CN108020267A - 基于ZigBee的油田抽油机多功能测量仪表及方法 - Google Patents

基于ZigBee的油田抽油机多功能测量仪表及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法，主要包括：电源底板、主控板、显示板和上位机，所述主控板叠插在所述电源底板上，所述显示板叠插于所述主控板或者通过DB15线引出来设置于控制柜门上，所述上位机通过有线或者无线的方式和所述的主控板进行通信。本发明的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法，可以实现实时动态获取数据、数据精度高以及安全可靠的优点。

Description

基于ZigBee的油田抽油机多功能测量仪表及方法
技术领域
本发明涉及油田抽油电机多功能测量技术领域，具体地，涉及基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法。
背景技术
抽油机是油田作业中的主要设备，抽油机在采油过程中，由电机带动链条使磕头机维持上下运动从而将石油源源不断抽上来，这个过程抽油机将电能转换成磕头机工作的机械能。抽油机电能至机械能的转换效率直接关系到油田开采耗电成本和总体的经济效益，然而，现实采油作业中由于各种因素的影响与技术条件的限制导致电机电能利用率不高，大量的电能被消耗掉。目前，普通电量仪表在居民小区已经有了较为普遍的应用，但是通常只具备电能计量和过流过压保护功能，功能单一，内部结构简单，电量处理芯片运算速度慢，精度不高，不适用于油田作业中。
ZigBee是建立在IEEE802.15.4标准之上的一种低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。ZigBee技术主要用于自动控制和远程控制领域，能融入各类电子产品，应用范围横跨全球民用、商用、公用以及工业等市场。
现有发明多功能抽油电动机节能保护控制方法及控制器(专利号201510878378.6)提供了一种一次性解决抽油电动机的节能和安全运行诸多问题的解决方案，设计了宽范围电流测量电路以及装置内置的传感器和单片机电路，实现了电动机电压、电流的测量。
用反推法，根据本发明的优点来找对应的缺点；现有发明的缺点是，不具备无线传输功能，也不具备电动机保护功能。油田作业现场环境恶劣，现有发明能够不方便工作人员长期现场测量来获取相关的电量参数信息。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法，以实现实时动态获取数据、数据精度高以及安全可靠的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，主要包括：
电源底板、主控板、显示板和上位机，所述主控板叠插在所述电源底板上，所述显示板叠插于所述主控板或者通过DB15线引出来设置于控制柜门上，所述上位机通过有线或者无线的方式和所述的主控板进行通信。
进一步地，所述电源底板包括电源转换模块、电压互感器、3路继电器输出电路和3路数字量输入电路。
进一步地，所述电源底板还与外置电流互感器相连接；所述的外置电流互感器在正常工作电流范围内，向电量仪表提供电网的电流信息，在电网故障状态下，向继电保护装置提供电网故障电流信息。
进一步地，所述主控板包括处理器、电量信号采集电路、A/D转换电路、RS485、以太网和ZigBee。
进一步地，所述电量信号采集电路采用的电量芯片为ATT7022EU，适用于三相三线方式和三相四线方式的三相电能计量，支持纯软件的校表，提供包括RMS视在方式和PQS视在方式的两种功率、能量计量方式，提供一路SPI总线与处理器进行校表与测量数据的交互。
进一步地，所述A/D转换电路采用MCP3204，抽油电机工作时需要采集油井井口的温度和压力信号，根据温度与压力的设定安全值来报警，起到保护电机的作用。
进一步地，所述ZigBee接收抽油现场发送来的温度和压力值，或者与所述的上位机进行通信。
进一步地，所述上位机通过有线或者无线的方式与所述的主控板进行通信；
有线的方式利用所述的RS485和以太网进行通信，无线方式主要是通过ZigBee模块进行数据的传送和指令的接收。
进一步地，基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量方法，主要包括：
步骤100：电量芯片在正常工作之前进行校表，并进行参数配置；
步骤200：电量芯片测量抽油电机的各种电参数并计算获取各种电量值，同时，带有ZigBee功能的温度和压力变送器采集现场的温度和压力信号；
步骤300：电量芯片将各种电量值，通过SPI总线与STM32单片机进行数据交换；现场采集到的温度和压力信号经由Zigbee通讯模块、Zigbee模块、A/D转换芯片、SPI总线，上传给STM32单片机，并把电量信号存放到提前分配好的地址；
