè)定時(shí)器、3個(gè) 12位 ADC、3個(gè) SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口等豐富的外設(shè)，主頻最快可以達(dá)到72 MHz。相比于其他的單片機(jī)，STM32系列具有更強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，更快的速度，使用起來更加靈活方便[2]。

2.2 傳感器信號(hào)采集板

圖2為傳感器信號(hào)采集板框圖，由電源電路、信號(hào)調(diào)理電路、STM32及其外圍電路、繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路、RS485以及RS232通信接口電路組成。

圖2 傳感器信號(hào)采集板框圖Fig.2 Block diagram of the sensor signal acquisition board

由于現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，在傳感器調(diào)理電路前端增加了起限流保護(hù)作用的保險(xiǎn)絲，以及起靜電保護(hù)作用的TVS管。采樣電阻將傳感器輸出的4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成STM32內(nèi)部AD可以采集的電壓信號(hào)。

開關(guān)信號(hào)的調(diào)理電路與電流信號(hào)調(diào)理電路相似，采用光耦隔離進(jìn)行電壓隔離保護(hù)，同時(shí)將外部開關(guān)信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部可以測量的電壓。

圖3為STM32電路原理圖，包括：復(fù)位電路、供電電路、啟動(dòng)模式選擇電路、濾波電容等。 PA4（20）、PA5（21）為引腳為內(nèi)部 ADC 的輸入通道。 PC10（51）、PC11（52）引腳為內(nèi)部USART4的輸入輸出通道，用來實(shí)現(xiàn)RS485通信。PC12（53）、PD2（54）引腳為內(nèi)部USART5的輸入輸出通道，用來實(shí)現(xiàn)與ZigBee通信模塊之間的RS232通信。PC14(3)、PC15(4)引腳用來輸出開關(guān)信號(hào)。

圖3 STM32F103RC電路原理圖Fig.3 STM32F103RCcircuit schematics

采用繼電器來控制抽油機(jī)啟停，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。STM32的IO引腳與PNP型三極管的集電極相連。以增加STM32的電流驅(qū)動(dòng)能力。

2.3 三相電壓電流轉(zhuǎn)換板

電壓電流轉(zhuǎn)換板由電壓互感器與電流采樣電路組成。電流采樣電路通過一個(gè)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。互感器能夠起到降壓以及隔離保護(hù)的作用。電機(jī)的交流電信號(hào)通過它的初級(jí)輸入，進(jìn)行電壓變換后，由次級(jí)輸出芯片能夠測量的電壓。電流則通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

2.4 電量參數(shù)采集板

電量采集板同樣采用STM32作為主控芯片，使用CS5463專用電量測量芯片分別測量三相的電量參數(shù)，使用RS485通信接口與上位機(jī)通信。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

CS5463是美國CirrusLogic公司新近推出的單相雙向功率/電能計(jì)量集成電路芯片。可以測量瞬時(shí)的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等[3]。其電路原理圖如圖6所示。

圖4 繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 Relay and its drive circuit schematics

圖5 電量采集板方框圖Fig.5 Block diagram of power parameter acquisition board

圖6 CS5463及其外圍電路原理圖Fig.6 CS5463 and its peripheral circuit schematics

電量參數(shù)采集板上配備了三塊CS5463，分別來采集三相電壓電流。通過SPI方式與STM32通信，一個(gè)CS5463內(nèi)部包含有兩個(gè)ADC，分別采集電壓與電流。

2.5 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊由CC2430及其外圍電路、RS232通信接口電路、收發(fā)天線組成。該模塊由兩節(jié)5 V電池供電。具有小巧靈活等特點(diǎn)。CC2430是一款TI公司生產(chǎn)的SOC芯片，CC2430芯片內(nèi)部包含了一個(gè)DSSS無線射頻前端，用于發(fā)送和接收無線射頻信號(hào)[4]。為了更加方便的實(shí)現(xiàn)Z-Stack協(xié)議棧[5]，在片內(nèi)集成了一個(gè)8位的8051內(nèi)核。

圖7 ZigBee通信模塊Fig.7 Block diagram of ZigBee communication module

2.6 示功圖采集模塊

示功圖采集模塊采用電池供電，安裝在抽油機(jī)連接桿上。內(nèi)部包含一個(gè)加速度傳感器和一個(gè)負(fù)荷傳感器，將加速度信號(hào)進(jìn)行二次積分得到位移，負(fù)荷傳感器的信號(hào)即為載荷，定時(shí)將測得的數(shù)據(jù)通過ZigBee方式發(fā)送出去。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器信號(hào)采集板程序設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)采集板上STM32內(nèi)部的程序分為初始化、信號(hào)的采集、ZigBee模塊的數(shù)據(jù)接收、Modbus數(shù)據(jù)幀的接收與發(fā)送等步驟。程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 The main program flow chart

在系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行系統(tǒng)的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置；中斷向量配置；ADC、USART、TIMER、GPIO 等外設(shè)的工作模式選擇，工作參數(shù)配置；外設(shè)的使能。

主程序是一個(gè)循環(huán)體，在循環(huán)體中，首先通過判斷串口4接收標(biāo)志位是否置位，如果置位了說明接收到ZigBee模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)；然后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定的寄存器中；之后判斷定時(shí)器中斷標(biāo)志位是否到達(dá)，一旦到達(dá)，則啟動(dòng)ADC，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作；最后判斷串口5的接收標(biāo)志位是否置位，如果置位說明接收到了Modbus的協(xié)議幀，需要解包數(shù)據(jù)幀，響應(yīng)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，參數(shù)更改，啟?？刂频炔僮鳌?/p>

