周建龍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

海上油田是全球能源供應(yīng)的重要來源之一，而潛油電泵作為海上油井生產(chǎn)的核心設(shè)備，其穩(wěn)定運行對于海上油田的產(chǎn)量和效益至關(guān)重要。然而，由于海上環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣條件，海上潛油電泵的故障率較高，可能存在各種故障，如泵軸承損壞、電纜短路等，給生產(chǎn)和維護帶來了挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種高效可靠的海上潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。

傳統(tǒng)的海上潛油電泵監(jiān)測方法通常依賴于人工巡檢或周期性維護，既耗時又昂貴，并且存在一定的安全風(fēng)險。而本文提出的系統(tǒng)通過自動化采集和分析，能夠有效降低運維成本，并提高生產(chǎn)安全性。潛油電泵的電流信號包含了大量有價值的運行狀態(tài)信息，通過對采集的電流數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以判斷潛油電泵是否存在故障，并提供相應(yīng)的故障診斷結(jié)果。這有助于提前預(yù)警和排除潛在故障，減少停產(chǎn)時間和維修成本[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于工業(yè)樹莓派平臺設(shè)計并搭建了一個高速電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先，通過連接變頻器和潛油電泵獲取電流信號數(shù)據(jù)；然后，將工業(yè)樹莓派與MCC118板連接，實現(xiàn)對電流數(shù)據(jù)的高速采集；最后，使用Pyqtgraph庫進行數(shù)據(jù)可視化，將實時采集到的電流信號動態(tài)顯示在樹莓派屏幕上。

系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 高速電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

1.1 工業(yè)樹莓派

CM4 Industrial是一款基于Raspberry Pi Compute Module 4設(shè)計的工業(yè)嵌入式計算機[2]。它提供多種工業(yè)通信接口和功能，如多路RS232、RS485，多路高精度ADC，隔離IO輸入，繼電器控制，電池備份的實時時鐘，告警蜂鳴器；同時，它也提供了強大的通信能力和穩(wěn)定性，所以選擇CM4為高速電流數(shù)據(jù)采集的嵌入式平臺。

1.2 MCC118

MCC118是一款由Measurement Computing公司生產(chǎn)的高精度16位8通道模擬輸入數(shù)據(jù)采集卡。MCC118具有高達(dá)100 kS/s的采樣率，并支持多種測量范圍（從±10 mV到±10 V不等），應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，例如工業(yè)自動化、實驗室測試以及生命科學(xué)研究。因此，在本研究中使用MCC118作為數(shù)據(jù)采集的媒介。

1.3 InfluxDB

InfluxDB[3]是一個開源的分布式時序數(shù)據(jù)庫，專門用于存儲和查詢時間序列數(shù)據(jù)。它支持高效的寫入和查詢操作，并且可以擴展到多個節(jié)點以提高可用性和性能。

InfluxDB作為最常采用的時序數(shù)據(jù)庫，具有以下優(yōu)點：1）內(nèi)置HTTP API，使用方便；2）使用類SQL語法，數(shù)據(jù)查詢便捷；3）自帶管理界面，管理很簡單，并且讀寫效率高。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗驗證

高速電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括變頻器、潛油電泵、樹莓派、MCC118模塊和霍爾傳感器等，軟件部分包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和可視化展示等。

2.1 硬件連接

進行潛油電泵高速電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗驗證前，需要進行硬件連接。在負(fù)載實驗室中進行硬件連接，使用負(fù)載電機代替潛油電泵使用，以保證系統(tǒng)的正常實現(xiàn)；確保樹莓派、MCC118模塊、變頻器和電機都得到適當(dāng)?shù)碾娫垂?yīng)，以避免損壞硬件設(shè)備。首先，將MCC118模塊插入樹莓派上的GPIO引腳，確保插入方向正確并連接穩(wěn)固；其次，在變頻器上電前，需要連接變頻器輸出電纜和負(fù)載電機，確保連接正確無誤，以保證變頻器的正常運行；最后，在變頻器負(fù)載處添加霍爾電流傳感器，用于獲取井下機組三相電流數(shù)據(jù)。