步骤400：主控板STM32单片机采集到的抽油电机的各种电量值通过液晶显示板显示出来，并可以通过四个按键进行选择。
进一步地，步骤100中所述参数配置具体包括：
步骤102：向模式配置寄存器w_ModeCfg写入0XB9FE，打开Vref Chopper可以提升参考电压的性能，配置EMU为921.6Khz，关闭第零通道；
步骤104：向w_EMUCfgEMU寄存器写入0XF804，关闭基波引脚输出功能同时打开电能计量功能，配置使用PQS视在功率能量计算；
步骤106：往w_ModuleCFG模块配置寄存器写入0X3427，开启七个A/D通道的高通滤波功能同时开启BOR电源检测功能；
步骤108：往w_QPhscal无功相位校正寄存器写入0X0000，该寄存器默认状态下就是对应fEMU为921.6Khz的设定值，第一步已经设定EMU的频率为921.6Khz，因此不需要校正；
步骤110：最后，计算并给HFConst赋值。
本发明的有益技术效果：
1、本发明采用IEEE802.15.4的无线通信方式，可快速的实现数据的动态传输和抽油电机保护，通过计算机能动态观测电量的变化。具有低传速率、低功耗、协议简单、短延时、网络容量大和安全可靠等主要优点，是目前油田抽油电机电量测量的有效方法，为油井高效安全生产提供有利条件；
2、本发明采用ATT7022EU电量芯片，测量精度高，使用方便，相关电路安装简单，能轻松测量出三相电流、电压、功率因数和频率等，同时支持纯软件的校表，提供一路SPI总线与处理器进行校表和测量数据的交互；提高了测量精度，能有效的反映油井抽油电机的电量参数，为油井安全作业提供保障；
3、本发明结构简单，安装方便，性价比高，而且设备日常安全检查维修方便，不影响安装效果和数据的精确性；
4、作业人员可以现场或者远程观察抽油电机的电量情况，并动态监测抽油井井口的温度和压力，能实现电量采集、电机保护、远程监测和数据存储等功能，不仅安装方便、功能齐全，而且数据传输快捷方便。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明所述基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法的原理结构示意图；
图2为本发明所述基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法的电流有效值Ic和电压有效值Ua数码管显示图；
图3为本发明所述基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表及方法的线电压和合相功率液晶显示图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明主要包括电源底板、主控板、显示板和上位机四部分，如图1所示。
所述的电源底板包括电源转换模块、电压互感器、3路继电器输出和3路数字量输入电路。
所述的电源转换模块包括DC/DC电源转换芯片LM2596-12和LM2596-5，控制电压转换供给电路所需的12VDC电源供电和所述的主控板上的A/D转换电路所需的5V直流供电。
所述的电压互感器用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量抽油电机的电压、功率和电能，并且也可以在线路发生故障时保护线路中的抽油电机。
所述的3路数字量输入和3路继电器输出采用PC817光耦隔离，外部输入端用12V供电，内部输出端3.3V电压经10K上拉电阻与所述的STM32F103VET6单片机管脚连接，保护CPU不受外界干扰。
所述的外置电流互感器和电源底板连接。所述的外置电流互感器在正常工作电流范围内，向电量仪表提供电网的电流信息。在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。
所述的主控板包括处理器、电量信号采集电路、A/D转换电路、RS485、以太网和ZigBee。
所述的处理器采用STM32F103VET6单片机。
所述的电量信号采集电路采用的电量芯片为ATT7022EU，适用于三相三线方式和三相四线方式的三相电能计量，支持纯软件的校表，可以提供包括RMS视在方式和PQS视在方式的两种功率、能量计量方式，提供一路SPI总线与处理器进行校表与测量数据的交互
所述的A/D转换电路采用MCP3204，抽油电机工作时需要采集油井井口的温度和压力信号，根据温度与压力的设定安全值来报警，起到保护电机的作用。
所述的RS485通信采用ADM2587E，本发明可以通过485通信远程对抽油电机进行启动运行、停止运行等操作，可设定操作报警提示，并且可以远程设定保护以及各种整定值。
所述的以太网采用ENC28J60，可以与上位机进行通讯。
所述的RS485通信和所述的以太网同时存在使本发明具有更好的兼容性，可以根据应用环境选择合适的通讯方式。
