一種用于抽油機的雙模式無線示功儀設計*

潘大偉， 于云華

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 東營 257061)

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一種用于抽油機的雙模式無線示功儀設計*

潘大偉， 于云華

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 東營 257061)

針對目前拉線式和角度式示功儀故障率高和被動工作模式的無線示功儀能耗高等缺點，設計了一種具有主動和被動兩種工作模式的無線示功儀。該示功儀既可以根據所接收指令測示功圖和上傳數據，也可以根據設置自動測示功圖和上傳數據。設計了綜合濾波算法，可有效濾除加速度數據中的高頻干擾和尖峰干擾。詳細介紹了硬件電路、工作模式和濾波程序設計，并給出了能耗和示功圖數據的測試分析。現場應用表明：該裝置具有可靠性高、測量準確、能耗低等優點。

示功儀； 雙模式； 抽油機； 綜合濾波算法

0 引 言

抽油機示功圖是分析、診斷抽油機生產的一種重要手段，它由抽油桿上下運動時不同位移與該位移處抽油桿所承受載荷兩部分組成[1]。載荷可通過載荷傳感器直接測量，位移主要有兩種測量方法，一種是采用拉線式和角度式，它們需要借助復雜機械結構，故障率較高，使用較少；二是加速度方式，位移通過采集加速度間接獲得，無復雜機械結構，避免了方式一故有的缺點[2]。隨著抽油機自動化監測系統的發展，示功儀逐漸實現無線化[3]，利用無線傳輸系統接收上位機指令和上傳示功圖，因此,示功儀的無線模塊需要長時間處于高功耗的接收模式，從而大大縮短了電池使用壽命，增加了設備維護量。

根據上述問題，本文提出了一種基于加速度傳感器的無線示功儀。該示功儀具有主動和被動兩種工作模式，既可以像傳統無線示功儀通過接收上位機指令工作，也可以主動向上位機發送測量數據，以達到降低能耗、延長電池使用壽命，減少維護量的目的。

1 無線示功儀的組成

無線示功儀的組成如圖1所示，主要包括單片機控制模塊、電源模塊、載荷采集模塊、加速度采集模塊、存儲模塊、無線模塊等部分。

該裝置由電池通過電源芯片供電，采用MSP430F1611單片機作為主控芯片。利用載荷傳感器采集載荷信號，加速度傳感器采集加速度信號，分別通過放大電路和濾波電路送入單片機。經過A/D轉換得到數字量的載荷與加速度，通過數字濾波和積分獲得示功圖數據，再利用無線模塊發送至遠程終端設備(remote terminal unit,RTU)。下面對主要組成部分進行說明。

圖1 無線示功儀的組成

1.1 電源模塊

由于抽油機一般布置于野外，并且該無線示功儀固定于抽油機懸點，電池不便更換，為保證可靠供電，該裝置采用高能量型鋰亞硫酰氯電池，容量19 Ah，額定電壓3.6 V。

本裝置所有元件都由該電池通過額定輸出電壓為3 V的NCP500穩壓電源芯片供電。為降低功耗，本裝置采用兩片NCP500芯片，芯片1為單片機和無線模塊供電，該芯片一直處于工作模式；芯片2為載荷采集模塊、加速度采集模塊和存儲模塊供電，只在采集示功圖、讀寫存儲器時將芯片2設置為工作模式，其余時間均為待機模式。

1.2 載荷采集模塊

本裝置采用載荷傳感器測量抽油桿承受載荷大小[4]。傳感器量程為0～150 kN，輸出為0～4.5 mV。由于輸出電壓較低，因此，需要對該信號做放大處理才能輸給單片機進行A/D轉換。本裝置采用單電源儀表放大器AD623作為放大電路芯片。載荷采集模塊電路如圖2所示。

圖2 載荷采集模塊電路

AD623的輸入信號VC為IN+與IN-兩腳間的差值，6腳輸出VO為[5]

(1)

本裝置RG采用400 Ω精密電阻器，把輸入信號放大250倍，即將載荷傳感器輸出范圍0～4.5 mV放大為0～1.129 5 V。信號放大后，送入MSP430的P6.0/A0引腳。

1.3 加速度采集模塊

本裝置的加速度傳感器采用Analog Devices公司生產的ADXL103，該芯片測量范圍為±1.7gn，可以通過在輸出引腳安裝不同容量電容器選擇輸出信號的低通濾波器帶寬。加速度采集電路如圖3所示。

圖3 加速度采集模塊電路

本裝置中ADXL103采用3 V供電，輸出靈敏度為560 mV/gn，Xout引腳連接10 μF濾波電容器，低通濾波器帶寬設置為0.5 Hz。ADXL103對抽油機懸點上下方向加速度測量的輸出通過濾波后送入MSP430的P6.1/A1引腳。

