CN102536203A - 一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，包括嵌入式手持端和工业级PC端；嵌入式手持端采用上下位机双嵌入式处理器结构，由下位机实时数据采集系统和上位机数据处理分析系统组成；下位机实时数据采集系统为基于混合信号处理微控制单元的数据采集卡；所述的上位机数据处理分析系统为基于先进精简指令集机器的状态监控卡；所述的工业级PC端为位于油田采油厂控制室的深度数据分析系统，用以完成离线分析任务：相关分析、对比分析、设备性能趋势预测、专家知识生成与执行。本发明提供一种灵活性良好，对工况环境要求低，适用范围宽，且结构简单，操作简便，费用较低的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统。

Description

一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统

技术领域

本发明涉及油田注采设备过程监测与控制领域，尤其是涉及一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统。

背景技术

油田注采设备(如抽油机、注聚泵、注水泵等)是油田应用最为广泛的关键设备，具有种类型号繁多、设备位置分散、连续工作要求高、工作环境恶劣等特点。多年来，对于注采设备的维修与监测一般采用定期巡检制度，无法做到运行状态的实时监控，设备预知维修能力差。随着计算机技术的发展，有部分油田推行了基于PC机模式在线故障诊断系统，可实现对设备状态的实时监测和故障预测，但其灵活性差，对工况环境要求高，适用范围窄，且结构复杂，操作繁琐，费用较高。

发明内容

为了克服基于PC机的油田注采设备监控系统存在的灵活性差，对工况环境要求高，适用范围窄，且结构复杂，操作繁琐，费用较高的不足，本发明提供一种灵活性良好，对工况环境要求低，适用范围宽，且结构简单，操作简便，费用较低的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，所述手持式状态监测与故障诊断系统包括嵌入式手持端和工业级PC端；嵌入式手持端采用上下位机双嵌入式处理器结构，由下位机实时数据采集系统和上位机数据处理分析系统组成；

所述的下位机实时数据采集系统为基于混合信号处理微控制单元的数据采集卡，用以负责油田注采设备的多路实时模拟信号的采集、A/D转换、数字滤波、数据预处理和压缩分组；

所述的上位机数据处理分析系统为基于先进精简指令集机器的状态监控卡，通过通用串行接口接收下位机上传的数据，利用先进精简指令集机器的事务控制、文件管理、内存管理和多任务并行，实现对下位机上传实时数据的拆分、计算分析、图形显示以及故障判断；承担实时数据的处理、动态分析及精简的专家系统故障诊断工作，并利用工业以太网接口将数据传输至工业级PC端进行深度分析；

所述的工业级PC端为位于油田采油厂控制室的深度数据分析系统，用以完成离线分析任务：相关分析、对比分析、设备性能趋势预测、专家知识生成与执行。

作为优选的一种方案，所述下位机实时数据采集系统中，采用多层板与多板组合结构，利用混合信号处理微控制单元支持的5种超低功耗模式，利用混合信号处理微控制单元具备的精简计算机指令集、片内AD、多通道串行接口以及硬件乘法器，构建可满足高集成度、强处理能力的移动并行实时数据采集系统，并结合器多种芯片时钟工作模式进行功耗调度；

所述的5种功耗模式为：外部的32.768KHz低速晶振在系统待机省电模式启用；系统时钟MCLK维持系统基本任务运行；低速时钟ACLK负责低速外设时间驱动；高速时钟SMCLK负责高速外设的时间驱动；外部的8MHz高速晶振在系统全速运行的时候启动。

再进一步，所述下位机实时数据采集系统包括模拟信号调理放大电路、高频滤波电路、混合信号处理微控制单元调试接口电路、复位电路、外扩快速静态随机存储器电路、通用串行口驱动电路、端口切换电路、外围器件供电电路、核心器件供电电路和AD外部电压基准电路等模块；

所述的模拟信号调理电路与标准电压式加速度传感器相连接，通过混合信号处理器实现多路现场实时数据的采集及预处理，并根据既定的数据传输协议进行打包，通过通用串行接口传给上位机；