所述的ZigBee，可以接收抽油现场发送来的温度和压力值。抽油现场采用带有ZigBee功能的温度和压力变送器，能够采集抽油现场的温度和压力信号，不使用线缆将电流信号传送到多功能电表上的ZigBee模块。也可以和所述的上位机进行通信。
所述的显示板包括8位数码管显示板和液晶显示板。其中，所述的8位数码管显示板选用HT1632C驱动数码管显示。所述的液晶显示板选用小尺寸的JLX12864G液晶屏。
所述的显示板由四个按键、17个LED指示灯以及8位数码管组成。
所述的四个按键布局在显示板的下方区域，从左至右分别是故障手动复位键“复位”、菜单键“Menu”，增加键“▲”，回车键
所述的显示板采用LG3641AH共阴数码管为核心，以LED显示灯为辅助，利用10位数码管和17个LED灯分别实现抽油电机三相电压、三相电流等参数的显示。
所述的上位机可以通过有线或者无线的方式和所述的主控板进行通信。有线的方式可以利用所述的RS485和以太网通信，所述的无线方式主要是通过ZigBee模块进行数据的传送和指令的接收。
本发明通过所述的电源底板与所述的主控板叠插起来工作。所述的显示板可以选择叠插在所述的主控板上，也可以通过DB15线引出来到控制柜门上显示。
本发明的工作过程：
主控板电量芯片ATT7022EU测量抽油电机三相的电流有效值、电压有效值、功率因数、频率，并可以计算各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能和无功电能等参数，通过SPI总线和STM32F103VET6单片机进行数据交换。
同时，带有ZigBee功能的温度和压力变送器将现场采集到的温度和压力信号通过Zigbee通讯模块传送到多功能电表主控板上的Zigbee模块，主控板上的A/D转换芯片MCP3204通过SPI总线将Zigbee模块接收到的抽油井井口的温度和压力转换为电压信号上传给STM32单片机，并把电量信号存放到提前分配好的地址。
主控板采集到的抽油电机的各种电量值都可以通过液晶显示板显示出来，并可以通过四个按键进行选择。当上位机想要获取某个电量信息时，先给电量仪表发送读取命令，电量仪表通过有线方式是或者Zigbee模块把对应的电量信息传给上位机。
所述的电量芯片ATT7022EU在正常工作之前需要进行校表行为，校表即根据某个电量信号电量芯片的采集值与该电量信号的实际值来计算出校表参数，把这个校表参数写入到与这个电量信号对应的寄存器内，从电量芯片再次读取这个电量信号的值就会近似等于实际值。
参数的配置步骤为下：
(1)向模式配置寄存器w_ModeCfg写入0XB9FE，打开Vref Chopper可以提升参考电压的性能，配置EMU为921.6Khz，关闭第零通道。
(2)向w_EMUCfgEMU寄存器写入0XF804，关闭基波引脚输出功能同时打开电能计量功能，配置使用PQS视在功率能量计算。
(3)往w_ModuleCFG模块配置寄存器写入0X3427，开启七个A/D通道的高通滤波功能同时开启BOR电源检测功能。
(4)往w_QPhscal无功相位校正寄存器写入0X0000，该寄存器默认状态下就是对应fEMU为921.6Khz的设定值，第一步已经设定EMU的频率为921.6Khz，因此不需要校正。
(5)计算并给HFConst赋值，HFConst的计算公式如公式(1)所示：。
HFConst＝2.592*Vu*Vi*10^10*1.06*1.06/(EC*Un*Ib) (1)
其中Vu为三相电压A/D通道的电压值计算结果为0.367；Vi为三相电流A/D通道的电压值计算结果为0.033；EC为脉冲常数本课题的取值为3200；Un为额定电压，取值为220；Ib为额定电流，取值为30。HFConst计算结果为16.7。
ATT7022EU校表数据部分程序：
通过上述技术方案进行具体实施：
通过JYM-3B三相电能表校验装置进行测量电流的校准效果。JYM-3B三相电能表校验装置的输出电压和电流是按照百分比的规则控制的，在开机后使用前需要设置额定电流和单相对地额定电压，同时选择额定电流为30A，单相对地额定电压为220V。在进行校表试验的时候多次改变电压电流标准值来实现校表。改变输出电压的方式是先按下电能表校验装置的U按键，然后输入比例。在三相四线模式下电流的校表效果如表1所示，单位为A。
表1
结果显示，本发明的多功能电量仪表的基本功能能够实现并且在采样精度上有一定保证。
在测量之后，可以从显示板上的数码管显示看出电流有效值Ic和电压有效值Ua结果，如图2所示。以及液晶屏上显示的线电压和合相功率，如图3所示。
至少可以达到以下有益效果：
1、本发明采用IEEE802.15.4的无线通信方式，可快速的实现数据的动态传输和抽油电机保护，通过计算机能动态观测电量的变化。具有低传速率、低功耗、协议简单、短延时、网络容量大和安全可靠等主要优点，是目前油田抽油电机电量测量的有效方法，为油井高效安全生产提供有利条件；
