陳雪松，張卉雨，趙子豪

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

目前石油開采行業(yè)中的地面采油設(shè)備主要是采用游梁式抽油機(jī)，而這種抽油機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是靠人工定時(shí)巡回檢查完成［1］。夜晚在燈光下可見度低，對(duì)抽油機(jī)的巡視管理難度大，特別是在油井?dāng)?shù)量多、抽油機(jī)之間分布范圍廣的時(shí)候會(huì)給巡視帶來很大困難，降低了工作效率［2］。人工巡視方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且實(shí)時(shí)性差，耗費(fèi)大量的人力物力資源［3］。

近幾年，為解決抽油機(jī)監(jiān)測(cè)上的人力資源浪費(fèi)問題，出現(xiàn)了多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在具體應(yīng)用過程中普遍存在操作復(fù)雜、設(shè)備及其維護(hù)費(fèi)用高、突發(fā)狀況應(yīng)變能力差等弱點(diǎn)。不僅如此，這些系統(tǒng)在采油過程中會(huì)耗費(fèi)大量的電力，造成對(duì)電力和設(shè)備資源的浪費(fèi)［4-6］。

隨著環(huán)境的污染、生態(tài)平衡的破壞以及不可再生能源的日益枯竭，清潔的可再生能源的開發(fā)逐漸成為影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域［7］。特別是太陽能的開發(fā)和利用更成為世界各國及科研機(jī)構(gòu)爭(zhēng)先研究的內(nèi)容。如今，太陽能發(fā)電技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，是因?yàn)樘柲馨l(fā)電具有其他能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)［8］。例如，美國、歐洲等大國制定了龐大的光伏計(jì)劃，國內(nèi)的市場(chǎng)也逐漸由特殊應(yīng)用向普通家用型大規(guī)模使用的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)成為不可再生能源的替代能源之一［9］。

本文設(shè)計(jì)的太陽能抽油機(jī)工作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是利用太陽能為系統(tǒng)充電以解決抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)問題。系統(tǒng)固定安裝在抽油機(jī)的驢頭上，如圖1 所示，其中陰影部分為本系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)安裝位置示意圖

白天，太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在蓄電池中。夜晚，當(dāng)抽油機(jī)正常工作時(shí)，驢頭上下擺動(dòng)，使安裝在驢頭上的系統(tǒng)也隨之?dāng)[動(dòng)，從而系統(tǒng)的傾斜角在不停變化，到達(dá)一定傾角值后，紅綠2個(gè)指示燈之間就會(huì)進(jìn)行一次亮滅切換;當(dāng)抽油機(jī)發(fā)生故障不再擺動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)也就停止了擺動(dòng)，從而系統(tǒng)傾斜角不再變化，2 個(gè)指示燈的亮滅也不會(huì)再切換。即依靠紅綠2 個(gè)指示燈是否交替閃爍就可以判斷抽油機(jī)是否在工作，這對(duì)于人眼在夜晚進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察有很大的幫助。

本系統(tǒng)既可以解決電力資源浪費(fèi)的問題，又可以在夜晚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)是否在工作，便于維護(hù)和管理。相較于其他檢測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)小巧便攜，易于安裝，而且造價(jià)低，有利于大規(guī)模使用［10］。

1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC12C5A60S2為智能核心模塊，硬件電路主要包括電源及太陽能充電電路模塊、蓄電池電壓采樣電路模塊、系統(tǒng)傾斜角采樣電路模塊、數(shù)碼管顯示電路模塊和指示燈控制電路模塊共5 個(gè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

本系統(tǒng)主要由12 V 的蓄電池供電，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集蓄電池兩端的電壓，并將電壓數(shù)值顯示在數(shù)碼管上。當(dāng)?shù)陀谛铍姵氐碾妷褐迪孪迺r(shí)，單片機(jī)控制太陽能板連接蓄電池，利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能為蓄電池充電，當(dāng)充電完畢時(shí)自動(dòng)斷開。到了晚上，光照低于一定閾值時(shí)，光敏開關(guān)自動(dòng)打開，2 個(gè)指示燈與電源連通開始工作。固定安裝在系統(tǒng)內(nèi)部的傾角傳感器負(fù)責(zé)采集該裝置的傾斜角度，因?yàn)橄到y(tǒng)的傾斜角度與抽油機(jī)驢頭的傾斜角度同步，所以也就是在實(shí)時(shí)采集抽油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。采集到傾角值后將結(jié)果以電壓形式傳給單片機(jī)進(jìn)行處理，換算成角度值，最后單片機(jī)根據(jù)角度值來判斷2 個(gè)指示燈的亮滅。

