抽油井無線傳感器網絡太陽能示功儀硬件設計*

裴忠民，李貽斌，徐 碩

（1.山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250061;2.中國科學技術信息研究所信息技術支持中心，北京 100038）

0 引言

基于桿式抽油機抽油是當前石油生產的主要工藝形式［1］。示功圖是分析井下抽油泵運行狀況、計算原油開采量及進行故障診斷的重要依據［2～4］。由于抽油井多分布在沼澤、沙漠、盆地等野外偏遠地區，當前我國大部分油田對示功圖的采集還依賴于人工巡檢和有線網絡監測手段，自動化程度相對較低。

電子示功儀是采集抽油井工礦數據、獲取抽油井示功圖的主要儀器，依賴于抽油井自動化監測系統的發展變化，電子示功儀的演進也經歷了傳統示功儀、便攜式示功儀和新一代網絡化示功儀3個階段。傳統示功儀多采用拉線式和角位移傳感器測量實現，儀器笨重，斷頭率高［5］;便攜式示功儀的無繩化設計便于攜帶［6］，但要求定期充電且網絡接入方式單一;隨著新能源技術、無線傳感器網絡（wireless sensor networks，WSNs）技術在工業領域應用的不斷深入［7］，研究新一代示功儀，構建面向抽油井工礦數據實時監測的無線傳感器網絡系統已成為當前油田信息化領域研究的熱點問題［8］。

本文針對當前示功儀設備普遍存在的充電維護困難、網絡接入功能弱化等問題，設計實現了新一代一體化太陽能示功儀，構建了一個面向抽油井工況監測的無線傳感器網絡，并在長慶油田試運行。

1 抽油井工況監測無線傳感器網絡架構

1.1 抽油井工況監測無線傳感器網絡架構

為實現對抽油井示功圖、沖程、機電設備參數等工礦數據的實時采集、分析與監測，本文首先構建了一個抽油井工況監測無線傳感器網絡。無線傳感器網絡節點類型包括無線一體化太陽能示功儀、無線溫度傳感器和無線壓力傳感器3種。節點基于Zig Bee自組網協議構建Mesh網絡拓撲結構，并通過多協議網關設備和廣域網絡，將現場數據傳送至遠程監控中心。遠程監控中心服務器實現對示功圖和傳感器數據的分析、處理、存儲和顯示，并提供用戶接口。網絡系統架構如圖1所示。

圖1 抽油井工況監測無線傳感器網絡架構Fig 1 The architecture of pump well WSNs for working state monitoring

由圖1可知，網絡系統基于三級結構實現，包括部署在抽油井工業現場的無線傳感器網絡節點，安裝在聯合站或計量站的多協議網關，以及在遠程監測中心的服務器三部分。工業現場傳感器節點采集數據后，直接將原始數據傳送至服務器集中解析。多協議網關作為協調器節點實現對無線傳感器網絡的管理、數據的匯聚以及多傳輸協議的轉換，使傳感器數據能夠通過多種協議接口進行透明傳輸。遠程監控中心由各種服務器和用戶接口組成，對現場數據集中處理和顯示，為現場網絡提供各種服務。

1.2 示功儀節點部署

示功圖是載荷隨位移變化關系曲線所構成的封閉曲線圖，由于位移可以通過加速度的雙重積分得到，因此，基于載荷和加速度傳感器設計一體化示功儀已成為當前的主流方法［5］。圖2給出了游梁式抽油機的基本結構和加速度傳感器、載荷傳感器的實際部署位置。由圖2可知，載荷和加速度傳感器部署于驢頭下方抽油桿光桿處。研究表明，要使由安裝位置產生的位移測量誤差不超過1%，加速度傳感器敏感方向偏離抽油桿運動方向的角度不能超過8°［9］。

2 一體化太陽能示功儀硬件設計與實現

2.1 一體化太陽能示功儀硬件組成

圖2 游梁式抽油機結構與示功儀節點部署圖Fig 2 Structure of beam pumper and the deployment of indicator nodes

無線一體化太陽能示功儀的硬件組成如圖3所示。示功儀由中央控制和無線通信單元、太陽能電源管理單元、傳感器單元和外設單元四部分組成，其中傳感器單元包括加速度傳感器信號處理電路和載荷傳感器信號處理電路兩部分，實現對傳感器信號的放大、濾波等處理。中央控制和無線通信單元基于CC2530 Zig Bee芯片實現，負責信號的中央控制和短距離無線通信。外設單元包含實時時鐘和FLASH存儲器兩部分，主要實現計時和簡單數據的存儲功能。太陽能電源管理單元由太陽能面板、磷酸鐵鋰蓄電池組和電源控制電路組成，為示功儀提供穩定的直流供電電壓和電源保護、電池充放電等電路。

圖3 太陽能示功儀硬件組成Fig 3 Hardware composition of solar energy indicator

2.2 中央控制和無線通信單元硬件實現

中央控制和無線通信單元是一體化太陽能示功儀硬件設計的核心。由于點對點無線通信已無法滿足抽油井工業現場數據可靠傳輸要求，為構建支持多徑傳輸和具有自愈能力的抽油井工礦監測無線傳感器網絡，本文基于Zig Bee自組網協議，選用TI公司CC2530核心芯片和CC2591射頻前端功率放大芯片，實現了中央控制和無線通信單元的硬件設計。

