基于Zigbee的潛油電泵振動測試系統設計研究

高峰

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163316）

潛油電泵是目前國內外各大油田機械采油的主要設備之一，具有排量大、揚程高、操作管理方便等特點。然而，潛油電泵機組的綜合故障率較高，這給油田造成重大損失。實踐證明，振動過大往往是引發潛油電泵機組故障的根源之一。

潛油電泵機組的振動不但與其結構較為復雜、工作環境惡劣有關，而且與設計和制造也有很大關系。因此，潛油電泵制造廠家在機組出廠前采用潛油電泵振動測試系統對機組進行振動測試。現有的潛油電泵振動測試系統振動的采集采用傳統測試方法。數據采集和傳輸均采用模擬信號，不但精度低，而且易受到振動、電磁場等惡劣環境的干擾；采用了6個單軸振動傳感器，所需的6根通信電纜不但增加了維護成本，而且由于作業環境的限制，電纜易發生物理性損壞，信靠傳輸可靠性差。本文采用了數字式三軸加速度計進行振動信號采集，不但將傳感器數量降為原有一半，而且提高了數據采集的精度，增強抗干擾性；采用Zigbee無線進行信號的傳輸，取消了通信電纜，降低維護成本同時提高測試作業效率及測試信號傳輸可靠性。

潛油電泵振動測試系統可分三部分：振動數據采集終端、無線接收模塊、上位機。如圖1所示。

圖1 潛油電泵振動檢測與故障診斷系統結構框圖

振動數據采集終端位于井下，分為三層，每層終端由測振架、振動傳感器組成。測振架將振動傳感器緊緊的與被測機組殼體剛性連接。測試過程中，振動傳感器采集潛油電泵振動狀態并存儲；當測試結束機組提升至地面，傳感器通過Zigbee無線信號將振動數據發送到無線接收模塊。

1 系統硬件設計

無線接收模塊將接收到的數據進行打包處理，并通過RS232總線發送給上位機。

上位機對輸入振動數據進行顯示、存儲、分析。

1.1 振動傳感器

振動傳感器主要由加速度計、CC2530無線微控制器、電源模塊組成。其系統結構如圖2所示。

圖2 振動數據采集終端系統結構圖

由于空間體積的限制，傳感器采用集成化設計，滿足性能要求的同時減少器件，縮小體積。加速度計采用ADI公司的三軸加速度計ADXL345，是基于iMEMS技術的三軸、數字輸出加速度傳感器，±2g～±16g可變的測量范圍，內帶緩存，從而減輕處理器的負擔并降低了系統功耗。具有較高的頻響、分辨率、靈敏度、3mm×5mm×1mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標準的IIC或SPI數字接口。無線微控制器采用TI公司CC2530F256模塊，具有256kB的Flash閃存，內置標準的增強型8051CPU，支持2.4GHz、IEEE 802.15.4協議可直接在模塊內進行編程開發，實現數據無線發送。電源模塊采用3.7V/80mAh聚合物充電電池，具有體積小、重量輕、可充電的優點同時，可直接為加速度計及無線微控制器提供合適電壓，無需電源電路設計。

1.2 無線接收模塊

無線接收模塊主要由無線收發模塊、處理器、電源模塊組成。其系統結構如圖3所示。

圖3 無線接收模塊系統結構圖

處理器采用ST公司STM32F103微控制器，其采用32位Cortex-M3內核，512k的Flash ROM，最 高72MHz運算頻率，擁有3個UART接口，滿足大量數據轉換處理與傳輸的需要。

2 軟件設計

2.1 振動傳感器程序設計

潛油電泵機組在振動測試時，整個機組浸沒于水下，采集數據無法通過Zigbee無線信號實時傳輸，因此振動傳感器采用“異步工作方式”，即數據采集和數據傳輸分時進行。在機組測試時，傳感器先采集并記錄振動數據，待測試結束機組提出測試井后，傳感器再將采集到的振動數據通過Zigbee網絡上傳至上位機。振動傳感器程序流程如圖4所示。CC2530F256有五種工作模式。分別為主動模式、空閑模式、PM1、PM2、PM3。為了減少能耗，傳感器采用PM3外部中斷喚醒模式。在硬件設計上設有微動開關，當振動數據采集終端夾緊潛油電機外殼時，微動開關動作，發出外部中斷喚醒信號，實現無線微控制器功能喚醒。

圖4 振動傳感器程序流程圖

2.2 無線接收模塊程序設計

無線接收模塊程序流程如圖5所示。整個無線網絡采用“星型網”拓撲結構，作為無線網絡協調器，無線接收模塊會在周圍空間建立無線網絡，當作為網絡節點的傳感器掃描到無線網絡后，向協調器提出連接請求，協調器會根據情況決定是否允許其連接。節點成功加入網絡后，協調器會分配給節點網絡地址，發送數據傳送命令，節點接收到傳送命令后進行數據發送。協調器將接收到的信息整理后，通過RS232總線接口上傳至上位機，從而實現上位機對振動數據的存儲、顯示及分析。

圖5 無線接收模塊程序流程圖

3 系統測試與分析

整個系統在大慶市某試驗井進行測試。檢測機組為全新QN130型潛油電泵、YQY138-140D型潛油電機。振動數據采集終端如圖1所示卡在電機表面上，測試電機振動情況。電機的技術參數如表1所示。電機在穩定運行的情況下進行測試，測試時間為15min，測試結果如圖6所示。測試結果表明：基于CC2530設計的無線振動傳感器能夠準確、穩定地采集潛油電泵機組振動狀態，并自動與無線接收模塊進行組網，快速、準確的將采集到的振動數據上傳至上位機，實現對潛油電泵機組振動狀態的顯示、存儲與評價。此外，在測試過程中，對數據采集終端的安裝、下井、測試結束后的起井，數據采集終端的拆卸等過程中，無需考慮對信號電纜進行整理和保護的問題，大大提高了作業效率，避免由于信號電纜損壞等情況造成的系統故障，提高可靠性。該系統在容量擴展方面也具有很大的靈活性和方便性。

表1 YQY143-140D型潛油電機技術參數

圖6 潛油電機振動測試結果

4 結語

本文論述了基于Zigbee的潛油電泵機組振動測試系統設計，詳細介紹了系統設計布局，振動數據采集終端、無線接收模塊的硬件及軟件設計。試驗證明：該系統能夠有效的對潛油電泵機組振動狀態進行信息采集、傳輸、顯示與數據分析。與傳統振動測試系統相比，提高了測試數據精度，測試作業效率及測試系統可靠性，同時系統在容量擴展方面也更加靈活和方便。