高峰

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163316）

潛油電泵是目前國(guó)內(nèi)外各大油田機(jī)械采油的主要設(shè)備之一，具有排量大、揚(yáng)程高、操作管理方便等特點(diǎn)。然而，潛油電泵機(jī)組的綜合故障率較高，這給油田造成重大損失。實(shí)踐證明，振動(dòng)過(guò)大往往是引發(fā)潛油電泵機(jī)組故障的根源之一。

潛油電泵機(jī)組的振動(dòng)不但與其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣有關(guān)，而且與設(shè)計(jì)和制造也有很大關(guān)系。因此，潛油電泵制造廠家在機(jī)組出廠前采用潛油電泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試?，F(xiàn)有的潛油電泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)的采集采用傳統(tǒng)測(cè)試方法。數(shù)據(jù)采集和傳輸均采用模擬信號(hào)，不但精度低，而且易受到振動(dòng)、電磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境的干擾；采用了6個(gè)單軸振動(dòng)傳感器，所需的6根通信電纜不但增加了維護(hù)成本，而且由于作業(yè)環(huán)境的限制，電纜易發(fā)生物理性損壞，信靠傳輸可靠性差。本文采用了數(shù)字式三軸加速度計(jì)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，不但將傳感器數(shù)量降為原有一半，而且提高了數(shù)據(jù)采集的精度，增強(qiáng)抗干擾性；采用Zigbee無(wú)線進(jìn)行信號(hào)的傳輸，取消了通信電纜，降低維護(hù)成本同時(shí)提高測(cè)試作業(yè)效率及測(cè)試信號(hào)傳輸可靠性。

潛油電泵振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可分三部分：振動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線接收模塊、上位機(jī)。如圖1所示。

圖1 潛油電泵振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

振動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端位于井下，分為三層，每層終端由測(cè)振架、振動(dòng)傳感器組成。測(cè)振架將振動(dòng)傳感器緊緊的與被測(cè)機(jī)組殼體剛性連接。測(cè)試過(guò)程中，振動(dòng)傳感器采集潛油電泵振動(dòng)狀態(tài)并存儲(chǔ)；當(dāng)測(cè)試結(jié)束機(jī)組提升至地面，傳感器通過(guò)Zigbee無(wú)線信號(hào)將振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線接收模塊。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，并通過(guò)RS232總線發(fā)送給上位機(jī)。

上位機(jī)對(duì)輸入振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析。

1.1 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器主要由加速度計(jì)、CC2530無(wú)線微控制器、電源模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于空間體積的限制，傳感器采用集成化設(shè)計(jì)，滿足性能要求的同時(shí)減少器件，縮小體積。加速度計(jì)采用ADI公司的三軸加速度計(jì)ADXL345，是基于iMEMS技術(shù)的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器，±2g～±16g可變的測(cè)量范圍，內(nèi)帶緩存，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)并降低了系統(tǒng)功耗。具有較高的頻響、分辨率、靈敏度、3mm×5mm×1mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標(biāo)準(zhǔn)的IIC或SPI數(shù)字接口。無(wú)線微控制器采用TI公司CC2530F256模塊，具有256kB的Flash閃存，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，支持2.4GHz、IEEE 802.15.4協(xié)議可直接在模塊內(nèi)進(jìn)行編程開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送。電源模塊采用3.7V/80mAh聚合物充電電池，具有體積小、重量輕、可充電的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，可直接為加速度計(jì)及無(wú)線微控制器提供合適電壓，無(wú)需電源電路設(shè)計(jì)。

1.2 無(wú)線接收模塊

無(wú)線接收模塊主要由無(wú)線收發(fā)模塊、處理器、電源模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)線接收模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

處理器采用ST公司STM32F103微控制器，其采用32位Cortex-M3內(nèi)核，512k的Flash ROM，最 高72MHz運(yùn)算頻率，擁有3個(gè)UART接口，滿足大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理與傳輸?shù)男枰?/p>

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)傳感器程序設(shè)計(jì)

潛油電泵機(jī)組在振動(dòng)測(cè)試時(shí)，整個(gè)機(jī)組浸沒于水下，采集數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)Zigbee無(wú)線信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，因此振動(dòng)傳感器采用“異步工作方式”，即數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸分時(shí)進(jìn)行。在機(jī)組測(cè)試時(shí)，傳感器先采集并記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)，待測(cè)試結(jié)束機(jī)組提出測(cè)試井后，傳感器再將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)。振動(dòng)傳感器程序流程如圖4所示。CC2530F256有五種工作模式。分別為主動(dòng)模式、空閑模式、PM1、PM2、PM3。為了減少能耗，傳感器采用PM3外部中斷喚醒模式。在硬件設(shè)計(jì)上設(shè)有微動(dòng)開關(guān)，當(dāng)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端夾緊潛油電機(jī)外殼時(shí)，微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出外部中斷喚醒信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線微控制器功能喚醒。

圖4 振動(dòng)傳感器程序流程圖

2.2 無(wú)線接收模塊程序設(shè)計(jì)

無(wú)線接收模塊程序流程如圖5所示。整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用“星型網(wǎng)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，無(wú)線接收模塊會(huì)在周圍空間建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感器掃描到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，向協(xié)調(diào)器提出連接請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器會(huì)根據(jù)情況決定是否允許其連接。節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會(huì)分配給節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，發(fā)送數(shù)據(jù)傳送命令，節(jié)點(diǎn)接收到傳送命令后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。協(xié)調(diào)器將接收到的信息整理后，通過(guò)RS232總線接口上傳至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示及分析。

圖5 無(wú)線接收模塊程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

整個(gè)系統(tǒng)在大慶市某試驗(yàn)井進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)機(jī)組為全新QN130型潛油電泵、YQY138-140D型潛油電機(jī)。振動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端如圖1所示卡在電機(jī)表面上，測(cè)試電機(jī)振動(dòng)情況。電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為15min，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明：基于CC2530設(shè)計(jì)的無(wú)線振動(dòng)傳感器能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集潛油電泵機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)，并自動(dòng)與無(wú)線接收模塊進(jìn)行組網(wǎng)，快速、準(zhǔn)確的將采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛油電泵機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的顯示、存儲(chǔ)與評(píng)價(jià)。此外，在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的安裝、下井、測(cè)試結(jié)束后的起井，數(shù)據(jù)采集終端的拆卸等過(guò)程中，無(wú)需考慮對(duì)信號(hào)電纜進(jìn)行整理和保護(hù)的問(wèn)題，大大提高了作業(yè)效率，避免由于信號(hào)電纜損壞等情況造成的系統(tǒng)故障，提高可靠性。該系統(tǒng)在容量擴(kuò)展方面也具有很大的靈活性和方便性。

表1 YQY143-140D型潛油電機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖6 潛油電機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了基于Zigbee的潛油電泵機(jī)組振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線接收模塊的硬件及軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明：該系統(tǒng)能夠有效的對(duì)潛油電泵機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行信息采集、傳輸、顯示與數(shù)據(jù)分析。與傳統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)相比，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)精度，測(cè)試作業(yè)效率及測(cè)試系統(tǒng)可靠性，同時(shí)系統(tǒng)在容量擴(kuò)展方面也更加靈活和方便。