于志賢YU Zhi-xian

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，淄博 255000）

0 引言

有桿抽油機(jī)是國(guó)內(nèi)外各大油田原油生產(chǎn)主要設(shè)備，能耗在油田生產(chǎn)成本中占比較大。抽油機(jī)不平衡會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，降低連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電機(jī)效率與壽命，保持抽油機(jī)平衡是保證抽油機(jī)安全高效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，而平衡度精準(zhǔn)測(cè)量是調(diào)節(jié)平衡重要參考和依據(jù)，國(guó)內(nèi)各油田每年需數(shù)千萬(wàn)次平衡測(cè)試和數(shù)十萬(wàn)井次平衡調(diào)整工作，平衡度測(cè)量受到各大油田的高度重視，而油田現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的傳統(tǒng)方法如觀察法、扭矩法、測(cè)時(shí)法、電流法、功率法等存在測(cè)量精度差，攜帶不便，操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。以廣泛使用鉗形電流表測(cè)平衡度方法為例說(shuō)明常規(guī)方法的不足，該法通過(guò)一個(gè)鉗形電流表觀察比較抽油機(jī)上下沖程電流，在觀察過(guò)程中，取抽油機(jī)上沖程電流最大值與抽油機(jī)下沖程電流最大值，并計(jì)算兩個(gè)最大值的比值作為抽油機(jī)平衡度，該方法除了肉眼觀察最大電流值存在的延遲誤差外，還未充分考慮抽油機(jī)不平衡時(shí)的倒發(fā)電電流，極易對(duì)抽油機(jī)的平衡狀態(tài)進(jìn)行誤判，簡(jiǎn)單的電流法測(cè)量平衡度是現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)應(yīng)用方法測(cè)量平衡度準(zhǔn)確度不足的典型代表。

針對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)平衡度測(cè)試方法普遍存在的缺點(diǎn)，以及油田現(xiàn)場(chǎng)職工專業(yè)技術(shù)水平參差不齊、喜歡簡(jiǎn)單易操作的特點(diǎn)，本文研制了一種基于電能計(jì)量芯片ADE7755及加速度傳感器模塊的便攜式平衡度測(cè)試儀。測(cè)試儀采用TI 公司的MSP430F1611 作為控制芯片，為簡(jiǎn)化油田現(xiàn)場(chǎng)電路連接，在電能計(jì)量環(huán)節(jié)采用ADE7755 單相電能計(jì)量芯片計(jì)量電能，ADE7755 采集三相對(duì)稱運(yùn)行的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)某一相繞組的電壓、電流，經(jīng)芯片內(nèi)部處理運(yùn)算轉(zhuǎn)換成有功功率，并以高頻脈沖形式輸出，系統(tǒng)利用加速度傳感器和無(wú)線通信技術(shù)檢測(cè)抽油機(jī)上下止點(diǎn)位置，從而實(shí)現(xiàn)基于電能法的抽油機(jī)平衡度精確簡(jiǎn)便的測(cè)量。

1 電能法測(cè)量抽油機(jī)平衡度的原理

平衡度測(cè)試儀系統(tǒng)通過(guò)電能計(jì)量模塊ADE7755 與相應(yīng)的輔助電路配合計(jì)算抽油機(jī)上下沖程各自耗能總量，并用抽油機(jī)光桿上下沖程消耗電能之比計(jì)算得到抽油機(jī)平衡度。如圖1 所示，向上的箭頭表示抽油機(jī)光桿上行的過(guò)程，向下的箭頭表示抽油機(jī)光桿下行的過(guò)程，上下兩個(gè)水平的虛線分別表示上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的位置，W下1、W下2分別表示一個(gè)沖次中，抽油桿第一次到達(dá)下止點(diǎn)和第二次下止點(diǎn)時(shí)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所消耗的電能值，W上分別表示一個(gè)沖次中抽油桿到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所消耗的電能值。

圖1 抽油機(jī)上下沖程示意圖

那么根據(jù)式（1）即可算得抽油機(jī)的電能法平衡度：

2 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖及原理

抽油機(jī)平衡度測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，系統(tǒng)主要由兩個(gè)模塊（虛線框）組成，分別為抽油桿上下止點(diǎn)檢測(cè)模塊及電能計(jì)量主模塊。

