抽油機(jī)位移測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

王 琰，孫洪岐，謝軼群，潘大偉

(山東石油化工學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

抽油機(jī)井的示功圖和電功圖是分析抽油機(jī)井生產(chǎn)過程工況的常用方法。示功圖是由抽油機(jī)井的光桿載荷和懸點(diǎn)位移組成的閉合曲線，電功圖是由抽油機(jī)井的電功率和懸點(diǎn)位移組成的閉合曲線。光桿載荷通過安裝于懸點(diǎn)的載荷傳感器直接測(cè)量；電功率由安裝于抽油機(jī)井配電箱內(nèi)的電功率表直接測(cè)量；位移參數(shù)由拉線式位移傳感器、角度式位移傳感器或加速度傳感器測(cè)量。其中，拉線式位移傳感器是直接測(cè)量，角度式和加速度式位移傳感器是間接測(cè)量，由于拉線式和角度式故障率較高，使用較少，因此抽油機(jī)井的位移參數(shù)主要利用加速度傳感器輸出的加速度數(shù)據(jù)的二次積分間接計(jì)算[1]。

本文利用加速度傳感器檢測(cè)抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加速度，用單片機(jī)對(duì)加速度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字濾波算法對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行濾波處理，進(jìn)而計(jì)算出位移數(shù)據(jù)。最后，利用WiFi模塊將計(jì)算的位移數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至電功圖測(cè)量裝置或者示功圖測(cè)量裝置。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

測(cè)量裝置包括電源電路、單片機(jī)控制電路、加速度采集電路、無線傳輸電路、存儲(chǔ)電路等部分，如圖1所示。

圖1 裝置設(shè)計(jì)

裝置工作時(shí)固定于抽油機(jī)懸點(diǎn)，由電源電路向整個(gè)裝置供電，用ADXL327型加速度傳感器測(cè)量懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加速度，單片機(jī)的AD模塊將轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行數(shù)字濾波，再通過雙重積分計(jì)算抽油機(jī)井的位移數(shù)據(jù)，最后經(jīng)無線傳輸電路將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至電功圖或者示功圖測(cè)量裝置。

1.2 電源電路

測(cè)量裝置安裝于抽油機(jī)懸點(diǎn)，且懸點(diǎn)一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無法使用電纜供電，因此采用鋰電池供電。所選鋰電池額定電壓為3.7 V，額定容量為10 000 mAh。裝置的單片機(jī)、加速度芯片、無線傳輸電路均采用3.3 V供電，為滿足裝置供電要求，選用由安森美半導(dǎo)體生產(chǎn)的高效能低壓降線性穩(wěn)壓器NCP3335A。該芯片采用小型Micro8封裝，輸出電流500 mA，滿足裝置的供電要求[2]。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

裝置鋰電池為可充電池，為保證電池能長(zhǎng)期、反復(fù)使用，設(shè)計(jì)了充電電路。主控芯片為TP4056，是一款適用于單節(jié)鋰電池采用恒流/恒壓的線性充電器[3]。電路如圖3所示，圖中R4阻值為1.2 KΩ，充電電流設(shè)置為1 A。利用D1指示充電狀態(tài)，電池充電時(shí)，D1點(diǎn)亮；充電結(jié)束，D1熄滅。

1.3 單片機(jī)電路

裝置選用鉅泉光電生產(chǎn)的HT5023型單片機(jī)，該單片機(jī)采用ARM Cortex-M0型內(nèi)核，具有256 KB容量ROM和32 KB容量RAM，最高工作頻率39.32 MHz，同時(shí)具有三路Σ-ΔADC，可實(shí)現(xiàn)高精度采樣[4]。該型號(hào)單片機(jī)在睡眠模式下供電電流僅為2.9 μA，正常模式全速運(yùn)行時(shí)供電電流僅有8 mA，具有低功耗、高速度、高精度AD轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，能夠滿足測(cè)量裝置的要求。