1.1 電源及太陽能充電電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)太陽能給蓄電池充電的功能，本設(shè)計(jì)主要采用了18 V 的太陽能板和12 V 的蓄電池。白天在光照條件下，光伏電池將所接收的光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電;天黑后，太陽能電池板停止工作，由蓄電池給整個(gè)系統(tǒng)供電［11］。

白天，當(dāng)太陽能板給蓄電池充滿電以后，即蓄電池電壓大于13.6 V 時(shí)，或當(dāng)蓄電池欠壓即小于11.3 V 時(shí)，需要斷開或連接充電電路，則用一個(gè)繼電器K1來控制電路的通斷，繼電器K1 由單片機(jī)P2.5 控制;當(dāng)蓄電池電壓到達(dá)13.2 V 而又小于13.6 V 時(shí)，為了給蓄電池充滿電，需要用穩(wěn)壓器LM317 將太陽能板的電壓穩(wěn)定至14 V 輸出給蓄電池進(jìn)行浮充，則用繼電器K2 來控制是否浮充。為了保證繼電器的穩(wěn)定工作，故采用高耐壓、大電流復(fù)合晶體管ULN2003 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［12］。

單片機(jī)正常運(yùn)行需要5 V 電壓，所以需要把蓄電池電壓(12 V)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電壓(5 V)。本系統(tǒng)采用的是蓄電池正極接LM7805 穩(wěn)壓管來為系統(tǒng)的正常運(yùn)行進(jìn)行供電。充電電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電源及太陽能充電電路

1.2 蓄電池電壓采樣電路設(shè)計(jì)

蓄電池作為系統(tǒng)的重要儲(chǔ)能工具，白天蓄電池將太陽能板輸出的電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，到了晚上再轉(zhuǎn)換回電能為系統(tǒng)提供電源［13］。

本系統(tǒng)主要利用STC12C5A60S2 自帶的AD 轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行模擬電壓采樣。為了能夠在充電時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行過充保護(hù)和低電量時(shí)及時(shí)控制太陽能板為蓄電池充電，必須實(shí)時(shí)查看蓄電池的電量，實(shí)時(shí)采集蓄電池兩端的電壓值。采樣電路如圖4 所示。

1.3 系統(tǒng)傾斜角采樣電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)是固定在抽油機(jī)上的，隨著抽油機(jī)的工作，系統(tǒng)的傾斜角度在不斷變化，利用這一原理判斷抽油機(jī)是否在工作。

系統(tǒng)傾斜角的采樣電路主要采用ADXL335 模擬三軸重力加速度模塊，把ADXL335 中X、Y、Z 這3 個(gè)端口輸出的電壓值傳給單片機(jī)，再利用程序進(jìn)行加速度轉(zhuǎn)換后判斷系統(tǒng)的傾斜角度，從而得到抽油機(jī)上下擺動(dòng)的角度值。傾斜角采樣電路如圖4 所示。

圖4 電壓及傾斜角采樣電路

1.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用4 位共陽極數(shù)碼管來實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的蓄電池兩端電壓，用2 個(gè)八位鎖存器74HC573 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中一個(gè)鎖存器用于控制位顯示，控制位LE 接單片機(jī)的P2.7;另一個(gè)鎖存器用于控制段顯示，控制位LE 接單片機(jī)的P2.6。2 個(gè)鎖存器的輸入端均連接單片機(jī)的P0.0～P0.7。數(shù)碼管顯示電路如圖5 所示。

圖5 數(shù)碼管顯示電路

1.5 指示燈控制電路設(shè)計(jì)

圖6 指示燈控制電路

夜晚指示燈控制電路主要由紅、綠2 個(gè)發(fā)光二極管，光敏開關(guān)模塊組成。發(fā)光二極管正極接光敏開關(guān)的常開端，負(fù)極接單片機(jī)的P2.2、P2.3。光敏開關(guān)模塊主要包括了一個(gè)光敏電阻、一個(gè)電位器和一個(gè)繼電器。電位器用于調(diào)節(jié)光敏閾值，光強(qiáng)低于閾值則繼電器的公共端與常開端接通，發(fā)光二極管亮起;高于閾值則與常閉端接通，發(fā)光二極管熄滅?？刂齐娐啡鐖D6所示。

