抽油機位置及狀態智能監測系統

關學忠 孫立剛 李 欣 于芳菲

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

隨著油田的擴建，很多抽油機由于采油年限過長和設備破損老化的原因出現停機，加之油田地理位置一般處于偏僻野外，迄今沒有一個精確合理的管理辦法來對抽油機狀態進行智能監測，統一管理，因此抽油機停機引發的一系列問題也是層出不窮[1]。針對這個問題，筆者設計了一套抽油機位置及狀態智能監測系統，可以系統的對油田停機油井進行精確定位，統一管理監測，并將故障信息通過GPRS發送給上位機，通知油田管理人員對停機油井及時進行故障診斷，減少不必要的損失。

1 總體設計①

抽油機位置及狀態智能監測系統以AVR單片機作為系統的控制核心，通過GPS衛星定位模塊對油田的每個抽油機進行精確定位，利用水銀開關觸發單片機中斷，進行抽油機固定時間上下往返次數記錄，當抽油機停機時，記錄的上下往返次數不符實際要求，返回故障信息。另外通過SIM900A通信模塊監測控制板的實時溫度、實時時間以及信號強度等信息，所有信息通過SIM900A通信模塊傳至上位機控制中心，通過上位機界面了解抽油機的停機時間和地理位置等詳細信息，進行及時維護，避免意外損失。抽油機位置及狀態智能監測系統框圖如圖1所示。

圖1 抽油機位置及狀態智能監測系統框圖

2 硬件設計

2.1 控制模塊

本系統采用Atmega644PV單片機作為主控制器，協調其他各個模塊共同工作，Atmega644PV單片機基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器[2]。由于其先進的指令集和單時鐘周期指令執行時間，ATmega644PV的數據吞吐率高達20MHz，從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾。內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器，可片內調試與編程，具有差分可編程增益輸入的ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口和6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待機和擴展待機。

2.2 GPS定位模塊

本次設計定位部分采用的是GS-87衛星定位模塊，模塊有外置天線，適合于野外環境，數據可以每40s發送一次。數據幀包含模塊定位狀態和抽油機所在位置的經緯度信息[3]。GPS定位模塊正常工作時的電壓為4.3V，模塊的TXD、RXD與Atmega644PV單片機的PD2、PD3串口進行連接，讀取GPS的數據信息，AVR單片機與GPS模塊的引腳如圖2所示。

圖2 GPS模塊與AVR單片機連接電路

2.3 GPRS數據傳輸模塊

SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片，采用ARM926EJ-S架構,性能強大，可以內置客戶應用程序。SIM900A模塊可廣泛應用于車載跟蹤、車隊管理、無線POS、手持PDA、智能抄表與電力監控等眾多方向[4]。 SIM900A有易于客戶生產加工，低功耗，供電范圍寬，支持回聲抑制算法，可以基于不同客戶設備通過AT命令調節回音抑制消除等特點。

SIM900A模塊的TXD、RXD和Atmega644PV單片機的PD0、PD1串口進行連接[5]，SIM900A模塊采用單電源供電，VBAT供電范圍3.2～4.8V之間，推薦電壓為4.0V， 模塊射頻發射時會導致電壓跌落，這時電流的峰值最高會達到2A以上，因此電源供電能力盡可能達到2A，并建議VBAT引腳并接大電容。當抽油機停轉時，通過單片機的PB4引腳進行故障檢測，及時為SIM900A模塊供電，通過PC0使SIM900A模塊開機，然后SIM900A模塊將采集到的抽油機故障信息、經緯度信息及溫度信息等通過單片機串口發送給上位機軟件，通過電子地圖找到故障抽油機的位置[6]。數據發送完畢，SIM900A模塊再次處于關機狀態，使系統處于一個低功耗狀態。

2.4 狀態檢測模塊

抽油機工作狀態檢測電路用到水銀開關，兩個水銀開關和AVR單片機的兩個外中斷進行連接。設計保證抽油機在正常運轉時，始終有且僅有一個水銀開關處于中斷觸發狀態，進入單片機中斷后，在一定周期內記錄中斷觸發次數，當抽油機停轉時，將故障信息通過GPRS發送出去。

3 結束語

抽油機位置及狀態智能監測系統采用低功耗電路設計，保證電路長期可靠穩定的工作。而且能夠對油田故障抽油機進行精確定位，保證油田管理人員對停機油井進行及時故障診斷，減少不必要的損失。