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無(wú)線(xiàn)通信抽油機數據記錄儀設計研究論文
1引言
迅速發(fā)展的計算機技術(shù)極大地提高了油田自動(dòng)化管理水平。在實(shí)際生產(chǎn)中，采油設備工作的周邊環(huán)境惡劣，地理位置分散，野外作業(yè)占了絕大多數，人工檢測有一定的困難，另一方面抽油機的井下工況復雜，抽油機經(jīng)常發(fā)生故障，這不僅影響到油田的生產(chǎn)，還會(huì )造成資源的浪費，使效益降低。因此，及時(shí)準確地對抽油機井下工況實(shí)時(shí)監測是避免抽油機經(jīng)常發(fā)生故障的重要手段。在采油工藝技術(shù)中，通常以示功圖作為分析抽油機井下工況的主要依據。常見(jiàn)抽油機即游梁式抽油機是油田廣泛應用的傳統抽油設備。游梁式抽油機在運行時(shí)，運行情況總是根據油井的情況有所變化，尤其是想得到不同時(shí)間段的示功圖，可是示功儀價(jià)格昂貴，不能安裝在無(wú)人值守的抽油機上，只能在某一時(shí)人工測量。因此此開(kāi)發(fā)能在不同時(shí)間自動(dòng)記錄抽油機的抽油桿拉力、行程、電壓、電流等數據具有重要意義。
2抽油機數據記錄儀硬件設計
基于無(wú)線(xiàn)通信抽油機數據記錄儀旨在無(wú)人看守的情況下，可以自動(dòng)在不同時(shí)間記錄抽油機的抽油桿拉力、行程、電壓和電流等工作參數，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將這些數據傳送到手抄器上，再進(jìn)一步傳到PC機上，進(jìn)行數據分析，得出抽油機的運行數據。該系統分為硬件設計和軟件設計，硬件主要完成數據的采集、轉換、放大、檢波和顯示等功能；軟件部分完成數據處理和控制[2]。
2.1傳感器和信號放大電路
傳感器是測試系統的首要環(huán)節�，F場(chǎng)傳感器包括測抽油桿拉力的傳感器，測抽油機行程位置的加速度傳感器，電壓互感器，電流互感器。載荷傳感器將抽油桿的拉力轉換為電量輸出；加速度傳感器放在抽油桿的平衡鐵上，對加速度傳感器采集到的數據進(jìn)行二次積分得到位移量，將載荷傳感器和加速度傳感器聯(lián)合使用，測得的實(shí)時(shí)的位移和載荷，構成示功圖。利用電壓互感器和電流互感器得到抽油機的電壓值和電流值。本設計信號放大電路采用TLC2254四運算集成放大器，該放大器輸入阻抗高，噪聲低，是高阻抗源的小信號調理電路的理想芯片。放大電路圖。放大電路分為四級，第一級構成電壓跟隨器，具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點(diǎn)，作隔離電路。第二級是構成放大倍數10倍的放大電路，第三級構成的半波檢波器與第四級的加法器組成簡(jiǎn)單的絕對值電路。
2.2主控模塊
主控模塊選擇的中央處理器是宏晶科技生產(chǎn)的STC12LE5A60S2芯片。該芯片是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。芯片3V供電，與無(wú)線(xiàn)模塊可以直接相連，不需要進(jìn)行電平轉換。內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S）。與普通的8051相比，STC12C5A60S2芯片還擁有SPI接口、兩個(gè)串口、EEPROM和1K內部擴展RAM。單片機通過(guò)I/O口輸出相應的高低電平控制8通道模擬多路復用器，分時(shí)對位移、載荷、電壓和電流數據采集。8通道模擬多路復用器在同一時(shí)刻只允許一路信號經(jīng)過(guò)，由傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過(guò)放大和檢波電路輸入到MCU進(jìn)行AD轉換，并將數據存入存儲模塊�；赟TC12C5A60S2芯片具有的A/D轉換功能，無(wú)需采用單獨的數模轉換模塊，大大減低了設計成本。當單片機收到手抄器進(jìn)行數據讀取的通信信號后，單片機將數據處理完成后將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)送給手抄器，實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信，還可以通過(guò)液晶顯示器將數據顯示出來(lái)。