圖2為霍爾電流傳感器安裝圖。

圖2 霍爾電流傳感器安裝圖

霍爾電流傳感器主要用于實時監(jiān)測電機的電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，通過這些信號可以實現(xiàn)電機的保護和控制。將霍爾電流傳感器的輸出端口與MCC118模塊的輸入端口相連，并根據(jù)電流傳感器和MCC118模塊的要求確認(rèn)連接方式。

2.2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

在Python編程語言的基礎(chǔ)上，建立多線程方式，分別為讀和寫兩個進程。結(jié)合樹莓派和MCC118采集高速電流數(shù)據(jù)，并實時存儲到InfluxDB數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)使用。

2.2.1 MCC118數(shù)據(jù)采集

三相電流數(shù)據(jù)通過MCC118電路板實現(xiàn)采集，首先，需對工業(yè)樹莓派和MCC118進行相關(guān)依賴庫的安裝與初始化，建立與模塊的通信連接；其次，通過設(shè)置采樣率、采樣通道、數(shù)據(jù)精度等參數(shù)，滿足潛油電泵電流信號采集的需求；最后，在一個循環(huán)中，以合適的時間間隔讀取MCC118模塊采集到的數(shù)據(jù)，并存儲到內(nèi)存中。

MCC118數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)如下：

board=mcc118(0)

board.a_in_scan_start(0x07,1,2500.0,OptionFlags.CONTINUOUS)

其中， “0x07” 為通道0、1、2三通道編碼。

2.2.2 高速電流數(shù)據(jù)存儲

通過MCC118電路板采集電流數(shù)據(jù)之后，使用Python的數(shù)據(jù)處理庫對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并實時存儲到InfluxDB時序數(shù)據(jù)庫中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)量和采樣率等因素，調(diào)整數(shù)據(jù)庫的配置以支持1 000次/s的存儲速率[4]。

InfluxDB數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲程序如下：

client = InfluxDBClient('localhost',8086,'admin','admin')

client.switch_database(InfluxDB_dbname)

client.write_points(json_body)

其中， “InfluxDB_dbname” 為數(shù)據(jù)庫名， “json_body” 為采集到的高速電流數(shù)據(jù)。

圖3為InfluxDB數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲過程圖，存儲數(shù)據(jù)均為毫秒級數(shù)據(jù)。

圖3 InfluxDB數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲

將采集到的數(shù)據(jù)實時存儲到InfluxDB數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)測試，數(shù)據(jù)存儲量如表1所示。

表1 三相高速電流數(shù)據(jù)存儲量

由表1可以得出，三相高速電流數(shù)據(jù)采集速率為1 250次/s，完全達(dá)到1 000次/s的預(yù)期。

2.3 可視化展示

使用Pyqt5和Pyqtgraph庫[5]創(chuàng)建一個界面窗口，用于實時顯示電流信號的曲線圖。建立與數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸接口，將采集到的實時數(shù)據(jù)傳遞給Pyqtgraph庫，以便繪制曲線圖。使用信號和槽機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸接口建立完成后，可以使用Pyqtgraph庫內(nèi)置的plot方法繪圖工具，實現(xiàn)對電流信號曲線圖的實時更新。

三相高速電流數(shù)據(jù)采集如圖4所示。

圖4 三相高速電流數(shù)據(jù)展示圖

由于三相電流高速采集數(shù)據(jù)為瞬時值，為供后續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷使用，需轉(zhuǎn)為有效值使用，所以最終圖4為有效值顯示。從圖4可以看出，U、V、W三相上下幅度相差低于1 A，視為三相平衡。

電流瞬時值轉(zhuǎn)為有效值，使用Python中的numpy進行轉(zhuǎn)換，首先對三相電流樣本組進行平方值計算，然后計算平均值，最后開根號轉(zhuǎn)換為有效值。程序如下：

squared_values = np.square(current_samples)# 計算平方值

average_power = np.mean(squared_values)# 計算平均功率

rms_value=np.sqrt(average_power)#計算有效值

3 結(jié)束語

本研究基于CM4工業(yè)樹莓派搭建的潛油電泵高速電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較好的實時性和穩(wěn)定性，為電泵狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了有效手段。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于油田開采行業(yè)，提高電泵系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低維護成本。未來的研究可進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，提高采集速度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法進行電泵狀態(tài)智能診斷與預(yù)測。另外，還可將系統(tǒng)與云平臺相結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障預(yù)警分析，進一步提高電泵系統(tǒng)的監(jiān)測與維護效率。