一種新型油田遠(yuǎn)距低功耗死點(diǎn)開關(guān)的設(shè)計(jì)

曹慶年， 楊宏興， 孟開元， 王 瑤

(西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西安 710065)

0 引 言

抽油機(jī)控制系統(tǒng)和各類儀表為油田的生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利，為油田實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制提供了基礎(chǔ)[1]。死點(diǎn)開關(guān)又稱為接近開關(guān)或限位開關(guān)[2]，是監(jiān)測(cè)抽油機(jī)死點(diǎn)位置的重要設(shè)備。死點(diǎn)開關(guān)主要分為接觸式和非接觸式2種類型[3]，非接觸式中又分為電感式、電容式、霍爾式、交直流型、光電性等。目前，非接觸式死點(diǎn)開關(guān)多采用三線電壓信號(hào)傳輸死點(diǎn)位置信號(hào)，這種傳輸方式主要存在以下問(wèn)題：供電電源需要的電壓等級(jí)高，通常需要5 V以上電源供電；探頭非接觸距離近，只有2-3 cm；信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力差，電壓信號(hào)容易受到空間輻射和傳導(dǎo)輻射的干擾，造成信號(hào)失真；信號(hào)傳輸距離短，通常小于3 m；傳輸電壓信號(hào)需要3根傳輸線，成本相對(duì)較高等。

本文設(shè)計(jì)的新型油田遠(yuǎn)距低功耗死點(diǎn)開關(guān)采用電流傳輸位置信號(hào)，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，增加了信號(hào)傳輸距離。此外，死點(diǎn)探頭通過(guò)采用大動(dòng)態(tài)范圍TMR線性傳感器[4]、微瓦級(jí)別的功放和兩線制的接線，降低了死點(diǎn)開關(guān)的功耗和成本。

1 新型死點(diǎn)開關(guān)的作用和組成

1.1 新型死點(diǎn)開關(guān)的作用

死點(diǎn)開關(guān)主要用于監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的沖次和死點(diǎn)位置[5]，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸采集到的抽油機(jī)數(shù)據(jù)。新型死點(diǎn)開關(guān)的油田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。油田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)新型死點(diǎn)開關(guān)，可快速判斷抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的智能監(jiān)控，降低成本，提高效益。

1.2 新型死點(diǎn)開關(guān)的結(jié)構(gòu)與模塊組成

本死點(diǎn)開關(guān)模塊主要由MSP430F1611IPM芯片、電源模塊、探頭模塊、無(wú)線通訊模塊、復(fù)位模塊5部分組成。其中MSP430F1611IPM芯片是該新型死點(diǎn)開關(guān)的核心，其集成了電源模塊、探頭模塊、無(wú)線通訊模塊、復(fù)位模塊。新型死點(diǎn)開關(guān)的組成如圖2所示。

圖1 應(yīng)用新型死點(diǎn)開關(guān)的油田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Fig.1Oilfieldmonitoringsystemthatusinganewdead-pointswitch

圖2 新型死點(diǎn)開關(guān)的模塊組成

1.2.1 電源模塊

本設(shè)計(jì)選用TPS62056DGS芯片作為電源模塊的轉(zhuǎn)換器，該芯片是由TI公司研發(fā)的低功耗、高性能的電源轉(zhuǎn)換器[6]，可實(shí)現(xiàn)將2.7～10 V的動(dòng)態(tài)電壓轉(zhuǎn)化為0.6～7 V的穩(wěn)定電壓。

1.2.2 探頭模塊

探頭模塊主要是根據(jù)兩線制電流傳輸?shù)脑瓌t設(shè)計(jì)的，主要用來(lái)采集抽油機(jī)沖次和位置信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)輸出。探頭模塊的組成如圖3所示，主要由直流電源、保護(hù)電路、大動(dòng)態(tài)范圍TMR線性傳感器、電壓比較器和電壓-電流轉(zhuǎn)換器5部分組成。采用低功耗的大動(dòng)態(tài)范圍TMR線性傳感器采集抽油機(jī)沖次和位置信號(hào)，通過(guò)窗口比較器將差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，最后再使用電壓-電流轉(zhuǎn)換器將高低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出。

圖3 探頭模塊組成

TMR線性傳感器是一種電流傳感器。通過(guò)對(duì)比可知TMR線性傳感器比霍爾器件、AMR和GMR元件具有功耗低、體積小、靈敏度高、精度高、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。各傳感器元件參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 TMR與Hall、AMR、GMR參數(shù)對(duì)比