所述的高频滤波电路为基于可调电抗器件，采用双调谐耦合方法；

所述的混合信号处理微控制单元调试接口电路，一端为14针联合测试行动小组接口，与混合处理器相连，向混合信号处理器导入可执行代码，并检测引脚电平；另一端为4针通用串行接口，与普通PC机相连；上述两种接口的转换通过CH341芯片实现；

所述的复位电路为看门狗复位电路，在微控制器中程序发生跑飞或死锁现象时的手动复位；

所述的外扩快速静态随机存储器电路采用多片高速、低功耗的复合金属氧化物半导体静态随机存储器HY62WT08081E，存储空间为32K字节，与混合信号处理器的内部存储器访问速度兼容，支持12个独立通道的并行信号数据采集。

作为优选的另一种方案，所述的上位机数据处理分析系统中，主处理器为先进精简指令集处理机，采用ARM920T内核，其最高工作频率为203MHz；利用其具备的哈佛结构高速缓存以及全性能内存管理单元，实现对多种嵌入式操作系统的硬件平台支持，实现并行信息处理、实时任务管理与动态调度。

进一步，所述的上位机数据处理分析系统包括先进精简指令集处理机主芯片及其外围器件电路，所述的外围电路包括九针串口通讯接口、扩展存储模块、通用串行通讯模块、工业以太网通讯模块、液晶显示模块以及电源管理模块；

所述的扩展存储模块包括面向本地数据缓冲的静态随机存储器与Flash存储器、面向移动存储的紧凑型Flash存储器，利用闪存文件系统YAFFS2进行文件管理。

再进一步，所述的工业以太网为面向注采设备的工厂自动化以太网EPA，采用分层化的网络安全管理方式。

更进一步，所述手持式状态监测与故障诊断系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块分为两个电能供给单元和参考源电路，利用可充电电源管理电路调控纽扣电池组，分别负责核心器件与外围器件的供电，包括上位机系统与下位机系统；

所述的两个电能供给单元为两套隔离电源系统：5V提供给模拟电路电源；3.3V提供给数字电路电源，上述两部分通过光耦器件光电隔离；

所述的模拟电路电源采用MAX751转换芯片，该芯片将1.2V～5.25V的输入电压稳压成5V电压输出，适用于电池供电的系统使用；

所述的数字电路电源采用AAT3221转换芯片将5V电压变为3.3V提供给混合信号处理器、存储器和通用串行口控制芯片；

所述的参考源电路利用TVL431芯片给混合信号处理器的内置AD提供转换基准电压；

所述的可充电电源管理电路是利用BQ24202锂电池充电管理单芯片实现对纽扣电池组的充放电管理，能够实现恒流充电、放电，提供500mA的放电电流。

本发明的技术构思为：嵌入式系统技术是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用与对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的新兴专用计算机系统。一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。嵌入式技术的突飞猛进促使监测仪器向结构轻巧、性能优越、成本低、操作简便的方向发展。

因此，本发明提出了一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统实现方案，该系统集数据采集和管理、状态监测、故障诊断于一体，具有低功耗、体积小巧、易于操作、实时性好且抗干扰性强等优点，适用于测点分散、对安全性要求高且工作环境恶劣的油田注采设备的监测和诊断，能够较好的解决当前油田注采设备监测中存在的一些问题。

本发明的有益效果主要表现在：

1)集数据采集和管理、状态监测、故障诊断于一体，具有低功耗、体积小巧、易于操作、实时性好且抗干扰性强等优点。

2)可适用于测点分散、对安全性要求高且工作环境恶劣的油田注采设备的监测和诊断。

3)双重嵌入式处理器构建，处理能力强、稳定性好，可满足高频度振动信号的处理与状态识别。

附图说明

图1是系统功能构架示意图；

图2是系统模块划分与数据流；

图3是下位机系统硬件构架；

图4是上位机系统硬件构架。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

参照图1～图4，一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，注采设备运行过程中诸多工作参数如压力、流量、温度、振动等都可以作为监测信号，实现对其监控与维护的目的。其中振动信号包含了丰富的运行状态信息，易于拾取，相关信号处理理论较为成熟，且可以进行免拆装监测。因此，本发明将测量振动作为设备监测的主要实现手段。