1.4 加速度采集電路

裝置選用ADI公司生產(chǎn)的ADXL327型加速度計(jì)測(cè)量抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加速度[5]，芯片的測(cè)量范圍為-2 g～+2 g，三軸檢測(cè)，LFCSP型封裝，供電電流低至350 uA。該芯片固定于抽油機(jī)懸點(diǎn)，當(dāng)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，三軸加速度計(jì)中檢測(cè)到的加速度分量發(fā)生變化，Xout，Yout，Zout 3個(gè)引腳輸出電壓發(fā)生變化，該電壓值與所測(cè)量加速度大小成正比。由于加速度計(jì)輸出電壓范圍是0～3.3 V，所選單片機(jī)的AD范圍是0～1 V，因此將加速度計(jì)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為三分之一后，再送入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，電路如圖4所示。

圖4 加速度采集電路

1.5 無線通信電路

位移數(shù)據(jù)測(cè)量完成后，需要將其發(fā)送至電功儀或示功儀，因此配備了無線通信電路，電路核心器件是安信可科技生產(chǎn)的ESP-01S型WiFi模塊。該模塊為DIP-8封裝，占用面積小，支持多種休眠模式，待機(jī)功耗低至0.1 MW，適合小型儀表使用，并采用串口與單片機(jī)通信，接線簡(jiǎn)單[6]。ESP-01S設(shè)置為AP工作模式和SERVER，監(jiān)聽電功儀或示功儀的位移測(cè)量請(qǐng)求指令，當(dāng)位移數(shù)據(jù)測(cè)量完成后，再通過該模塊將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給電功儀或示功儀，電路如圖5所示。為了降低整個(gè)裝置的功耗，ESP-01S的GND端通過一個(gè)MOS管與電路板的GND相連。當(dāng)不使用該模塊時(shí)，斷開MOS管，即將模塊斷電，以減小整個(gè)裝置的耗電量。

圖5 無線通信電路

1.6 存儲(chǔ)電路

裝置運(yùn)行時(shí)，需要存儲(chǔ)部分參數(shù)，因此設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)電路。存儲(chǔ)芯片型號(hào)為FM24W256，是一片容量為256 Kbits，即32 KB的鐵電存儲(chǔ)器，可承受1014次的讀寫操作，工作時(shí)僅消耗電流100 μA[7]。通過I2C總線與單片機(jī)通信，為保證通信正常，在SCL和SDA兩個(gè)管腳連接了上拉電阻，電路如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

程序開發(fā)環(huán)境為Keil uVision5，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)時(shí)鐘設(shè)置、IO口設(shè)置、ESP-01S設(shè)置等；設(shè)置完成后，等待測(cè)量指令。接收到位移測(cè)量指令后，對(duì)加速度傳感器的輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，通過雙重積分計(jì)算位移數(shù)據(jù)，計(jì)算完成后，利用WiFi模塊將位移數(shù)據(jù)傳輸給示功儀或電功儀。

圖7 主程序流程

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

測(cè)量裝置安裝于勝利油田的多口抽油機(jī)進(jìn)行測(cè)試。如圖8所示為在辛11Z147井所測(cè)位移曲線，該抽油機(jī)為游梁式，沖次為1.37，沖程為3.0 m；如圖9所示為在辛11×73井所測(cè)位移曲線，該抽油機(jī)為皮帶式，沖次為1.93，沖程為5.4 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，位移測(cè)量裝置能準(zhǔn)確測(cè)量游梁式和皮帶式抽油機(jī)的位移數(shù)據(jù)。

圖8 辛11Z147位移曲線

圖9 辛11×73位移曲線

4 結(jié)語

本文利用電源電路、單片機(jī)電路、加速度測(cè)量電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路搭建了抽油機(jī)位移參數(shù)測(cè)量裝置，通過ADXL327型加速度傳感器采集抽油機(jī)懸點(diǎn)的加速度，單片機(jī)對(duì)傳感器輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和雙重積分計(jì)算抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，并通過WiFi模塊將位移信息傳輸至示功儀或電功儀。所研究設(shè)備采用加速度傳感器對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量，克服了拉線式位移傳感器和角度式位移傳感器測(cè)量不方便、易損壞的缺點(diǎn)，有效降低了元件成本，并采用WiFi傳輸數(shù)據(jù)，減少了操作人員的工作量。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，裝置具有運(yùn)行可靠、精度高、功耗低、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。