2 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件程序用于控制外圍電路和邏輯判斷，主要程序包括太陽能充電控制程序、蓄電池電壓采樣程序、數(shù)碼管顯示程序、定時(shí)器處理程序、傾斜角度數(shù)采樣程序和指示燈轉(zhuǎn)換控制程序等幾部分。

2.1 主程序

主程序由3 個(gè)子程序構(gòu)成，包括蓄電池電壓采樣子程序、太陽能充電控制子程序和指示燈轉(zhuǎn)換控制子程序。其流程如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

2.2 蓄電池電壓采樣子程序

本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)STC12C5A60S2 自帶10位A/D 轉(zhuǎn)換，可以直接利用單片機(jī)內(nèi)的P1 口模擬功能控制寄存器(P1ASF)和ADC 控制寄存器(ADC_CONTR)來進(jìn)行模擬電壓的采集。由于傾斜角角度值是通過采集XYZ 端口的電壓值得到的，所以傾斜角度數(shù)的采樣與蓄電池電壓的采樣所用子程序均是調(diào)用AD 轉(zhuǎn)換子函數(shù)實(shí)現(xiàn)［14］。

2.3 太陽能充電子程序

太陽能充電子程序是判斷是否對(duì)蓄電池充電的程序。通過對(duì)蓄電池電壓的采集，由單片機(jī)設(shè)定充電策略，從而更有效、更科學(xué)地使用蓄電池，對(duì)提高蓄電池的使用效率、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，起著非常關(guān)鍵的作用［15］。

首先需要采集蓄電池的電壓，根據(jù)蓄電池的電壓狀態(tài)來判斷蓄電池是否需要充電。如果采集到的電壓大于13.6 V，則認(rèn)為蓄電池已充滿，進(jìn)入過充保護(hù)，即停止充電;如果采集到的電壓小于11.3 V，則認(rèn)為蓄電池過放，進(jìn)入過放充電階段，即開始直充;如果采集到的電壓大于13.2 V 小于13.6 V，則認(rèn)為蓄電池已快充滿，進(jìn)入浮充階段，即開始浮充。

太陽能充電子程序流程如圖8 所示。

圖8 太陽能充電子程序流程圖

2.4 指示燈轉(zhuǎn)換控制子程序

指示燈控制子程序主要是根據(jù)傾斜角的度數(shù)來對(duì)小燈切換進(jìn)行控制，同時(shí)進(jìn)行放電保護(hù)，防止過放［16］。

當(dāng)傾斜角度數(shù)大于270°時(shí)，綠燈(LED1)亮，紅燈(LED2)滅;當(dāng)傾斜角度數(shù)小于等于270°時(shí)，綠燈(LED1)滅，紅燈(LED2)亮。當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行正常時(shí)，該系統(tǒng)的傾斜角不斷改變，2 個(gè)小燈就會(huì)交替閃爍，而當(dāng)抽油機(jī)停止時(shí)，系統(tǒng)傾斜角會(huì)停在某一數(shù)值上不變，2 小燈會(huì)停止在某一狀態(tài)不再改變，即一個(gè)燈常亮一個(gè)燈常滅的狀態(tài)。該系統(tǒng)的負(fù)載切斷電壓是11.3 V，當(dāng)蓄電池電壓小于11.3 V 時(shí)，2 個(gè)小燈均滅。指示燈轉(zhuǎn)換控制子程序流程如圖9 所示。

圖9 指示燈轉(zhuǎn)換控制子程序流程圖

3 結(jié)束語

本文針對(duì)抽油機(jī)監(jiān)測(cè)存在的缺陷，介紹了以單片機(jī)STC12C5A60S2 為智能處理核心的太陽能抽油機(jī)工作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［17］。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了太陽能充電和抽油機(jī)監(jiān)測(cè)2 個(gè)功能。其中充電電路及其程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)蓄電池的充電控制，監(jiān)控電路及其程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)抽油機(jī)工作狀態(tài)的指示功能。實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果表明，該太陽能抽油機(jī)工作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安全、高效、節(jié)能和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

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