2.3無(wú)線(xiàn)通信模塊
無(wú)線(xiàn)通信模塊采用nRF2401芯片。該芯片是單片射頻收發(fā)器，其ISM頻段為各國通用的2.4～2.5GHZ。輸出功率和頻率通道可以通過(guò)3個(gè)串行接口進(jìn)行編程配置。主控模塊控制數據的采集、讀取、A/D轉換、存儲和無(wú)線(xiàn)通信。該設備通過(guò)模擬SPI模式實(shí)現主控模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊的連接，通過(guò)單片機STC12LE5A60S2的P2口與nRF2401相應引腳相連，對其寫(xiě)入讀取控制字實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。單片機P25、P24、P23分別與nRF2401的PWR_UP、CE、CS相連，單片機的P22、P21、P20分別與nRF2401的DR、CLE、DATA相連。單片機控制無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送數據時(shí)首先要配置芯片的工作模式。nRF2401芯片有四種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機模式。
3抽油機數據儀的軟件實(shí)現
3.1數據采集的軟件設計
數據儀的功能實(shí)現需要在硬件的基礎上利用軟件部分實(shí)現控制和通信。對于抽油機數據采集儀來(lái)說(shuō)，不可能實(shí)現完全意義上的實(shí)時(shí)監測，因為每時(shí)每刻的監測會(huì )使短時(shí)間內數據量過(guò)大，且傳感器等硬件的響應都有一定的界限，并且由于抽油機自身具有的穩定性和可靠性，可以在相同間隔的不同時(shí)刻對抽油機的狀態(tài)進(jìn)行監測。本系統每隔一個(gè)小時(shí)對數據采集一次。記錄儀上電開(kāi)始工作時(shí)，進(jìn)行單片機、無(wú)線(xiàn)模塊等外設參數的初始化，利用單片機自帶的定時(shí)器，再編寫(xiě)計數程序，當時(shí)間達到一小時(shí)時(shí)，單片機分時(shí)讀取拉力、行程、電壓和電流的數據，并進(jìn)行存儲。存儲模塊主要由兩個(gè)24C512組成。手抄器想要獲得記錄儀采集的數據首先向記錄儀發(fā)送驗證數據，通知記錄儀需要提取數據，記錄儀的主控芯片收到驗證數據后向手抄器發(fā)送應答信號，在確認應答信號正確的前提下，手抄器發(fā)送抄數據指令，此時(shí)記錄儀將存儲的數據信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳送給手抄器。
3.2無(wú)線(xiàn)通信的軟件設計
本設計無(wú)線(xiàn)通信采用的是異步半雙工通信模式。以nRF2401芯片為核心的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器有ShockBurstTM和直接收發(fā)兩種收發(fā)模式，收發(fā)模式由單片機寫(xiě)入的配置字決定。與直接收發(fā)相比，ShockBurstTM收發(fā)模式功耗低，在與單片機進(jìn)行數據傳輸時(shí)速率較慢，但是在2.4GHZ的頻帶下空中傳輸速率最大是1Mbps，這樣就可以提高無(wú)線(xiàn)通信在空中的可靠性和穩定性。無(wú)線(xiàn)傳送開(kāi)始前需對單片機的I/O口進(jìn)行初始化并設置系統時(shí)鐘，通過(guò)寫(xiě)控制字的方式初始化nRF2401。單片機向nRF2401寫(xiě)入接收裝置的地址的需要發(fā)送的數據，并置CE引腳為高電平，此時(shí)nRF2401自動(dòng)添加CRC校驗碼，然后置CE為低，nRF2401自動(dòng)加入報頭并開(kāi)始空中數據發(fā)送。當發(fā)送過(guò)程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發(fā)射完畢。內有無(wú)線(xiàn)接收模塊的手抄器接收數據，手抄器可以與PC機相連，接收到數據后傳送給PC機，再進(jìn)一步進(jìn)行數據處理和分析，得出抽油機的工作狀態(tài)。
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