基于無線傳感器網(wǎng)絡的抽油機監(jiān)控實驗平臺

陳鴻龍，涂 玲，孫 良，鄧曉剛

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580）

無線傳感器網(wǎng)絡［1］被美國商業(yè)周刊列為21世紀最有影響的技術(shù)之一，麻省理工學院技術(shù)評論將其列為改變世界的10大技術(shù)之一。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡的研究也得到了國內(nèi)學者們的高度重視并取得了許多研究成果和應用［2－4］。作為一種全新的信息獲取與處理模式，無線傳感器網(wǎng)絡主要負責數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸3種功能，能夠為許多無人值守和條件惡劣的長期監(jiān)測應用（如石油石化過程監(jiān)測［5］、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控［6］和戰(zhàn)場監(jiān)視［7］等）提供有效的解決方案。

抽油機［8］俗稱“磕頭機”，是現(xiàn)在最常用的開采石油的機器設備之一，主要是通過加壓的辦法使石油出井。抽油機的正常運轉(zhuǎn)是保障原油產(chǎn)量穩(wěn)步增長的前提條件之一。然而，抽油機通常是分布在野外環(huán)境中，其運行狀態(tài)的監(jiān)控比較復雜，面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是當出現(xiàn)故障時，如果不能及時有效地檢測并將之排除，很可能會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至會對環(huán)境帶來嚴重的破壞。

本文所設計的實驗平臺［9－10］將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用到抽油機的監(jiān)控過程中，實現(xiàn)對抽油機的電機轉(zhuǎn)速和抽油機運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控。該實驗平臺有助于石油院校的自動化和測控等相關(guān)專業(yè)的學生深入學習和理解無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)在石油領(lǐng)域中的應用和設計方法，有助于學生掌握抽油機的工作原理，有利于培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力［11］，使學生能夠更快地適應將來的工作環(huán)境。

1 游梁式抽油機的工作原理

游梁式抽油機主要是由4個部分組成，即游梁部分、支架部分、減速器部分和配電部分，如圖1所示。游梁部分包括驢頭、游梁、橫梁、尾梁、連桿和平衡板；支架部分包括中央軸承座、工作梯、護圈、操作臺和支架；減速器部分包括底座、減速器筒座、減速器、曲柄、配重塊和剎車等部件；配電部分包括電機座、電機和配電箱等。

圖1 游梁式抽油機的結(jié)構(gòu)

在采油過程中，電機將其高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞給減速箱的輸入軸，經(jīng)中間軸后帶動輸出軸，輸出軸帶動曲柄作低速旋轉(zhuǎn)運動。曲柄通過連桿經(jīng)橫梁拉著游梁后臂（或前臂）擺動（或者是連桿直接拉著游梁后臂），游梁的前段裝有驢頭，活塞以上液柱及抽油桿柱等載荷均通過懸繩器懸掛在驢頭上。驢頭隨同游梁一起上下擺動，游梁和驢頭便帶動活塞作上下的往復運動，即可將原油抽出井筒。

抽油機運行過程中，要對其電機轉(zhuǎn)速進行控制，使得轉(zhuǎn)速保持在一定的范圍之內(nèi)，確保抽油機能夠連續(xù)穩(wěn)定地工作。因此，電機轉(zhuǎn)速控制是抽油機正常工作所需要解決的問題之一。

同時，在抽油機運行過程中，游梁驢頭會帶動懸繩器以下的裝置作上下的往復運動，在這一傳遞動力的過程中，抽油桿的載荷因抽油桿的位置不同而不同。抽油機的載荷主要包括抽油桿本身重量、油管內(nèi)柱塞以上液柱重量，以及柱塞與泵筒和襯套、抽油桿與油管、抽油桿與液柱、油管與液柱之間的摩擦力，抽油桿與液柱的慣性力，由于抽油桿的彈性而引起的振動力以及由于液體和活塞運動不一致或泵未充滿等原因引起的沖擊載荷。抽油機懸點載荷與懸點位移之間的關(guān)系曲線稱之為示功圖［12］，示功圖能夠有效地反應抽油機、抽油桿和抽油泵的工作狀況。在理想情況下，即在油管無漏失、泵工作正常、油層供液能力充足、泵能夠完全充滿等條件下，抽油機的示功圖近似于平行四邊形。然而，當裝置出現(xiàn)異常時，例如油管漏失，抽油機的示功圖的形狀將有會發(fā)生變化。因此，通過對抽油機示功圖的實時監(jiān)測即可監(jiān)測抽油機的運行狀態(tài)。

