CN102966346A - 基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪，包括载荷传感器、加速度传感器与AD采集转换芯片组成的加速度载荷同步采样单元、Zigbee无线传输单元、功图数据存储单元、太阳能充电单元、CPU采集控制单元、系统参数配置和电源管理部分。本发明示功仪使现场测量重复性好，可靠性高，提高了工作效率，达到实时掌握井况，实现了井场远程自动化测试、自动化控制。

Description

基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪

技术领域

本发明涉及油井远程监控系统中的无线低功耗油井示功仪。

背景技术

示功图用于监测油田采油井工作状态，是由采油机悬点载荷随位移的变化关系所构成的封闭曲线图。表示悬点载荷与位移关系的示功图称为地面示功图或光杆示功图。油井示功图是油井工作状态的重要表征，可以全面反映井下抽油泵运行状况以及原油的开采情况，通过分析可以了解油井动态及抽油装置的各项参数选择是否合理。

传统的电子示功仪，其位移传感器大多采用拉线式或角位移传感器。拉线式测量冲程存在仪器笨重、断头率高、局部磨损严重等不足，对现场操作造成了很多不便；而角位移传感器安装和拆卸都必须停机，这样不但操作过程烦琐、效率低，而且停机还会引起井况和泵况的变化，反映出的工况与正常工况有一定的差别并且操作不安全，常有事故发生,而且上述方案测量的示功图基本都为单机板,无法实现井场远程自动化测试、自动化控制。

传统示功仪主要为单机设备,通过同步采样位移传感器或角位移传感器号及载荷信号得到抽油机一个冲程内的位移数据及载荷数据,经数据加工处理,绘制出示功图,其结构基本包括位移、载荷数据采样与传输、示功图信息的显示、示功图数据的后期处理等三部分构成，需要得到每口井井况时,必须到现场进行安装后,现场测量得到抽油机地面示功图。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪，使现场测量重复性好，可靠性高；提高了工作效率，达到实时掌握井况，实现了井场远程自动化测试、自动化控制。

本发明的技术方案是：一种基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪，其特征是包括载荷传感器、加速度传感器与AD采集转换芯片组成的加速度载荷同步采样单元、Zigbee无线传输单元、功图数据存储单元、太阳能充电单元、CPU采集控制单元、系统参数配置和电源管理部分。

CPU采集控制单元：定时采样抽油杆运动的加速度数据，从定时采样到的加速度数据中找出连续的两个加速度极值点，通过计算进而得到抽油机当前运动的冲次；在得到抽油机当前冲次的条件下，根据一条完整功图需要的采样点数计算得到加速度和载荷同步采样间隔，CPU按照计算的采样间隔通过控制AD采集转换芯片定时同步采样加速度和载荷传感器输出，并分别进行相关的滤波运算，将加速度数据通过二次积分得到各个采样点的位移及冲程；载荷数据通过滤波及剔除误差值后与得到的对应位移值组成一个完整地面示功图数据，并得到冲程值；

Zigbee无线传输单元：采用定时唤醒的方式接收井场RTU的扫描指令，并将其功图转发给井场RTU，传输完毕后自动进入休眠状态。

功图数据存储单元：将采集计算完成后的示功图数据保存，以备对历史数据查询需要。

本发明在不增加功图测试仪成本及设备重量条件下，通过以下技术途径解决了现有技术缺点:

① 在示功图测量方面,替换掉基于拉线的位移传感器，通过内部集成加速度感应芯片,对抽油机一个冲程内加速度数据滤波、积分等软件算法，由加速度间接计算得到抽油机冲程，以及运动过程中的各个位移点，替换掉现有直接利用位移传感器测量冲程时仪器笨重、断头率高、局部磨损严重等不足，从而使现场测量重复性好，可靠性高。

