基于STC單片機的抽油機便攜式工況分析儀

王金玉 侯士波 劉淄航 林雨晴

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830011)

基于STC單片機的抽油機便攜式工況分析儀

王金玉1侯士波1劉淄航2林雨晴1

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830011)

以STC12C5A系列單片機為核心設(shè)計了一個抽油機便攜式工況分析儀，給出了硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。分析儀通過電壓和電流互感器采集抽油機電參數(shù)，通過紅外光電反射式傳感器采集抽油機電機轉(zhuǎn)速，將采集到的數(shù)據(jù)通過曲線的形式在液晶屏顯示并保存到分析儀的存儲器上。同時分析儀通過計算給出平衡調(diào)整建議。此外，分析儀還可以通過串口與PC實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上。

工況分析儀 抽油機 STC單片機 數(shù)據(jù)通信

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，我國對石油的需求量在不斷攀升。盡管我國已發(fā)現(xiàn)的石油儲藏量達到四十多億噸，但我國石油開采量增加的速度仍然趕不上我國經(jīng)濟發(fā)展的速度，隨著內(nèi)地工業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)期我國對進口石油的依賴性會由40%增加至60%[1]。為此抽油機在油田上被廣泛應(yīng)用[2,3]。

目前，各個油田的采油工大都是采用鉗型電流表來測量抽油機電機電流的峰峰值，進而計算電流平衡比判斷抽油機是否處于平穩(wěn)正常的運行狀態(tài)。抽油機處于平衡狀態(tài)時其電流平衡比在85%～120%范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的鉗型電流表和測量儀器雖然能夠測出抽油機的電流平衡率，但是不能獲取抽油機在整個周期內(nèi)的精確電流參數(shù)，也就不能準確反映出抽油機的運行狀態(tài)[4]。因此，設(shè)計一款操作方便、測量準確、功能完善的抽油機便攜式工況分析儀對于油田節(jié)能降耗具有很好的實際應(yīng)用價值。

1 總體設(shè)計方案

基于STC12C5A單片機的抽油機便攜式工況分析儀的總體設(shè)計方案如圖1所示。其硬件電路由高性能的STC12C5A單片機控制器、電壓和電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電參數(shù)采集電路、鍵盤控制電路、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和人機接口電路組成。電壓和電流傳感器采集的電壓和電流信號經(jīng)過電量采集芯片轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的數(shù)字信號，單片機對采集到的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理和運算，送給LCD液晶屏顯示。LCD液晶屏顯示當前抽油機電機整個沖程內(nèi)的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的數(shù)值和曲線，通過數(shù)據(jù)存儲芯片實時存儲當前采集到的數(shù)據(jù)。同時，分析儀還可以給出具體的調(diào)整建議，當分析儀的數(shù)據(jù)存儲到一定量時，還可以通過USB串口通信電路，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C軟件中，以便匯總、保存和打印[5]。

圖1 抽油機便攜式工況分析儀總體設(shè)計方案

2 硬件部分

2.1主控模塊

抽油機便攜式工況分析儀的主控模塊采用STC12C5A系列單片機，該單片機為增強型8051CPU，單時鐘/機器周期1T，工作電壓為5V。工作頻率范圍為0～35MHz，本分析儀選用的是22.118 4MHz。該單片機還有4個16位計數(shù)器/定時器、7路外部中斷I/O口、兩路PWM和PCA可編程計數(shù)器、8路10位轉(zhuǎn)換精度ADC、兩個USART串行接口，硬件資源非常豐富，因此適合多種功能的擴展[6]。數(shù)據(jù)存儲器采用24C512芯片，它是一個512KB的串行存儲器，支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，用該芯片來存儲電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因子等參數(shù)。分析儀的時間顯示采用DS1302芯片進行控制，該芯片電路簡單、運行穩(wěn)定可靠，單片機的數(shù)據(jù)檢索和歷史數(shù)據(jù)回放也是通過查找時間來實現(xiàn)的。主控模塊的硬件電路如圖2所示。

圖2 主控模塊硬件電路

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分為電參數(shù)采集模塊和轉(zhuǎn)速采集模塊。

電參數(shù)采集模塊將電壓和電流互感器采集到的模擬信號，通過三相功率電能測量芯片SA9904A轉(zhuǎn)換成單片機可以處理的數(shù)字信號，進而進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。三相功率電能測量芯片SA9904A采用20腳封裝，為混合模數(shù)信號的CMOS集成電路，具有SPI通信接口，能夠與具有SPI口的單片機進行快速的數(shù)據(jù)交換。該集成芯片包含三相功率與電能測量所需的全部功能[7]。SA9904A整合無功與有功功率瞬時值于24位緩存器。RMS電壓與頻率連續(xù)地被測量并存儲于各自的緩存器。電參數(shù)采集電路如圖3所示。

轉(zhuǎn)速采集模塊采用紅外光電反射式傳感器進行非接觸式檢測。紅外傳感器將電機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM393電壓比較器轉(zhuǎn)換成TTL電平，直接送到單片機進行脈沖計數(shù)，從而計算出電機的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速采集電路如圖4所示。