2 實驗平臺設計

本文所設計的抽油機監(jiān)控實驗平臺總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括抽油機模型、PLC（Modicon M340）［13］、無線傳感器節(jié)點和上位機4部分。在該實驗平臺中，為了節(jié)省硬件資源，只采用了2個無線傳感器節(jié)點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的多跳傳輸。在實際的抽油機監(jiān)控系統(tǒng)中，可以根據(jù)具體要求增加無線傳感器節(jié)點個數(shù)。

圖2 抽油機監(jiān)控實驗平臺總體結(jié)構(gòu)示意圖

在我校的施耐德電氣聯(lián)合實驗室中配備了6套抽油機模型和Modicon M340，如圖3所示。抽油機模型上裝有3個傳感器（電機轉(zhuǎn)速傳感器、載荷傳感器和位移傳感器）和一個變頻器。Modicon M340是施耐德電氣公司生產(chǎn)的一款高性能中型PLC，具有功能強勁、結(jié)構(gòu)緊湊、超大內(nèi)存、擁有多種專用功能等特點，其中，CPU模塊集成了USB口并且內(nèi)置2個通信接口，為其和無線傳感器節(jié)點的連接提供便利。Modicon M340通過模擬量輸入通道對抽油機模型的3個傳感器的數(shù)據(jù)進行采集，即可獲得電機轉(zhuǎn)速、載荷和位移3個參數(shù)；同時，Modicon M340通過數(shù)字量輸出通道將控制量輸出給變頻器，通過控制變頻器的輸出頻率來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。

上位機用帶有UART接口的普通電腦即可。Imote2無線傳感器節(jié)點實物見圖4，是Crossbow公司開發(fā)的新一代無線傳感器節(jié)點，采用了Marvell PXA271 XScale處理器，集成了IEEE 802.15.4協(xié)議以及2.4GHz天線，并且擁有包括 USB，I2C和UART等豐富的串口資源。在該實驗平臺中，1＃Imote2節(jié)點與Modicon M340通過USB接口建立連接（見圖2），可實現(xiàn)雙向通信。1＃Imote2節(jié)點和2＃Imote2節(jié)點之間可以采用無線通信方式實現(xiàn)短距離通信和交換數(shù)據(jù)。2＃Imote2節(jié)點與上位機之間通過UART接口實現(xiàn)雙向通信。在作者所主持的國家自然科學基金和山東省自然科學基金的支持下，目前實驗室已擁有Imote2節(jié)點及其開發(fā)套件10套。

圖3 抽油機模型和Modicon M340實物圖

圖4 Imote2無線傳感器節(jié)點實物圖

本文所設計的抽油機監(jiān)控實驗平臺的工作過程如下：Modicon M340通過模擬量輸入口采集抽油機模型的電機轉(zhuǎn)速、載荷和位移3個傳感器的數(shù)據(jù)，電機轉(zhuǎn)速參數(shù)作為Modicon M340本地的PID控制器的測量值，用于對抽油機電機轉(zhuǎn)速的控制。Modicon M340通過USB接口將采集到的3個參數(shù)值實時傳輸給1＃Imote2節(jié)點；1＃Imote2節(jié)點通過無線通信方式將接收到的3個參數(shù)值發(fā)送給2＃Imote2節(jié)點；2＃Imote2節(jié)點通過UART接口將接收到的3個參數(shù)值發(fā)送給上位機；上位機利用接收到的載荷和位移值在線繪制示功圖，根據(jù)示功圖分析抽油機的運行狀態(tài)，并判斷是否需要調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，若需要調(diào)整，則將電機轉(zhuǎn)速的給定值通過UART接口發(fā)送給2＃Imote2節(jié)點；2＃Imote2節(jié)點將接收到的給定值通過無線通信方式發(fā)送給1＃Imote2節(jié)點；1＃Imote2節(jié)點通過USB接口將電機轉(zhuǎn)速給定值發(fā)送給Modicon M340；Modicon M340將接收到的值作為PID控制器的給定值，PID控制器的輸出通過數(shù)字量輸出通道輸出給變頻器，通過控制電機的頻率來控制抽油機的電機轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語

本文以石油院校的專業(yè)特色為出發(fā)點，設計了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡的抽油機監(jiān)控實驗平臺。該實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對抽油機的運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控，并且遠程控制抽油機的電機轉(zhuǎn)速，整個實驗內(nèi)容涵蓋了抽油機的電機轉(zhuǎn)速、載荷和位移等信息的采集、數(shù)據(jù)傳輸（包括USB，UART串口通信和無線通信）、抽油機示功圖的在線繪制以及電機轉(zhuǎn)速的控制。該實驗平臺有助于石油院校的自動化和測控等相關(guān)專業(yè)的學生深入了解采油的基本過程，有助于培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，使他們將來能夠更好地勝任石油領(lǐng)域的相關(guān)工作。

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