圖2 抽油機(jī)平衡度測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖

抽油桿上下止點(diǎn)檢測(cè)模塊由加速度傳感器ADXL345、MSP430F1611 從機(jī)、Nrf24L01 無(wú)線模塊及相應(yīng)的輔助電路組成，通過(guò)無(wú)線傳感器及加速度傳感器檢測(cè)上下止點(diǎn)的方式，該方式可避免傳統(tǒng)方法如拉線電位傳感器易損壞的缺點(diǎn)，可以長(zhǎng)期便捷使用，通過(guò)無(wú)線傳輸，提高井場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)合安全性。

抽油桿上下止點(diǎn)檢測(cè)模塊通過(guò)5V，3000mAh 鋰電池供電，nRF24L01 無(wú)線通信芯片是由NORDIC 生產(chǎn)的工作在2.4-2.5GHz 的ISM 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器。當(dāng)該模塊工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時(shí)電流消耗為9.0mA，工作在接收模式時(shí)電流消耗為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。測(cè)量時(shí)該部分電路模塊通過(guò)磁鐵吸附在抽油桿上端，并隨抽油桿做上下運(yùn)動(dòng)，可以精準(zhǔn)檢測(cè)抽油桿在一個(gè)沖程周期的上下止點(diǎn)位置。MSP430 F1611 從機(jī)根據(jù)加速度傳感器ADXL345 實(shí)時(shí)采集的加速度信號(hào)，計(jì)算抽油機(jī)的上下止點(diǎn)，因?yàn)樵谏舷轮裹c(diǎn)抽油機(jī)換向，檢測(cè)得到的加速度會(huì)明顯變化，Nrf24L01 無(wú)線發(fā)送模塊負(fù)責(zé)將MSP430F1611 從機(jī)檢測(cè)得到的上下止點(diǎn)時(shí)刻發(fā)送至MSP430F1611 主機(jī)，并引發(fā)主機(jī)發(fā)生上下止點(diǎn)中斷。

電能計(jì)量主模塊由鉗形電流互感器、電壓鱷魚(yú)嘴探頭、ADE7755 電路、Nrf24L01 無(wú)線接收模塊、MSP430F1611主機(jī)及液晶顯示電路等部分組成，因?qū)嶋H應(yīng)用中，抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相負(fù)載基本對(duì)稱，為節(jié)省成本，減少接線復(fù)雜度，且便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作，本測(cè)試儀只需測(cè)量三相電能中的某一相電能即可，只用一個(gè)電流變比為100:5 的鉗形電流探頭檢測(cè)三相中的某一相電流，同時(shí)采用兩個(gè)電壓鱷魚(yú)嘴探頭測(cè)量某一相電壓，其中一個(gè)電壓探頭夾在鉗形電流表所測(cè)相，而另一電壓探頭夾在三相電源中性點(diǎn)。

ADE7755 是一種單相電能高精度計(jì)量集成電路，常用于單相電表系統(tǒng)，其準(zhǔn)確度要求達(dá)到IEC1036 規(guī)定，能夠滿足抽油機(jī)電機(jī)消耗電能的計(jì)量精度要求。ADE7755電能計(jì)量模塊根據(jù)電壓、電流探頭檢測(cè)到的電壓、電流信號(hào)，計(jì)算抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)消耗的某一相電能并進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并將代表電能消耗數(shù)量的高頻脈沖傳送給MSP430F1611 主機(jī)，MSP430F1611 主機(jī)一方面通過(guò)Nrf24L01 無(wú)線接收模塊確定抽油機(jī)上下止點(diǎn)的時(shí)刻及位置，另一方面對(duì)ADE7755 發(fā)出的電能計(jì)量高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在一個(gè)沖次中從第一次下止點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)到上止點(diǎn)結(jié)束，是上沖程；從上止點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)到第二次下止點(diǎn)結(jié)束，是下沖程，將上沖程計(jì)數(shù)值與下沖程計(jì)數(shù)值比較即得到抽油機(jī)的電能法平衡度。

3 上下止點(diǎn)檢測(cè)模塊原理

抽油機(jī)光桿上下止點(diǎn)的位置通過(guò)低功耗三軸加速度傳感器ADXL345 檢測(cè)得到，三軸加速度傳感器ADXL345芯片管腳分布及電路連接圖如圖3 所示，該型傳感器分辨率為13 位，芯片共有14 個(gè)管腳，其供電電壓為5 伏或者3.3 伏，ADXL345 模塊具有較高的負(fù)載響應(yīng)速度，同時(shí)還具有較好的抗噪聲干擾性能，能夠適合井場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下使用，其角速度測(cè)量范圍為±16g，輸出格式為16 位的二進(jìn)制補(bǔ)碼，加速度傳感器ADXL345 模塊與MSP430F1611從機(jī)通過(guò)IIC 接口方式進(jìn)行通信。加速度檢測(cè)模塊安裝于抽油機(jī)光桿最上端，當(dāng)抽油機(jī)光桿運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)或者下止點(diǎn)時(shí)，加速度模塊檢測(cè)到抽油機(jī)光桿在垂直方向加速度發(fā)生方向改變，首先將信號(hào)發(fā)送至從機(jī)，再通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送至主機(jī)模塊，從而為抽油機(jī)平衡度計(jì)算提供上下止點(diǎn)位置信號(hào)的依據(jù)。