1.4 無線模塊

本裝置無線模塊采用nRF905，與單片機的連接關系如圖4所示。

圖4 nRF905連接圖

當nRF905接收完一個正確的數據包，并且自動移去字頭、地址和CRC校驗位后，DR引腳會置高，因此，將與DR相連的P2.2設置為中斷源，上升沿中斷。MSP430在等待RTU發送指令時處于LPM4低功耗模式，當nRF905接收到RTU指令后，DR引腳置高，觸發中斷，將MSP430喚醒執行相關操作。

2 無線示功儀的工作模式

按照應答方式的不同，本無線示功儀具有被動和主動兩種工作模式。

2.1 被動工作模式

該工作模式下，未接收到RTU指令時，nRF905一直處于接收模式，無線示功儀為等待指令狀態，MSP430處于低功耗模式，NCP500電源芯片2設置為待機模式。RTU每隔一定時間向無線示功儀發送測量示功圖指令，無線示功儀收到指令后，將MSP430從低功耗模式喚醒，NCP500電源芯片2設置為工作模式，進行示功圖采集，采集完成后將NCP500電源芯片2設置為待機模式，nRF905設置為發送模式，再把示功圖發送給RTU。發送結束后，nRF905設置為接收模式，MSP430再次進入低功耗模式。

該工作模式下，無線示功儀被動接收RTU的指令，不會主動測試、發送示功圖。這是一種常見的工作模式，適用于一臺RTU連接多臺無線示功儀的情況，但是該模式下無線模塊長時間處于接收模式，能耗較大，縮短了電池使用壽命。

2.2 主動工作模式

為降低能耗，延長電池使用壽命，本裝置還可工作于主動模式。該模式下，無線示功儀根據設置時間間隔自動測量示功圖，測量完成之前，nRF905設置為待機模式；測量完成后，nRF905設置為發送模式，再將示功圖傳輸給RTU。無線示功儀傳輸完成后，nRF905設置為接收模式，并維持5 min，期間可以接收RTU指令，如轉換工作模式、修改示功圖的測量時間間隔等。5 min后，將nRF905設置為待機模式，直至再次測量完示功圖。

一般每隔0.5 h或1 h測量一次示功圖，因此,在大部分時間內無線示功儀為空閑狀態，nRF905為待機模式，并且只在測量示功圖時將電源芯片2設置為工作模式，從而大大降低能耗。但為了防止出現多臺無線示功儀同時向一臺RTU傳輸數據，該模式只適用于一臺RTU對應一臺無線示功儀的情況。

3 加速度數據的濾波處理

示功圖的位移可以通過對加速度數據的二次積分獲得[6]。由于機械振動和加速度芯片自身的原因，在MSP430采集的加速度數據中疊加了大量干擾。直接對加速度數據進行二次積分會將這些干擾放大，使位移計算出現較大誤差，因此,積分前必須對加速度數據進行濾波處理。為了濾除加速度數據中的干擾，本文提出了一種綜合濾波算法。

該算法首先利用滑動平均濾波消除高頻噪聲干擾，再自動計算出一閾值，通過該閾值消除尖峰干擾。該算法包括以下步驟：

1)對加速度信號進行采樣，保存于數組X，包括X(0)～X(N-1)，共N個數據；

2)對加速度數據進行2次七點滑動平均濾波，消除高頻干擾，單次七點滑動平均濾波公式為

(2)

3)根據濾波后的加速度數據計算閾值T

(3)

4)利用閾值T消除加速度數據中的尖峰干擾，計算步驟如下：

選擇一常數k，計算相鄰兩點的差值D=X(i)-X(i+1)，其中,i=3～N-5，如果|D|≤kT，X(i+1)保持原值，如果|D|>kT，當D>0時，X(i+1)=X(i)-kT;當D<0時，X(i+1)=X(i)+kT。

圖5和圖6是加速度數據濾波前后的對比。通過對比可以看出，濾波后的加速度數據變化較平滑，干擾大大減少。

圖5 濾波前的加速度數據

圖6 濾波后的加速度數據

對加速度數據濾波后，通過比較極值點判斷周期，再通過二次積分計算出位移量。

4 測試分析

4.1 能耗測試

在不同的工作狀態下，本裝置電池的供電電流如表1所示。

表1 示功儀電池供電電流

Tab 1 Supply current of dynamometer battery

工作模式被動工作模式指令主動工作模式工作狀態測試示功圖發送示功圖等待指令測試示功圖發送示功圖等待指令空閑狀態供電電流(mA)18.0514.6013.545.9714.6015.753.72

設示功儀每小時測試一次示功圖，下面對該裝置在兩種工作模式下每小時的能耗和電池使用時間分別進行計算分析。

1)被動工作模式

該模式下，測試一個示功圖大約耗時4 min，即240 s，發送示功圖大約耗時2 s，等待指令時間約為3 600-240-2=3 358 s，根據表1可計算出1 h的總能耗為49 828.52 mA·s。本裝置電池容量為19 Ah，可供電時長為

19×1 000×3 600 mA·s/49 828.52 mA·s/h≈

1 372.7 h≈57 d.