② 在每台基于加速度传感器的功图测试仪上增加基于Zigbee协议栈的无线传输模块，利用Zigbee模块其自组网、网络容量大、数据传输可靠等特性，使得井场每口井的功图数据能够实时传输到后台服务器，油井管理人员能够远程实时获得每口井的井下状态，而不需要每口井现场测量，提高了工作效率，达到实时掌握井况，实现了井场远程自动化测试、自动化控制。

本发明的有益效果

本发明通过测量抽油杆加速度间接得到位移量，测试过程不影响正常生产，不仅能绘制示功图，显示出图形上的各点数据，还可以通过内部嵌入的Zigbee无线模块利用其自组网、无线路由等功能，实时、可靠的将每口井示功图数据传输至井场RTU，并通过以太网传输至后台服务器，配合井场电机测控单元等实现了井场远程自动化测试、及自动化控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图。

图2a是加速度输出调理电路图。

图2b是载荷采样电路图。

图3是Zigbee无线传输单元电路图。

图4是太阳能充电单元电路图。

图5是功图数据存储单元电路图。

图6是电源管理部分电路图。

图7是井1现场测试效果图。

图8是井2现场测试效果图。

具体实施方式

如图1所示，基于Zigbee的无线低功耗油井示功图测试仪包括载荷传感器、加速度传感器与AD采集转换芯片组成的加速度载荷同步采样单元、Zigbee无线传输单元、功图数据存储单元、太阳能充电单元、CPU采集控制单元、系统参数配置和电源管理部分。

主要完成对每口井冲次(冲次是指抽油机的抽油杆每分钟内上下往复运动的次数)、冲程(冲程是指抽油机驴头上下往复运动时在光杆上的最大位移)、以及示功图(采油机悬点载荷随位移的变化关系所构成的封闭曲线图，也即一个往复运动中，每个位移与对应载荷构成的曲线图)等参数。以下结合附图对本发明进行详细说明。

一、冲次计算原理

CPU定时采样抽油杆运动的加速度数据，利用抽油机驴头在上下死点处会出现加速度最大和最小极值的特点，从定时采样到的加速度数据中找出连续的两个加速度极值点，两个极值点之间的采样个数与定时采样间隔的乘积为一个完整冲程对应的时间，进而得到抽油机当前运动的冲次。

二、加速度载荷同步采样单元

由载荷传感器、加速度传感器与AD采集转换芯片组成的加速度载荷同步采样单元，电路图如图2a和图2b所示。加速度传感器选用ADXL203加速度传感器。ADXL203加速度传感器是美国模拟器件（AD）公司的新型单芯片双轴传感器，测量范围是±1.7g，可以承受3500g振动冲击。相对于传统的加速度计，成本比较低，性能好，功耗低。此外该加速度计可以同时测量两个垂直方向的加速度，适用于静态和动态的加速度测量，温度范围–40～+85℃。

载荷传感器准确度0.1%FS(载荷满量程范围)，载荷测量范围0-150KN，输出灵敏度为1.276MV/V，可在低至3V电压下工作，温度范围–40～+85℃。

为了达到对位移和载荷1%的采样精度，采用ADS8341转换芯片。ADS8341 是带有SPI 串行接口的4 通道独立输入16bit模/数转换器, 在5V供电和100KHz采样率的条件下典型功率损耗为8MW，基准电压VREF可以在500mV~Vcc之间变化，被转换电压变化范围在0V~VREF之间，在低功耗模式下芯片的功率消耗将低于15 mw。ADS8341 可保证最低在2.7V 正常工作。可正常工作在–40～+85℃。

三、CPU采集控制单元

在得到抽油机当前冲次的条件下，根据一条完整功图需要的采样点数计算得到加速度和载荷同步采样间隔，CPU按照计算的采样间隔通过控制AD采集转换芯片定时同步采样加速度和载荷传感器输出，并分别进行相关的滤波运算，将加速度数据通过二次积分得到各个采样点的位移及冲程；载荷数据通过滤波及剔除误差值后与得到的对应位移值组成一个完整地面示功图数据，并得到冲程值(即位移最大值)。图7是井-1现场测试效果图；图8是井-2现场测试效果图。