圖3 ADXL345 芯片管腳分布及電路連接圖

4 抽油機(jī)平衡度系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)

抽油機(jī)平衡度測(cè)試儀軟件流程圖如圖4 所示，平衡度測(cè)試儀控制程序包括三個(gè)部分，分別為主機(jī)主程序、從機(jī)程序及主機(jī)上下止點(diǎn)中斷服務(wù)子程序，從機(jī)程序?qū)ξ⑻幚頇C(jī)及ADXL345 初始化后，進(jìn)入接受主機(jī)MSP430F1611 就緒指令狀態(tài)，如果主機(jī)就緒，ADXL345 開(kāi)始檢測(cè)抽油桿加速度，并實(shí)時(shí)的判斷當(dāng)前是否為上止點(diǎn)或下止點(diǎn)，如果檢測(cè)到上下止點(diǎn)信號(hào)，從機(jī)實(shí)時(shí)向主機(jī)發(fā)送上下止點(diǎn)中斷指令。

圖4 平衡度測(cè)試儀軟件流程圖

主機(jī)程序的工作流程是初始化完成后，通過(guò)無(wú)線通信模塊向從機(jī)發(fā)送系統(tǒng)就緒指令，然后對(duì)電能計(jì)量芯片ADE7755 所發(fā)的高頻電能計(jì)量脈沖進(jìn)行不間斷計(jì)數(shù)，在對(duì)高頻電能計(jì)量脈沖計(jì)數(shù)期間，當(dāng)從機(jī)發(fā)出上下止點(diǎn)中斷指令時(shí)，主機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，讀取此時(shí)對(duì)應(yīng)的電能計(jì)量脈沖累計(jì)數(shù)值，并將其換算成對(duì)應(yīng)的電能，同時(shí)判斷上下止點(diǎn)中斷是否發(fā)生3 次，當(dāng)中斷次數(shù)大于3 次說(shuō)明抽油機(jī)的光桿已經(jīng)走完一個(gè)完整的沖程，否則系統(tǒng)繼續(xù)保持測(cè)量狀態(tài)，在中斷服務(wù)子程序中分別計(jì)算抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上沖程及下沖程消耗電能，并根據(jù)上文中的式（1）中的電能法原理計(jì)算抽油機(jī)平衡度，計(jì)算得到的抽油機(jī)平衡度通過(guò)液晶顯示屏顯示，現(xiàn)場(chǎng)人員可以根據(jù)測(cè)得的抽油機(jī)平衡度對(duì)抽油機(jī)的平衡塊位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使得抽油機(jī)運(yùn)行在平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種接線快捷簡(jiǎn)單、攜帶方便、測(cè)量準(zhǔn)確的抽油機(jī)電機(jī)上下沖程能耗檢測(cè)方法及其電路，整個(gè)系統(tǒng)由抽油桿上下止點(diǎn)檢測(cè)模塊與電能計(jì)量主模塊兩部分組成，利用加速度傳感器和無(wú)線通信技術(shù)的抽油機(jī)上下止點(diǎn)檢測(cè)模塊配合，采用單相電能計(jì)量芯片搭建電能測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)三相電能測(cè)量，大大簡(jiǎn)化測(cè)量電路及操作步驟，系統(tǒng)只需要通過(guò)2 個(gè)鱷魚(yú)夾測(cè)量三相電機(jī)系統(tǒng)的某一相電壓，1個(gè)鉗形電流互感器測(cè)量一相交流電流，并記錄抽油機(jī)上下沖程各自耗能的總量，并用上下沖程消耗電能之比，計(jì)算抽油機(jī)平衡度，反應(yīng)抽油機(jī)的真實(shí)工況，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)抽油機(jī)是否存在明顯的倒發(fā)電現(xiàn)象，為油田現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)提供充分的指導(dǎo)依據(jù)，利用所測(cè)平衡度，調(diào)節(jié)平衡度達(dá)95%以上，與不平衡的抽油機(jī)相比，每天每臺(tái)節(jié)約20 度左右，降低抽油機(jī)事故率，延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間。