3.2 電量參數(shù)采集板程序設(shè)計(jì)

類似的，電量參數(shù)采集板程序的系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置； 中斷向量配置；TIMER、SPI、USART、GPIO 等外設(shè)的工作模式選擇；以及外設(shè)的使能。

首先通過SPI接口分別向3個(gè)CS5463發(fā)送初始化以及配置的命令字；其次啟動(dòng)定時(shí)器、SPI、USART等外設(shè)；之后不斷查詢定時(shí)器標(biāo)志位是否置位，如果定時(shí)到達(dá)，則通過SPI接口從CS5463中讀取電壓、電流、功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)；最后判斷串口接收標(biāo)志位是否置位，如果置位說明接收到了Modbus的協(xié)議幀，需要將數(shù)據(jù)打包成Modbus數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機(jī)。

3.3 ZigBee通信模塊程序設(shè)計(jì)

ZigBee通信模塊的程序在TI的Z-Stack協(xié)議棧的程序框架下開發(fā)。Z-Stack協(xié)議棧是在OSAL操作系統(tǒng)下的一組函數(shù)包，通過Z-Stack可以很方便的進(jìn)行ZigBee通信有關(guān)的程序編寫。

1)發(fā)送數(shù)據(jù)

在ZigBee協(xié)議棧中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送可以調(diào)用AF_DataRequest函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)會(huì)調(diào)用協(xié)議棧里面的底層函數(shù)來打開發(fā)射機(jī)，調(diào)整發(fā)射機(jī)的發(fā)送功率等函數(shù)。最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去。

2)接收數(shù)據(jù)

當(dāng)ZigBee模塊接收到ZigBee的數(shù)據(jù)幀后，OSAL將該數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)封裝，然后放入操作系統(tǒng)的消息隊(duì)列中，每個(gè)消息都有自己的編號(hào)，即消息ID號(hào)，有新數(shù)據(jù)被接收到的消息ID號(hào)為AF_INCOMING_MSG_CMD（0x1A）。

首先使用osal_msg_receive()函數(shù)從消息隊(duì)列中接收一個(gè)消息，然后通過switch-case語句進(jìn)行選擇（判斷消息ID），如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

3)串口發(fā)送函數(shù)

CC2430的串口收發(fā)需要用到以下3個(gè)函數(shù)，這3個(gè)函數(shù)也是Z-Stack所提供的。

uint8 HalUARTOpen(uint8 port,halUARTCfg_t*config);//串口打開初始化

uint16 HalUARTRead(uint8 port,uint8*buf,uint16 len);//讀串口

uint16 HalUARTWrite(uint8 port,uint8*buf,uint16 len);//寫串口

使用HalUARTOpen()函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行初始化，該函數(shù)使用halUARTCfg_t結(jié)構(gòu)體指針作為參數(shù)，在使用CC2430的串口時(shí)，需要定義一個(gè)halUARTCfg_t結(jié)構(gòu)體來初始化CC2430的串口。

uartConfig.Configured = TRUE;

uartConfig.baudRate = HAL_UART_BR_115200;

uartConfig.callBackFunc= Mgr_ProcessZAppData;

在CC2430接收到數(shù)據(jù)之后，調(diào)用HalUARTWrite()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給STM32。

3.4 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

在VC++2010環(huán)境下，使用微軟的功能庫MFC編寫上位機(jī)軟件。由于PC機(jī)沒有RS485的接口，需要通過一個(gè)RS485到RS232的轉(zhuǎn)接模塊將RS485的信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232的信號(hào)。利用MFC中的MSComm控件進(jìn)行RS232串口的通信[6]。

在主窗口類CWorkDlg定義CString成員對(duì)象，用于顯示實(shí)時(shí)的壓力、溫度、三相電流電壓；定義繼承于CWnd類的子類，display類，用于顯示示功圖。在其OnPaint函數(shù)中添加坐標(biāo)以及曲線的繪制代碼。

圖9 上位機(jī)界面Fig.9 Data display of PC

圖9為上位機(jī)界面。點(diǎn)擊菜單欄上的參數(shù)設(shè)置菜單，會(huì)彈出參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。用戶可以在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框上更改監(jiān)控參數(shù)。監(jiān)控的參數(shù)包括報(bào)警上限、報(bào)警下限以及采集間隔。當(dāng)抽油機(jī)井的任意一項(xiàng)參數(shù)超出正常范圍后，都可以彈出報(bào)警提示，提示操作員對(duì)此進(jìn)行處理。同時(shí)，操作員可以點(diǎn)擊停止按鈕，讓抽油機(jī)井急停。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采用低功耗、高性能、低成本的嵌入式處理器STM32作為主控芯片。可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映抽油機(jī)井的生產(chǎn)狀況，在出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行抽油機(jī)井的啟停控制。與傳統(tǒng)的人工巡視監(jiān)控相比，采用基于微控制器的油井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少用工總量，提高總體勞動(dòng)效率；且可靠性高，可保證油氣生產(chǎn)安全、提高油田科學(xué)化管理水平和整體開發(fā)效益。

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