图中横坐标为位移，单位：米；纵坐标为载荷，单位：KN。

图7中，冲次：3.59；冲程：1.27米；最大载荷：47.8KN；最小载荷：25.00KN；图8中，冲次：2.37；冲程：5.12米；最大载荷：44.5KN；最小载荷：19.3KN。

四、Zigbee无线传输单元

Zigbee无线传输模块采用2.4GHz IEEE 802.15.4协议和ZigBee自动组网技术，具有高抗干扰能力、低误码率以及低功耗等特性。其硬件接口电路如图3所示。

Zigbee无线传输模块大部分时间处于休眠状态（主要为省电考虑），采用定时唤醒的方式接收井场RTU的扫描指令，并将其功图转发给井场RTU，传输完毕后自动进入休眠状态。在数据传输过程中利用Zigbee模块具有自组网、防碰撞等机制，能够保证功图数据实时、准确的传输至井RTU单元，井场RTU在接收后台服务器的轮询扫描，将功图数据经过以太网传输到后台服务器，井场RTU与无线功图测试仪之前采用MODBUS RTU工业通讯协议，井场RTU与后台服务器之间采用MODBUS TCP协议传输。

五、太阳能充电单元

太阳能充电单元通过充电管理芯片完成太阳能板输出电流能力有限的电压源对锂电池的充电，当太阳能电池电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式，由锂离子电池为系统供电。

太阳能充电管理芯片选用CN3063，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。当输入电压掉电时，CN3063自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。太阳能充电单元电路图如图4所示。图中J2接太阳能板充电输出。

六、功图数据存储单元

功图数据存储单元采用高密度大容量nand flash ，其存储容量为32MB，能够连续存储1年以上功图数据。主要实现将采集计算完成后的示功图数据保存，以备对历史数据查询需要。功图数据存储单元电路图如图5所示。

七、系统参数配置部分

系统参数配置单元主要实现对备地址、Zigbee通信信道等参数设置。

八、电源管理部分

电源供电部分通过低功耗的线性稳压器为CPU单元一直供电，CPU工作后配置完相关参数进入休眠模式，CPU单元自动唤醒后根据需要分别控制电源管理部分相应线性稳压器输出，给载荷传感器、加速度传感器及信号调理采样单元供电及NAND_FLASH单元供电；其电路图如图6所示。电路图中u1、u2、u3为低压差的线性稳压器，其中3脚EN端为高电平是输出有效，为低电平时输出无效，此时消耗电流为ua级，以达到省电目的。

Claims (1)

1.一种基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪，其特征是包括载荷传感器、加速度传感器与AD采集转换芯片组成的加速度载荷同步采样单元、Zigbee无线传输单元、功图数据存储单元、太阳能充电单元、CPU采集控制单元、系统参数配置和电源管理部分，

其中CPU采集控制单元：定时采样抽油杆运动的加速度数据，从定时采样到的加速度数据中找出连续的两个加速度极值点，通过计算进而得到抽油机当前运动的冲次；在得到抽油机当前冲次的条件下，根据一条完整功图需要的采样点数计算得到加速度和载荷同步采样间隔，CPU按照计算的采样间隔通过控制AD采集转换芯片定时同步采样加速度和载荷传感器输出，并分别进行相关的滤波运算，将加速度数据通过二次积分得到各个采样点的位移及冲程；载荷数据通过滤波及剔除误差值后与得到的对应位移值组成一个完整地面示功图数据，并得到冲程值；

Zigbee无线传输单元：采用定时唤醒的方式接收井场RTU的扫描指令，并将其功图转发给井场RTU，传输完毕后自动进入休眠状态；

功图数据存储单元：将采集计算完成后的示功图数据保存，以备对历史数据查询需要。

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