因此,在被動模式，電池供電情況下，該裝置工作時間近2個月。

2)主動工作模式

該模式下，測試與發送示功圖時間與被動模式相同，等待指令時間為5 min，即300 s，空閑狀態時間為3 600-240-2-300=3 058 s，根據表1計算出1 h的總能耗為17 562.76 mA·s。該模式下，本裝置電池供電時長為

19×1 000×3 600 mA·s/17 562.76 mA·s/h≈

3 894.6 h≈162 d.

因此,在主動模式，電池供電情況下，該裝置工作時間在5個月以上。

該裝置電池實際使用時間與上述計算時間近似。通過分析可知，在條件允許的情況下，采用主動工作模式可以明顯降低能耗，延長電池使用時間。

4.2 示功圖測試

本示功儀在華北油田多口抽油機進行了長期實驗，表2為其中三口抽油機的測量值和真實值的比較。

表2 示功儀測量數據表

Tab 2 Measurement data of dynamometer

抽油機任斜檢8任264任60—1沖次(min-1)測量值真實值6.76.73.94.01.81.8沖程(m)測量值真實值3.033.062.913.012.802.72載荷范圍(kN)測量值真實值24.82～56.9225.24～55.2515.43～36.6415.51～35.4349.31～75.7450.65～76.75

由表2可以看出:該示功儀所測沖次、沖程、載荷的數據準確，與真實值差距很小。圖7為抽油機任斜檢8的實測示功圖。

經過測試，本示功儀對于沖程2～5 m，沖次1～7沖的抽油機均可準確測量示功圖，并正確傳輸給RTU。該示功儀工作穩定，性能良好。

5 結 論

本文研制的雙模式無線示功儀，根據加速度二次積分計算位移，通過無線模式將示功圖數據發送給上位機，并且具有主動和被動兩種工作模式，適應不同的工作條件，延長電池供電時間，同時所設計的綜合濾波算法可有效濾除加速度數據中的高頻干擾和尖峰干擾。經過現場測試，該產品測量準確，性能可靠，具有良好的實際應用價值。

圖7 示功儀所測任斜檢8示功圖

[1] 李云飛，吳仲城，吳寶元，等.用于抽油機井示功儀的載荷位移一體化智能變送器[J].儀表技術與傳感器，2012(2):15-17.

[2] 于云華，張家珍，時海濤，等.基于加速度傳感器的油井示功圖位移測量技術研究[J].電子產品世界，2009(9):25-27.

[3] 裴忠民，李貽斌，徐 碩.抽油井無線傳感器網絡太陽能示功儀硬件設計[J].傳感器與微系統，2012，31(2):137-139.

[4] 王濤濤.抽油機智能監控系統的研究與設計[D].西安：西安科技大學，2012.

[5] 王建新，任永峰，焦建新.儀表放大器AD623在數采系統中的應用[J].微計算機信息(測控自動化)，2007,23(3-1):169-170.

[6] 容太平，沈承虎.用加速度傳感器測量位移的原理與誤差分析[J].華中科技大學學報，2000，28(5):58-60.

Design of a kind of dual-mode wireless dynamometer for well pumping unit*

PAN Da-wei, YU Yun-hua

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum (East China),Dongying 257061,China)

Aiming at disadvantages of high fault rate of tie-line and angle types dynamometer and high energy consumption of passive work mode wireless dynamometer,a kind of wireless dynamometer with active and passive work mode is designed.The dynamometer can test dynamometer card and upload data not only according to command received the but also can automatically do these works according to the established procedure.A kind of comprehensive filtering algorithm is designed,which can effectively remove high-frequency interference and peak interference in acceleration datas.The hardware circuit,work mode and filtering program are described in detail,and test analysis on energy consumption and dynamometer card data are given.The field application shows that the device has advantages of high reliability,accurate measurement and low energy consumption.

dynamometer; dual mode; well pumping unit; comprehensive filtering algorithm

2015—06—04

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(14CX02178A)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0061—04

TE 355

A

1000—9787(2015)09—0061—04

潘大偉(1979-)，男，山東德州人，碩士，講師，主要研究方向為油井監測領域的電子系統設計。