鴻寶變頻器及LABVIEW在冀東油田上的應用

【摘要】針對目前河北冀東油田南堡作業區油井分散，分布范圍寬，地區偏遠，不宜管理等特點，本文主要利用變頻器對其電機進行拖動，利用計算機對抽油機進行遠程監控。實現無人值守或者少人值守的目的。

【關鍵詞】LABVIEW；鴻寶；RS485；MODBUS；CRC；無人值守；油田

1.引言

石油開采行業中抽油機是機械采油的重要設備。保證抽油機的正常、科學運行對提高原油產量和油田節能都有重要意義。目前我國大部分油田抽油井的現狀是：油井分散，分布范圍寬，地區偏遠，不宜管理；大部分油井采用人工巡視，抽油機的運行狀態和參數不能適時反映到管理中心，在很大程度上影響對油井的合理決策；當抽油機電機發生短路或缺相故障時，需要及時發現并停止電機，而這是人工巡井很難做到的。對低滲透率地區的油井，抽油機運行一段時間后，經常會發生抽空現象，此時抽油機處于輕載或空載狀態，如繼續運行，勢必造成電能和機械能的浪費。

針對以上抽油機存在的問題，上海鴻寶生產的高性能矢量變頻器HB-E9作為下位機，上位機軟件使用NI公司的Labview。本系統集合了目前流行的DSP，虛擬儀器等技術，為解決抽油機目前存在的幾個問題，提高自動化程度，實現無人值守或者少人值守的目的。

2.系統總體設計

抽油機電機采用HB-E9變頻器進行控制，上位機采用Labview軟件。通訊接口為RS485接口，采用標準的MODBUS協議。

鴻寶HB-E9系列變頻器為矢量變頻器技術，是基于DQ軸理論而產生的，它的基本思路是把電機的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵磁電流，Q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機的勵磁電流和力矩電流分開控制，使得交流電機具有和直流電機相似的控制特性，是為交流電機設計的一種理想的控制理論，大大提高了交流電機的控制特性.具有低頻力矩大、輸出平穩、轉矩動態響應快、穩速精度高、減速停車速度快、抗干擾能力強等特點。

基于虛擬儀器技術實現的上位機監控系統利用LabVIEW強大網絡功能、完備的圖形控制工具輕松的實現了數據包的處理及波形的直觀顯示。同時利用LabVIEW的數據庫鏈接工具包及強大的數據分析功能，能夠實現大量數據的存儲和分析，為進一步研究和控制抽油機提供參考。

變頻器通信接口為RS485形式，協議為標準的MODBUS協議。Modbus是由Modicon（現為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。

3.通訊下位機

RS485采用的是半雙工工作模式，接口共三根線，公共地，A+，B-。一般工業現場只用接A+，B-兩根線。計算機端可以采用RS232轉RS485設備或者采用USB轉RS485設備。

變頻器和計算機能夠正確的通訊上，需要設置相應的通訊參數，如端口，地址位，波特率，數據位，停止位，奇偶校驗方式等。

HB-E9系列變頻器的ModBus協議通信數據格式分為RTU（遠程終端單元）模式和ASCII（American Standard Code for Information International Interchange）模式兩種進行通訊。本系統采用RTU模式。具體的協議請參考《HB-E9系列使用說明書》中通訊協議部分。

幀的錯誤校驗方式主要包括兩個部分的校驗，即字節的位校驗（奇/偶校驗）和幀的整個數據校驗（CRC校驗或LRC校驗）。

3.1 字節位校驗

用戶可以根據需要選擇不同的位校驗方式，也可以選擇無校驗，這將影響每個字節的校驗位設置。

偶校驗的含義：在數據傳輸前附加一位偶校驗位，用來表示傳輸的數據中“1”的個數是奇數還是偶數，為偶數時，校驗位置為“0”，否則置為“1”，用以保持數據的奇偶性不變。

奇校驗的含義：在數據傳輸前附加一位奇校驗位，用來表示傳輸的數據中“1”的個數是奇數還是偶數，為奇數時，校驗位置為“0”，否則置為“1”，用以保持數據的奇偶性不變。

例如，需要傳輸“11001110”，數據中含5個“1”，如果用偶校驗，其偶校驗位為“1”，如果用奇校驗，其奇校驗位為“0”，傳輸數據時，奇偶校驗位經過計算放在幀的校驗位的位置，接收設備也要進行奇偶校驗，如果發現接受的數據的奇偶性與預置的不一致，就認為通訊發生了錯誤。

3.2 CRC校驗方式——CRC（Cyclical Redun-dancy check）

使用RTU幀格式，幀包括了基于CRC方法計算的幀錯誤檢測域。CRC域檢測了整個幀的內容。CRC域是兩個字節，包含16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到幀中。接收設備重新計算收到幀的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩個CRC值不相等，則說明傳輸有錯誤。

CRC是先存入0xFFFF，然后調用一個過程將幀中連續的6個以上字節與當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數據對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內容相異或（XOR），結果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值相異或，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節又單獨和寄存器的當前值相異或。最終寄存器中的值，是幀中所有的字節都執行之后的CRC值。CRC的這種計算方法，采用的是國際標準的CRC校驗法則，用戶在編輯CRC算法時，可以參考相關標準的CRC算法，編寫出真正符合要求的CRC計算程序。

4.通訊上位機軟件

Labview語言是美國NI公司為適應計算機和軟件技術的發展、加快儀器的開發和完善其功能而退出的。它使用圖形化的編程語言，執行程序的順序是由塊之間的數據流決定的。而不是傳統文本語言的按命令行次序連續執行。Labview語言具有界面友好、易學易懂、開發周期短等優點，廣泛應用于儀器控制、數據采集、數據分析和數據顯示等領域。

4.1 Labview 2009串口通訊編程

在Labview中進行串口通訊主要利用Serial compatibility VIS，包括端口初始化，設定端口號，波特率，數據位，停止位，奇偶校驗等，從串口讀取數據，向串口寫數據等。最后不需要串口時，可以將串口關閉，端口留給別的程序。

4.2 通訊程序實現的功能

通過計算機可以對變頻器進行遠程啟停電機，設置運行頻率，讀取變頻器的運行參數，如變頻器的直流母線電流，輸出電流，輸出電壓，輸出力矩，故障信息等。其中涉及到CRC校驗碼的求取和校驗，其程序如下：

求CRC校驗碼：

判斷CRC校驗碼是否正確程序：

部分界面如下：

5.結論

本文主要利用Labview實現計算機與變頻器進行通訊，通過計算機的串行端口來控制變頻器，可以方便、直觀地控制變頻器的運行、監控變頻器的運行狀態、設置變頻器的參數、監控變頻器的故障狀態。實現變頻器的聯網及遠程監控，實現無人值守或者少人值守。希望本文能給同行提供一種解決問題的思路，能有更多的同仁一起共同努力來提高實現油田等艱苦行業的遠程控制自動化水平。

參考文獻

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[3]蘇奎峰，呂強，等.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2005.

[4]劉和平.TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

作者簡介：

陳國平（1981—），男，研究生，現供職于上海鴻寶企業發展有限公司，主要負責變頻器的軟硬件開發，變頻器自動化測試平臺的研發及相應監控軟件的開發。

王成起（1962—），男，大學專科，現供職于中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，主要負責低壓配電系統運行、電氣維修、電工管理。

白廣潮（1988—），男，大學本科，現供職于中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，主要負責低壓配電系統運行、電氣維修、電工管理。