2、本发明采用ATT7022EU电量芯片，测量精度高，使用方便，相关电路安装简单，能轻松测量出三相电流、电压、功率因数和频率等，同时支持纯软件的校表，提供一路SPI总线与处理器进行校表和测量数据的交互；提高了测量精度，能有效的反映油井抽油电机的电量参数，为油井安全作业提供保障；
3、本发明结构简单，安装方便，性价比高，而且设备日常安全检查维修方便，不影响安装效果和数据的精确性；
4、作业人员可以现场或者远程观察抽油电机的电量情况，并动态监测抽油井井口的温度和压力，能实现电量采集、电机保护、远程监测和数据存储等功能，不仅安装方便、功能齐全，而且数据传输快捷方便。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，主要包括：
电源底板、主控板、显示板和上位机，所述主控板叠插在所述电源底板上，所述显示板叠插于所述主控板或者通过DB15线引出来设置于控制柜门上，所述上位机通过有线或者无线的方式和所述的主控板进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述电源底板包括电源转换模块、电压互感器、3路继电器输出电路和3路数字量输入电路。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述电源底板还与外置电流互感器相连接；所述的外置电流互感器在正常工作电流范围内，向电量仪表提供电网的电流信息，在电网故障状态下，向继电保护装置提供电网故障电流信息。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述主控板包括处理器、电量信号采集电路、A/D转换电路、RS485、以太网和ZigBee。
5.根据权利要求4所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述电量信号采集电路采用的电量芯片为ATT7022EU，适用于三相三线方式和三相四线方式的三相电能计量，支持纯软件的校表，提供包括RMS视在方式和PQS视在方式的两种功率、能量计量方式，提供一路SPI总线与处理器进行校表与测量数据的交互。
6.根据权利要求4所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述A/D转换电路采用MCP3204，抽油电机工作时需要采集油井井口的温度和压力信号，根据温度与压力的设定安全值来报警，起到保护电机的作用。
7.根据权利要求1所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述ZigBee接收抽油现场发送来的温度和压力值，或者与所述的上位机进行通信。
8.根据权利要求1所述的基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量仪表，其特征在于，所述上位机通过有线或者无线的方式与所述的主控板进行通信；
有线的方式利用所述的RS485和以太网进行通信，无线方式主要是通过ZigBee模块进行数据的传送和指令的接收。
9.基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量方法，其特征在于，主要包括：
步骤100：电量芯片在正常工作之前进行校表，并进行参数配置；
步骤200：电量芯片测量抽油电机的各种电参数并计算获取各种电量值，同时，带有ZigBee功能的温度和压力变送器采集现场的温度和压力信号；
步骤300：电量芯片将各种电量值，通过SPI总线与STM32单片机进行数据交换；现场采集到的温度和压力信号经由Zigbee通讯模块、Zigbee模块、A/D转换芯片、SPI总线，上传给STM32单片机，并把电量信号存放到提前分配好的地址；
步骤400：主控板STM32单片机采集到的抽油电机的各种电量值通过液晶显示板显示出来，并可以通过四个按键进行选择。
10.根据权利要求9所述基于ZigBee的油田抽油电机多功能测量方法，其特征在于，步骤100中所述参数配置具体包括：
步骤102：向模式配置寄存器w_ModeCfg写入0XB9FE，打开Vref Chopper可以提升参考电压的性能，配置EMU为921.6Khz，关闭第零通道；
步骤104：向w_EMUCfgEMU寄存器写入0XF804，关闭基波引脚输出功能同时打开电能计量功能，配置使用PQS视在功率能量计算；
步骤106：往w_ModuleCFG模块配置寄存器写入0X3427，开启七个A/D通道的高通滤波功能同时开启BOR电源检测功能；
步骤108：往w_QPhscal无功相位校正寄存器写入0X0000，该寄存器默认状态下就是对应fEMU为921.6Khz的设定值，第一步已经设定EMU的频率为921.6Khz，因此不需要校正；
步骤110：最后，计算并给HFConst赋值。
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