针对上述问题，本发明提供的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其总体功能框架可分为嵌入式手持端和工业级PC端两部分；嵌入式手持端为系统核心功能单元，采用上下位机双嵌入式处理器结构，由下位机实时数据采集系统和上位机数据处理分析系统组成，如附图1所示。

上述方案所涉及的下位机实时数据采集系统为基于混合信号处理微控制单元(Mixed Signal Processor-Micro Control Unit，MSP-MCU)的数据采集(DataAcquisition，DAQ)卡，是完成注采设备数据采集和发送的载体，负责油田注采设备的多路实时模拟信号的采集、A/D转换、数字滤波、数据预处理、压缩分组等功能任务；利用MSP-MCU的超低功耗电源管理能力实现对系统硬件规模及耗电量有效调控，并其体积和功耗等可达到手持巡检设计要求，如附图2所示。其中，手持巡检设计要求为：横向尺寸小于15cm，满足手掌持取范围；待机功耗为微安级，满足长时间巡检工作需求。

上述方案所涉及的上位机数据处理分析系统为基于先进精简指令集机器(Advance RISC Machine，ARM)的状态监控卡，通过通用串行接口(Universal SerialBus，USB)接收下位机上传的数据，利用ARM的事务控制、文件管理、内存管理、多任务并行等功能，实现对下位机上传实时数据的拆分、计算分析、图形显示以及故障判断等功能任务；承担实时数据的处理、动态分析及精简的专家系统故障诊断等工作，具备友好的真彩薄膜场效应晶体管(Thin Film Transistor，TFT)人机接口，并利用工业以太网接口将数据传输至工业级PC端进行深度分析，如附图2所示。

上述方案所涉及的工业级PC端为位于油田采油厂控制室的深度数据分析系统，既可以通过工业以太网对注采设备的运行状态进行实时监控，也可以基于本地存储的历史监控数据，完成较复杂的离线分析任务：相关分析、对比分析、设备性能趋势预测、专家知识生成与执行。其中，工业以太网为面向注采设备定制的工厂自动化以太网(Ethernet for Plant Automation，EPA)，采用分层化的网络安全管理措施确保其实时性。

下位机数据采集系统承担着多路实时数据的采集和预处理，对体积和功耗等要求比较严格。结合当前比较流行的嵌入式控制器及其技术支持，本发明选择美国德州仪器(TI)公司的MSP430F149作为下位机CPU。MSP430F149处理能力强，运行速度快，性价比高，且具备优越的低功耗性能，尤其适合手持仪器的设计与开发。

下位机实时数据采集系统采用多层板与多板组合设计方法实现硬件体系架构，使其满足手持监测仪器的应用需求。利用MSP430F149支持的5种超低功耗模式，实现长时间无源工作功耗需求；利用MSP430F149具备的精简计算机指令集、片内AD、多通道串行接口以及硬件乘法器，构建可满足高集成度、强处理能力的移动并行实时数据采集系统，并结合器多种芯片时钟工作模式进行功耗调度，使其功耗性能得到进一步保证。

上述的硬件体系架构由模拟信号调理放大电路、高频滤波电路、混合信号处理微控制单元调试接口电路、复位电路、外扩快速静态随机存储器电路、通用串行口驱动电路、端口切换电路、外围器件供电电路、核心器件供电电路、AD外部电压基准电路等模块组成。其中，模拟信号调理电路与标准电压式加速度传感器相连接，通过混合信号处理器实现多路现场实时数据的采集及预处理，并根据既定的数据传输协议进行打包，通过通用串行接口传给上位机。高频滤波电路为基于可调电抗器件，结合双调谐耦合方法，滤除模拟信号中的高频噪声。混合信号处理微控制单元调试接口电路，一端为14针联合测试行动小组接口，与混合处理器相连，向混合信号处理器导入可执行代码，并检测引脚电平；另一端为4针通用串行接口，与普通PC机相连；上述两种接口的转换通过CH341芯片实现。复位电路为看门狗(Watchdog)复位电路，实现在微控制器中程序发生跑飞或死锁现象时的手动复位。外扩快速静态随机存储器电路采用了多片高速、低功耗的复合金属氧化物半导体静态随机存储器HY62WT08081E，其存储空间为32K字节，与混合信号处理器的内部存储器访问速度兼容，最多可以支持12个独立通道的并行信号数据采集。5种功耗模式为：外部的32.768KHz低速晶振在系统待机省电模式启用；系统时钟MCLK维持系统基本任务运行；低速时钟ACLK负责低速外设时间驱动；高速时钟SMCLK负责高速外设的时间驱动；外部的8MHz高速晶振在系统全速运行的时候启动。