圖3 電參數(shù)采集電路

圖4 轉(zhuǎn)速采集電路

2.3USB串口通信電路

USB串口通信電路采用PL2303芯片。PL2303的發(fā)射和接收引腳與單片機的接收和發(fā)射引腳相連接，引腳15和16連接計算機的USB接口的時鐘信號引腳和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，實現(xiàn)單片機向USB串口的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。分析儀通過USB串口電路就可以把采集到的數(shù)據(jù)上傳到計算機中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、保存和打印。USB

串口通信電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件分為下位機軟件和上位機軟件兩部分。下位機軟件采用Keil C語言進行編寫，首先按照各個模塊的功能使用模塊化的方式編寫程序，然后將各個模塊程序組合到一起調(diào)試，最后形成一個完整的軟件程序。下位機軟件的設(shè)計流程如圖6所示。

圖5 USB串口通信電路

圖6 下位機軟件流程

上位機軟件主要是對單片機下位機上傳的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、回放、生成報告，同時也具備打印數(shù)據(jù)的功能。上位機軟件界面如圖7所示。

圖7 上位機軟件界面

4 測試結(jié)果與分析

經(jīng)過軟硬件設(shè)計和焊接調(diào)試后，分析儀到現(xiàn)場進行測試，部分現(xiàn)場測試曲線如圖8所示。

a. 電流曲線

b. 有功功率曲線

從圖8a中可以清楚地看出，抽油機上沖程和下沖程的電流最大值分別為26.122 1A和27.438 0A，經(jīng)過分析儀進行數(shù)據(jù)處理后計算出抽油機的平衡度為1.050 4?，F(xiàn)場也通過Fluke F430測試數(shù)據(jù)與之進行對比，F(xiàn)430電壓精度為0.1%。通過數(shù)據(jù)對比，設(shè)計的分析儀誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

基于STC單片機的便攜式抽油機工況分析儀能夠準確地采集抽油機電參數(shù)和轉(zhuǎn)速，并通過液晶屏顯示出當前抽油機整個運行周期內(nèi)的參數(shù)和曲線，可以對數(shù)據(jù)進行存儲和回放，同時還可以現(xiàn)場給出平衡調(diào)整建議，分析儀工作穩(wěn)定可靠、操作簡單、攜帶方便、精度高。同時，當分析儀的數(shù)據(jù)存儲到一定量時，還可以通過單片機串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上位機，便于油田技術(shù)員對抽油機的整體工作狀況進行實時了解，進而采取必要的措施達到油田節(jié)能降耗的目的。

[1] 胡家華，徐鵬，鄭昌雨，等.抽油機電參數(shù)測量數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2013，32(11)：66～99.

[2] 曹明輝，石成江，朱克彥. 異相型雙四連桿抽油機機構(gòu)的運動分析[J].化工機械，2011,38(1):57～59,65.

[3] 耿向忠.淺談油田抽油機的節(jié)能方式[J].化工機械，2012,39(1):110～112.

[4] 陳勇，孫文磊，譚遠華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機裝備工況采集與可視化研究[J].制造業(yè)自動化，2015，37(17)：4～6.

[5] 黃豐磊，盧海鋒，朱浩然.基于STM32與Labview的電參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計[J].電器與能效管理技術(shù)，2014，(15)：37～39.

[6] 范東英，孫曉偉.基于STC單片機正壓防爆控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2012，39(5)：612～614.

[7] 宋蟄存，許剛.三相電功率的檢測及其數(shù)據(jù)處理[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(4)：127～129.

(Continued from Page 808)

displacement control and the rising speed control of the aerial work platform; and the level inclination of the work platform can eliminate the lateral error so as to implement auto-leveling of the trucks.

Keywordsauto-leveling control system, overhead working truck, PLC, rising-stem displacement control, rising speed control

PortableOperatingConditionAnalyzerofOilPumpingUnitBasedonSTCMCU

WANG Jin-yu1, HOU Shi-bo1, LIU Zi-hang2, LIN Yu-qing1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.UrumqiPowerSupplyCo.,StateGridXinjiangElectricPowerCompany,Urumqi830011,China)

Having STC12C5A microcontroller cored to design a portable operating condition analyzer of pumping unit was implemented, including the design of its hardware circuit and softwares. This analyzer collects pumping unit’s electrical parameters through voltage transformer and current transformer and acquires the motor speed by optical encoder and infrared sensor; the collected data can be displayed on LCD screen in the form of curves and then be saved to the analyzer; meanwhile, this analyzer can give balance adjustment suggestions after calculation and communication with PC via serial port so that the data can be transferred to the host computer for browsing and printing conveniently.

operating condition analyzer, oil pumping unit, STC microcontroller, data communication

2016-06-29(修改稿)

東北石油大學研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2015-028NEPU)

TH89

A

1000-3932(2016)08-0822-05