嵌入式螺桿泵工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
徐軍，趙雪飛，張飛劍，王洪軍
哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）
摘 要：針對(duì)螺桿泵的電參數(shù)測(cè)量特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了基于雙單片機(jī)的螺桿泵工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)螺桿泵電機(jī)的相關(guān)電參數(shù)并結(jié)合電機(jī)的內(nèi)部損耗，準(zhǔn)確地計(jì)算出螺桿泵的光桿扭矩和轉(zhuǎn)速，從而對(duì)油井的工作狀況做出正確判斷。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)采集、存儲(chǔ)和人機(jī)交互等必要的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)部分給出了程序流程圖，并對(duì)參數(shù)校準(zhǔn)和通信部分進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，同時(shí)設(shè)計(jì)出上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及故障診斷軟件一所提出的系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于油田，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺桿泵工況的監(jiān)測(cè)，保證了采油系統(tǒng)的高效運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；螺桿泵；電參數(shù)測(cè)量；故障監(jiān)測(cè)
中圖分類號(hào)：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1、引言
在現(xiàn)代的石油工業(yè)中，螺桿泵采油系統(tǒng)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。油井內(nèi)的工作環(huán)境復(fù)雜，抽油管斷脫、油管漏失、泵漏失、卡泵等故障時(shí)有發(fā)生，為了減少或避免以上情況，對(duì)螺桿泵工作狀況的監(jiān)測(cè)就顯得非常必要。
目前，國內(nèi)外在螺桿泵工況監(jiān)測(cè)及故障診斷方面主要采用生產(chǎn)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)診斷法、光桿受力測(cè)試診斷法、電參數(shù)測(cè)試診斷法。生產(chǎn)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)診斷法簡(jiǎn)單參數(shù)容易采集，但不能做到定量分析，診斷不夠準(zhǔn)確。光桿受力測(cè)試診斷法，判斷準(zhǔn)確，但傳感器的安裝繁瑣且需要停機(jī)。電參數(shù)測(cè)試診斷法是一種新興的定量診斷技術(shù)，通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)螺桿泵電機(jī)的相關(guān)電參數(shù)并結(jié)合電機(jī)的內(nèi)部損耗，準(zhǔn)確地計(jì)算出螺桿泵的光桿扭矩和轉(zhuǎn)速，從而對(duì)油井的工作況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
本文針對(duì)電參數(shù)測(cè)試診斷法設(shè)計(jì)了基于嵌入式的螺桿泵電機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，以嵌入式微處理器和三相電能專用計(jì)量芯片為核心的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分，完成對(duì)螺桿泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電壓、電抗、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在sd卡中；通過讀卡器鏈接到pc機(jī)上，通過pc機(jī)的輔助軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地分析及處理，進(jìn)而對(duì)螺桿泵呆油系統(tǒng)的運(yùn)行狀況做出評(píng)估與診斷。
2 系統(tǒng)的硬件總體方案設(shè)計(jì)
考慮到電參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分需要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，既需要完成電參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，又需要提供實(shí)時(shí)的人機(jī)交互界面，這樣一來若采用一片單片機(jī)，資源會(huì)比較緊張，而采用更高性能的處理器不僅成本高，而且又浪費(fèi)了其有效的資源，綜上考慮，本系統(tǒng)采用雙單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。
來自電機(jī)的三相電壓和電流信號(hào)首先經(jīng)過互感器轉(zhuǎn)分別換成電壓和電流差動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，輸入到ati7022b芯片，芯片進(jìn)行采樣、a/d轉(zhuǎn)換、計(jì)算和存儲(chǔ)。其中，stc12c5410ad通過與att7022b進(jìn)行spi通信讀取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)按照一定的格式進(jìn)行整合，通過串行通訊發(fā)送到stc12c5a60s2．在數(shù)據(jù)中加入實(shí)時(shí)的時(shí)間的信息，最后存儲(chǔ)到sd卡中，同時(shí)在lcd液晶顯示器上以菜單和數(shù)據(jù)列表的形式，配合相應(yīng)的按鍵操作完成各參數(shù)的設(shè)置與顯示。
1)采集模塊的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的電參數(shù)的測(cè)量大多直接采用a/d對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，通過軟件實(shí)現(xiàn)其他的電能參數(shù)的計(jì)算。這種方式cpu計(jì)算量大、外圍電路復(fù)雜，實(shí)時(shí)性不好。本系統(tǒng)采用ait7022b芯片來取代以往的方式。att7022b是一款集16位adc與24位dsp處理器于一體的高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性三相電能專用計(jì)量芯片，在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1 000:1)內(nèi)，非線性誤差小于百分之0．1。內(nèi)部集成了7路二階sigma-deltaadc、參考電壓電路及數(shù)字信號(hào)處理等電路，能測(cè)量各相以及合相的有功、無功和視在功率、有功和無功能量，還能測(cè)量各相的電壓、電流有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。采集模塊的設(shè)計(jì)圍繞att7022b主要包含前置的電壓電流輸入通道和att7022b的外圍電路。
其中，vip /viiy，v3p /v3n，v5p /v5n分別為ll相，l2,相，l3相電流信道的差動(dòng)輸入端，v2p /v2n．v4p /v4n，v6p /v6n分另i為l1相、12相、l3相電壓信道的差動(dòng)輸入端 |