上位机数据处理分析系统的主处理器为先进精简指令集处理机，采用ARM920T内核，其最高工作频率为203MHz；利用其具备的哈佛结构高速缓存以及全性能内存管理单元，可实现对多种嵌入式操作系统的硬件平台支持，可实现并行信息处理、实时任务管理与动态调度；上位机系统集成了完整的系统外围设备，消除了为系统配置额外器件的需要，减少了系统的成本，为设计与开发性价比较高的油田注采设备手持监控系统提供了很好的解决方案。

综合考虑当前流行的嵌入式微处理器的性能、成本等因素，本发明选择了三星S3C2410A-20作为上位机CPU。S3C2410A-20使用ARM920T内核，内部带有全性能的内存管理单元，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小能优良特性，适合本系统的设计要求。

上述方案所涉及的上位机系统硬件构建主要由先进精简指令集处理机主芯片及其外围器件电路构成。其中，外围电路主要包括：九针串口通讯接口、扩展存储模块、通用串行通讯模块、工业以太网通讯模块、液晶显示模块以及电源管理模块等六个部分。扩展存储模块可分为面向本地数据缓冲的静态随机存储器与Flash存储器、面向移动存储的紧凑型Flash存储器。基于上述存储器件，利用闪存文件系统YAFFS2进行文件管理。

电源管理模块分为两个电能供给单元，利用可充电电源管理电路调控纽扣电池组，分别负责核心器件与外围器件的供电，包括上位机系统与下位机系统，并利用参考源电路提高系统的采样精度。

上述方案中所涉及的两个电能供给单元为两套隔离电源系统：5V提供给模拟电路部分；3.3V提供给数字电路部分，上述两部分通过光耦器件光电隔离。上述设计方法一方面使得模数电路的隔离，防止互相干扰，另一方面由于核心部分电压较低，降低了整个系统的整体功耗。

模拟电路电源采用MAX751转换芯片，该芯片可以将1.2V～5.25V的输入电压稳压成5V电压输出，适用于电池供电的系统使用。数字电路电源采用AAT3221转换芯片将5V电压变为3.3V提供给混合信号处理器、存储器和通用串行口控制芯片。参考源电路是为了消除由于系统采用电池统一供电而引起的电压浮动与共模干扰，利用TVL431芯片给混合信号处理器的内置AD提供转换基准电压，以保证AD的转换精度。可充电电源管理电路是利用BQ24202锂电池充电管理单芯片实现对纽扣电池组的充放电管理，能够实现恒流充电、放电，最大可提供500mA的放电电流。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述手持式状态监测与故障诊断系统包括嵌入式手持端和工业级PC端；嵌入式手持端采用上下位机双嵌入式处理器结构，由下位机实时数据采集系统和上位机数据处理分析系统组成；

所述的下位机实时数据采集系统为基于混合信号处理微控制单元的数据采集卡，用以负责油田注采设备的多路实时模拟信号的采集、A/D转换、数字滤波、数据预处理和压缩分组；

所述的上位机数据处理分析系统为基于先进精简指令集机器的状态监控卡，通过通用串行接口接收下位机上传的数据，利用先进精简指令集机器的事务控制、文件管理、内存管理和多任务并行，实现对下位机上传实时数据的拆分、计算分析、图形显示以及故障判断；承担实时数据的处理、动态分析及精简的专家系统故障诊断工作，并利用工业以太网接口将数据传输至工业级PC端进行深度分析；

