抽油機位移測量裝置設計

王 琰，孫洪岐，謝軼群，潘大偉

(山東石油化工學院 機械與控制工程學院，山東 東營 257000)

0 引言

抽油機井的示功圖和電功圖是分析抽油機井生產過程工況的常用方法。示功圖是由抽油機井的光桿載荷和懸點位移組成的閉合曲線，電功圖是由抽油機井的電功率和懸點位移組成的閉合曲線。光桿載荷通過安裝于懸點的載荷傳感器直接測量；電功率由安裝于抽油機井配電箱內的電功率表直接測量；位移參數由拉線式位移傳感器、角度式位移傳感器或加速度傳感器測量。其中，拉線式位移傳感器是直接測量，角度式和加速度式位移傳感器是間接測量，由于拉線式和角度式故障率較高，使用較少，因此抽油機井的位移參數主要利用加速度傳感器輸出的加速度數據的二次積分間接計算[1]。

本文利用加速度傳感器檢測抽油機懸點的運動加速度，用單片機對加速度傳感器輸出的模擬量進行AD轉換，通過數字濾波算法對轉換結果進行濾波處理，進而計算出位移數據。最后，利用WiFi模塊將計算的位移數據遠傳至電功圖測量裝置或者示功圖測量裝置。

1 硬件電路設計

1.1 整體設計方案

測量裝置包括電源電路、單片機控制電路、加速度采集電路、無線傳輸電路、存儲電路等部分，如圖1所示。

圖1 裝置設計

裝置工作時固定于抽油機懸點，由電源電路向整個裝置供電，用ADXL327型加速度傳感器測量懸點的運動加速度，單片機的AD模塊將轉換結果轉換為數字量，并進行數字濾波，再通過雙重積分計算抽油機井的位移數據，最后經無線傳輸電路將測量結果發送至電功圖或者示功圖測量裝置。

1.2 電源電路

測量裝置安裝于抽油機懸點，且懸點一直處于運動狀態，無法使用電纜供電，因此采用鋰電池供電。所選鋰電池額定電壓為3.7 V，額定容量為10 000 mAh。裝置的單片機、加速度芯片、無線傳輸電路均采用3.3 V供電，為滿足裝置供電要求，選用由安森美半導體生產的高效能低壓降線性穩壓器NCP3335A。該芯片采用小型Micro8封裝，輸出電流500 mA，滿足裝置的供電要求[2]。電壓轉換電路如圖2所示。

圖2 電壓轉換電路

裝置鋰電池為可充電池，為保證電池能長期、反復使用，設計了充電電路。主控芯片為TP4056，是一款適用于單節鋰電池采用恒流/恒壓的線性充電器[3]。電路如圖3所示，圖中R4阻值為1.2 KΩ，充電電流設置為1 A。利用D1指示充電狀態，電池充電時，D1點亮；充電結束，D1熄滅。

1.3 單片機電路

裝置選用鉅泉光電生產的HT5023型單片機，該單片機采用ARM Cortex-M0型內核，具有256 KB容量ROM和32 KB容量RAM，最高工作頻率39.32 MHz，同時具有三路Σ-ΔADC，可實現高精度采樣[4]。該型號單片機在睡眠模式下供電電流僅為2.9 μA，正常模式全速運行時供電電流僅有8 mA，具有低功耗、高速度、高精度AD轉換的特點，能夠滿足測量裝置的要求。

1.4 加速度采集電路

裝置選用ADI公司生產的ADXL327型加速度計測量抽油機懸點的運動加速度[5]，芯片的測量范圍為-2 g～+2 g，三軸檢測，LFCSP型封裝，供電電流低至350 uA。該芯片固定于抽油機懸點，當懸點運動時，三軸加速度計中檢測到的加速度分量發生變化，Xout，Yout，Zout 3個引腳輸出電壓發生變化，該電壓值與所測量加速度大小成正比。由于加速度計輸出電壓范圍是0～3.3 V，所選單片機的AD范圍是0～1 V，因此將加速度計輸出信號轉換為三分之一后，再送入單片機進行AD轉換，電路如圖4所示。

圖4 加速度采集電路

1.5 無線通信電路

位移數據測量完成后，需要將其發送至電功儀或示功儀，因此配備了無線通信電路，電路核心器件是安信可科技生產的ESP-01S型WiFi模塊。該模塊為DIP-8封裝，占用面積小，支持多種休眠模式，待機功耗低至0.1 MW，適合小型儀表使用，并采用串口與單片機通信，接線簡單[6]。ESP-01S設置為AP工作模式和SERVER，監聽電功儀或示功儀的位移測量請求指令，當位移數據測量完成后，再通過該模塊將測量結果發送給電功儀或示功儀，電路如圖5所示。為了降低整個裝置的功耗，ESP-01S的GND端通過一個MOS管與電路板的GND相連。當不使用該模塊時，斷開MOS管，即將模塊斷電，以減小整個裝置的耗電量。

圖5 無線通信電路

1.6 存儲電路

裝置運行時，需要存儲部分參數，因此設計了存儲電路。存儲芯片型號為FM24W256，是一片容量為256 Kbits，即32 KB的鐵電存儲器，可承受1014次的讀寫操作，工作時僅消耗電流100 μA[7]。通過I2C總線與單片機通信，為保證通信正常，在SCL和SDA兩個管腳連接了上拉電阻，電路如圖6所示。

圖6 存儲電路

2 軟件程序設計

程序開發環境為Keil uVision5，采用模塊化程序設計，主程序流程如圖7所示。系統上電后，對系統進行初始化，包括單片機時鐘設置、IO口設置、ESP-01S設置等；設置完成后，等待測量指令。接收到位移測量指令后，對加速度傳感器的輸出進行AD轉換，然后對轉換數據進行數字濾波，通過雙重積分計算位移數據，計算完成后，利用WiFi模塊將位移數據傳輸給示功儀或電功儀。

圖7 主程序流程

3 現場實驗

測量裝置安裝于勝利油田的多口抽油機進行測試。如圖8所示為在辛11Z147井所測位移曲線，該抽油機為游梁式，沖次為1.37，沖程為3.0 m；如圖9所示為在辛11×73井所測位移曲線，該抽油機為皮帶式，沖次為1.93，沖程為5.4 m。實驗結果可以看出，位移測量裝置能準確測量游梁式和皮帶式抽油機的位移數據。

圖8 辛11Z147位移曲線

圖9 辛11×73位移曲線

4 結語

本文利用電源電路、單片機電路、加速度測量電路、無線數據傳輸電路、數據存儲電路搭建了抽油機位移參數測量裝置，通過ADXL327型加速度傳感器采集抽油機懸點的加速度，單片機對傳感器輸出進行AD轉換和雙重積分計算抽油機懸點的位移數據，并通過WiFi模塊將位移信息傳輸至示功儀或電功儀。所研究設備采用加速度傳感器對位移進行測量，克服了拉線式位移傳感器和角度式位移傳感器測量不方便、易損壞的缺點，有效降低了元件成本，并采用WiFi傳輸數據，減少了操作人員的工作量。現場實驗測試表明，裝置具有運行可靠、精度高、功耗低、使用成本低等優點，擁有良好的實際應用價值。