CC2530是一種集成度較高的片上系統 （SoC）芯片。CC2591是一種高性能2.4 GHz射頻前端，芯片內部集成了射頻開關、匹配網絡、平衡/不平衡轉換電路、功率放大器（PA）以及低噪音放大器（LNA）電路，輸出功率可達22 dBm。通過對CC2591與CC2530的組合設計，可進一步增強射頻信號的傳輸距離，拓展無線網絡的覆蓋范圍。圖4給出了CC2591和CC2530芯片主要管腳的連接圖。對于2.4 GHz高頻電路設計，抗干擾設計是關鍵，在示功儀硬件實現時采取的方法有:1）保證地線的完整，采用0 Ω電阻或磁珠將數字電路與模擬電路分開;2）晶振外殼接地，確保時鐘準確;3）引腳去藕濾波，外圍元件應盡量靠近RF芯片，器件封裝盡量選擇0402;射頻電路附近不走線，以減少對信號的電磁干擾。

圖4 CC2591和CC2530主要管腳連接Fig 4 Main pins connection of CC3591 and CC2530

2.3 太陽能電源管理單元硬件實現

為滿足示功儀在野外連續7個陰雨天也可正常工作的要求，本文首先計算出7 d內示功儀工作所需的最大功耗，包括傳感器功耗、無線通信功耗和核心器件運算功耗，然后依照功耗計算出太陽能電池方陣的大小，并根據芯片的供電電壓需求，設計出相應的電壓轉換電路和充放電控制電路。太陽能電源管理單元結構示意圖如圖5所示。

圖5 太陽能電源管理單元結構示意圖Fig 5 Structure diagram of solar energy power management unit

由圖5可知，太陽能電源管理單元由太陽能電池方陣、充放電控制器、蓄電池組和穩壓模塊四部分組成。其中，太陽能電池方陣選用光電轉換效率較高的單晶硅太陽能組件。充放電控制器實現對蓄電池組充放電的控制，防止蓄電池組過充或過放，本文選用MC3063芯片實現。蓄電池組選用磷酸鐵鋰電池組，具有超長壽命、無記憶效應等優點。穩壓模塊可為CC2530提供穩定的3.3 V工作電壓，以確保無線通信的穩定。本文選用帶有升壓和降壓功能的LTC3440穩壓模塊來搭建穩壓電路。

2.4 傳感器單元與外設單元硬件實現

本文選用ADXL203型雙軸加速度傳感器實現對抽油桿運動加速度的測量。ADXL203與CC2530的連接電路如圖6所示。為實現對輸出信號的去鋸齒和降噪，設計時分別在Xout和Yout引腳連接了低通濾波電容器，在電源端并聯了0.01 μF和10 μF低頻和高頻噪聲濾波電容器。

圖6 ADXL203加速度傳感器原理圖Fig 6 Principle diagram of ADXL203 accelerometer sensor

本文選用應變式壓力傳感器對載荷進行測量，該傳感器內部由電阻應變計橋電路組成，當基體受力發生應力變化時，電阻應變計也一起產生形變，使應變計的阻值發生改變，從而使加在電阻器上的電壓發生變化。電壓信號經調節后被送入CC2530的AD引腳進行測量。

3 現場實驗與試運行

3.1 網絡系統節點部署

為驗證一體化太陽能示功儀和抽油井工礦監測系統的性能，本文在長慶油田白豹鎮第二采油廠進行了多次現場實驗并對系統進行了為期30 d的試運行。系統試運行節點部署示意圖如圖7所示，共計在采油廠的游梁式抽油機上部署7臺一體化太陽能示功儀和7個無線壓力傳感器節點，1臺多協議網關節點部署在距離現場約500 m內的計量站內，網關通過GPRS廣域網絡與遠程監控中心的服務器通信。

圖7 網絡系統節點部署示意圖Fig 7 Deployment diagram of networks system nodes

3.2 實驗結果與性能分析

一體化太陽能示功儀選用SMA外置鞭狀天線，無線信號經CC2591前端功率放大后，在通視條件下點對點無線通信距離可達1200 m。考慮到現場通信有遮擋或機電設備干擾等復雜情況，在構建現場無線傳感器網絡時選用Zig Bee協議棧構建Mesh網絡。在系統試運行的30 d內，示功儀每2s向網關發送一次數據，利用Sniffer分析儀進行持續抓包監測，30 d僅監測到17幀錯誤數據，幾乎做到了100%的可靠傳輸。

對于太陽能供電性能的驗證，因系統試運行期間最長連續陰雨天為4 d，沒有出現節點斷電失效的情況。為真正檢驗節點的連續工作時限，本文又進行了室內遮擋實驗，即在一次太陽能充電完成后，通過遮擋把節點放置在室內黑暗無光處，監測節點的正常工作時間。實驗結果表明:節點最長正常運行時間高于198 h，超出了預期設計目標。

本文設計的一體化太陽能示功儀位移量程為0～4 m，載荷量程為0～150 kN。為驗證示功儀的位移測量精度，分別在7口抽油井進行了多種井況下的試驗，沖程為1～4 m，沖次從3沖到8沖不等。實驗方法為:首先由示功儀測得加速度水平分量和垂直分量，在服務器端計算出抽油桿的沖程;然后利用米尺測出真實位移，二者進行比較。表1給出了針對3號井所做的5次實驗結果。由表1可知，示功儀位移測量的最大誤差0.09 m，符合采油現場的需求，實測示功圖與抽油井的真實工礦相符，載荷實測數據變化范圍為20～70 kN。

表1 抽油井位移測量數據表Tab 1 Sheet of displacement measurment data of pump well

4 結論

一體化太陽能示功儀的研制，是新能源技術、無線傳感器網絡技術等高新技術在石油工業領域的創新性應用。本文針對無線傳感器網絡技術在石油行業的實際應用，構建了一個面向抽油井工況監測的無線傳感器網絡，詳細介紹了新一代一體化太陽能示功儀的硬件設計與實現，并依照示功儀設備在現場的試運行情況，對示功儀的性能進行了分析。

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