所述的工业级PC端为位于油田采油厂控制室的深度数据分析系统，用以完成离线分析任务：相关分析、对比分析、设备性能趋势预测、专家知识生成与执行。

2.如权利要求1所述的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述下位机实时数据采集系统中，采用多层板与多板组合结构，利用混合信号处理微控制单元支持的5种超低功耗模式，利用混合信号处理微控制单元具备的精简计算机指令集、片内AD、多通道串行接口以及硬件乘法器，构建可满足高集成度、强处理能力的移动并行实时数据采集系统，并结合器多种芯片时钟工作模式进行功耗调度；

所述的5种功耗模式为：外部的32.768KHz低速晶振在系统待机省电模式启用；系统时钟MCLK维持系统基本任务运行；低速时钟ACLK负责低速外设时间驱动；高速时钟SMCLK负责高速外设的时间驱动；外部的8MHz高速晶振在系统全速运行的时候启动。

3.如权利要求2所述的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述下位机实时数据采集系统包括模拟信号调理放大电路、高频滤波电路、混合信号处理微控制单元调试接口电路、复位电路、外扩快速静态随机存储器电路、通用串行口驱动电路、端口切换电路、外围器件供电电路、核心器件供电电路和AD外部电压基准电路等模块；

所述的模拟信号调理电路与标准电压式加速度传感器相连接，通过混合信号处理器实现多路现场实时数据的采集及预处理，并根据既定的数据传输协议进行打包，通过通用串行接口传给上位机；

所述的高频滤波电路为基于可调电抗器件，采用双调谐耦合方法；

所述的混合信号处理微控制单元调试接口电路，一端为14针联合测试行动小组接口，与混合处理器相连，向混合信号处理器导入可执行代码，并检测引脚电平；另一端为4针通用串行接口，与普通PC机相连；上述两种接口的转换通过CH341芯片实现；

所述的复位电路为看门狗复位电路，在微控制器中程序发生跑飞或死锁现象时的手动复位；

所述的外扩快速静态随机存储器电路采用多片高速、低功耗的复合金属氧化物半导体静态随机存储器HY62WT08081E，存储空间为32K字节，与混合信号处理器的内部存储器访问速度兼容，支持12个独立通道的并行信号数据采集。

4.如权利要求1～3之一所述的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的上位机数据处理分析系统中，主处理器为先进精简指令集处理机，采用ARM920T内核，其最高工作频率为203MHz；利用其具备的哈佛结构高速缓存以及全性能内存管理单元，实现对多种嵌入式操作系统的硬件平台支持，实现并行信息处理、实时任务管理与动态调度。

5.如权利要求4所述的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的上位机数据处理分析系统包括先进精简指令集处理机主芯片及其外围器件电路，所述的外围电路包括九针串口通讯接口、扩展存储模块、通用串行通讯模块、工业以太网通讯模块、液晶显示模块以及电源管理模块；

所述的扩展存储模块包括面向本地数据缓冲的静态随机存储器与Flash存储器、面向移动存储的紧凑型Flash存储器，利用闪存文件系统YAFFS2进行文件管理。

6.如权利要求1～3之一所述的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的工业以太网为面向注采设备的工厂自动化以太网EPA，采用分层化的网络安全管理方式。

7.如权利要求1～3之一所述的面向油田注采设备的手持式状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述手持式状态监测与故障诊断系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块分为两个电能供给单元和参考源电路，利用可充电电源管理电路调控纽扣电池组，分别负责核心器件与外围器件的供电，包括上位机系统与下位机系统；

所述的两个电能供给单元为两套隔离电源系统：5V提供给模拟电路电源；3.3V提供给数字电路电源，上述两部分通过光耦器件光电隔离；

所述的模拟电路电源采用MAX751转换芯片，该芯片将1.2V～5.25V的输入电压稳压成5V电压输出，适用于电池供电的系统使用；

所述的数字电路电源采用AAT3221转换芯片将5V电压变为3.3V提供给混合信号处理器、存储器和通用串行口控制芯片；

所述的参考源电路利用TVL431芯片给混合信号处理器的内置AD提供转换基准电压；

所述的可充电电源管理电路是利用BQ24202锂电池充电管理单芯片实现对纽扣电池组的充放电管理，能够实现恒流充电、放电，提供500mA的放电电流。

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