探頭模塊的原理如圖4所示。直流電源與外部電源模塊相連，主要為電路提供動(dòng)力；保護(hù)電路由二極管D1和電容Cin1并聯(lián)組成，用于解決電源反接和交直流誤接的情況；大動(dòng)態(tài)范圍TMR線性傳感器用于輸出抽油機(jī)的沖刺和死點(diǎn)位置信號(hào)；電壓比較器由放大器U3A和U3C、電阻R1和R2、二極管D2和D3組成，實(shí)現(xiàn)實(shí)際電壓與參考電壓的比較，輸出預(yù)期的高低電平；電壓-電流轉(zhuǎn)換器是由電阻R8和三極管組成的恒流源電路，用于將得到的高低電平轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。

1.2.3 無(wú)線通訊模塊

本設(shè)計(jì)采用XBEE-20無(wú)線通訊模塊將采集到的抽油機(jī)沖次和位置信號(hào)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞給RTU或儀表網(wǎng)關(guān)。XBEE-20模塊是Digi公司采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線模塊[7]，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)等設(shè)備間的通信，能夠快速地將設(shè)備接入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

圖4 探頭模塊原理圖

1.2.4 復(fù)位模塊

復(fù)位電路主要由復(fù)位芯片SP809NEK-2-3/TR和霍爾器件A3212組成，當(dāng)死點(diǎn)開關(guān)需要復(fù)位或重置時(shí)，只需用磁鐵在復(fù)位模塊處刷一下即可，比傳統(tǒng)的按鍵重置更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

2 新型死點(diǎn)開關(guān)的功耗與距離

2.1 新型死點(diǎn)開關(guān)的功耗

低功耗主要體現(xiàn)在探頭模塊上，探頭模塊具有待機(jī)和工作2種模式。

(1) 待機(jī)模式。當(dāng)探頭遠(yuǎn)離磁鐵時(shí)，TMR線性傳感器處于輸出關(guān)閉狀態(tài)，正向輸出和負(fù)向輸出均為0，此時(shí)電路的功耗如式(1)所示：

Pst=PU10+PU2=I2RU10+I2RU2

(1)

(2)工作模式。當(dāng)探頭靠近磁鐵時(shí)，TMR線性傳感器處于輸出通路狀態(tài)，此時(shí)電路的功耗如式(2)所示：

Pw0=PU10+PU2+PU3A+PU3C+PR1+PR2+

PR8+PQ1+PR9

(2)

2.2 新型死點(diǎn)開關(guān)的非接觸距離

非接觸距離可以通過(guò)電阻R1和R2的大小進(jìn)行調(diào)節(jié), 電阻R1、R2用于產(chǎn)生參考電壓，可通過(guò)改變電阻大小調(diào)整參考電壓的門限值，進(jìn)而調(diào)節(jié)死點(diǎn)開關(guān)的非接觸距離。調(diào)節(jié)最大非接觸距離如式(3)所示：

(3)

其中，VR是產(chǎn)生的參考電壓，DMax是不同參考電壓下的最大非接觸距離。

3 測(cè)試結(jié)果

在勝利油田對(duì)該新型死點(diǎn)開關(guān)的非接觸距離、信號(hào)傳輸距離和功耗進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

3.1 非接觸距離測(cè)試

測(cè)量了不同等級(jí)電源電壓下的最大非接觸距離、電流和功耗，其結(jié)果見表2。

表2 電壓與最大非接觸距離之間的關(guān)系

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)本設(shè)計(jì)的最大非接觸距離約是常規(guī)三線制電壓式死點(diǎn)開關(guān)的3-4倍，增加了非接觸距離；

(2)本設(shè)計(jì)可適應(yīng)不同等級(jí)的電源電壓，且在不同等級(jí)的電源電壓下，均能達(dá)到最大的非接觸距離；

(3)本設(shè)計(jì)的功耗為毫瓦級(jí)別，功耗較低。

3.2 死點(diǎn)探頭的傳輸距離測(cè)試

選擇在直流3.6 V電源下測(cè)量不同電流信號(hào)傳輸距離的非接觸距離、電流和功耗，其結(jié)果見表3。

表3 3.6 V電壓下信號(hào)傳輸距離對(duì)其它因素的影響

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)增加死點(diǎn)開關(guān)的傳輸距離對(duì)開關(guān)的最大非接觸距離影響不大；

(2)增加死點(diǎn)開關(guān)的傳輸距離對(duì)產(chǎn)品的功耗影響不大，功耗變化可忽略不計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以MSP430F1611IPM芯片為核心的兩線制電流式抽油機(jī)死點(diǎn)開關(guān)，旨在解決油田三線制電壓式抽油機(jī)死點(diǎn)開關(guān)存在的不足。該新型死點(diǎn)開關(guān)通過(guò)采用電流傳輸抽油機(jī)沖次和位置信號(hào)，增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，增加了信號(hào)傳輸距離；通過(guò)采用低功耗的大動(dòng)態(tài)范圍TMR線性傳感器、微瓦級(jí)別的功放和兩線制的接線，極大地降低了功耗和成本。此外，可引入低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)中的LoRa和NB-IOT技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化本設(shè)計(jì)，更好地為油田服務(wù)。