（信号与信息处理专业论文）电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传研究.pdf

摘要 目前，电动潜油螺杆泵采油是应用较广的一种采油方式。采集电动潜油螺杆泵运行 参数，并对其进行远程传输、分析，为远程进行各种工况分析和故障诊断提供了基础， 对于及时、准确地掌握石油生产情况、提高石油开采的效率有着十分重要的意义。 本文在检测电动潜油螺杆泵运行状态，基于g p r s 技术的远程数据传输，数据处理 和分析等方面进行了比较广泛、深入的研究。论文完成的主要工作如下： 1 实现了电动潜油螺杆泵运行参数的远程传输方案：采用了无线数据通信模块 h 7 11 8 从g p r s 网络接入，数据接收中心从i n t e m e t 接入的方式；制定了系统通 信数据格式，采用g p r s 网络实现了数据无线远程传输。 2 设计了以妣l1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 和六通道同时采样高速a d 转换器 a d s 7 8 6 4 为核心的数据采集电路模块，开发了相应的程序，实现了电压、电流 同时采集。 3 数据接收中心采用v b 语言编程实现了通信、控制数据采集，并进行数据保存、 f f t 分析、参数计算、曲线绘制等功能。 通过本课题的研究，可以在g p r s 网络覆盖的任一地点及时检测电动潜油螺杆泵电 机的工作参数，并传输至数据接收中心，对其进行处理和分析，具有安装方便、传输距 离远等特点，给电动潜油螺杆泵运行状态参数的检测及数据远程传输带来很大便利。 关键词：电动潜油螺杆泵，数据采集，g p r s 网络，无线模块，f f t r e s e a r c ho nd e t e c t i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t y p u m p sr u n n i n gs t a t ep a r a m e t e r sa n dd a t at r a n s m i s s i o n w a n gz h e n g ( s i g n a l & i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f m ax i g e n g ，a s s o c i a t ep r o f y uy u n h u a a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m pi sw i d e l yu s e di no i l e x t r a c t i o n a c q u i s i t i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p sr u n n i n gs t a t e p a r a m e t e r s ，t h ep a r a m e t e r s l o n g r a n g et r a n s m i s s i o na n da n a l y s i sp r o v i d et h eb a s i so f l o n g - r a n g ev a r i o u sc o n d i t i o n sa n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i s t h ea c q u i s i t i o n , t r a n s m i s s i o na n d a n a l y s i sa r ev e r yi m p o r t a n tt og r a s po p p o r t u n ea n da c c u r a t ei n f o r m a t i o no fo i lp r o d u c t i o na n d a l s ob e n e f i c i a lt oi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fo i le x t r a c t i o n t h i st h e s i sh a sr e s e a r c h e do nt h ed e t e c t i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t y p u m p sr u n n i n gs t a t ep a r a m e t e r sa n dl o n g r a n g ed a t at r a n s m i s s i o nb a s e do ng p r sn e t w o r k ， d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t aa n a l y z i n g t h em a i nt a s k so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep l a no fl o n g - r a n g et r a n s m i s s i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t y p u m p sr u n n i n gs t a t ep a r a m e t e r si s r e a l i z e d ：t h em o d ei s a d o p t e dt h a tw i r e l e s s m o d u l eh 7118c o n n e c t st og p r sa n dd a t ar e c e p t i o nc e n t e rc o n n e c t st oi n t e m e t d i r e c t l y t h ed a t af o r m a to fc o m m u n i c a t i o ni nt h es y s t e mi si n s t i t u t e d t h ew i r e l e s s l o n g r a n g et r a n s m i s s i o no fd a t ah a sb e e nr e a l i z e du s i n gg p r s 2 t h ed a t a a c q u i s i t i o n m o d u l ei s d e s i g n e d ，w h i c h h a s t h ek e r n e lo f16 - b i t m i c r o c o n t r o l l e r8 0 c19 6 k ca n d6 - c h a n n e l ，s i m u l t a n e o u ss a m p l i n ga n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r ：a d s 7 8 6 4 t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e da n dt h ef u n c t i o no f c o l l e c t i n gv o l t a g ea n dc u r r e n ts i m u l t a n e o u s l yh a sb e e nr e a l i z e d 3 i nd a t ar e c e p t i o nc e n t e r , v bi sa d o p t e dt op r o g r a ma n di m p l e m e n tt h ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o ni nt h ec o n t r o lo fc e n t e r , d a t as t o r a g e ，f f ta n a l y s i s ， p a r a m e t e r sc o m p u t i n g ，c u r v i n g ，e t e t h r o u g ht h er e s e a r c hi nt h i st h e s i s ，i na r b i t r a r yl o c a t i o n st h a tg p r sn e t w o r kc 9 3 v e r s ，w e c a l ld e t e c tt h ee l e c t r o m o t o rp a r a m e t e r so fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p o p p o r t u n e l yp a r a m e t e r sc a nb et r a n s m i t t e dt o d a t ar e c e p t i o nc e n t e rf o rp r o c e s s i n ga n d a n a l y s i s t h es y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i c so fe a s yi n s t a l l a t i o na n dl o n g - r a n g et r a n s m i s s i o n ，e r e w i t ht h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e t e c t i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p s r u n n i n gs t a t ep a r a m e t e r sa n d t h ed a t al o n g r a n g et r a n s m i s s i o na l ev e r yc o n v e n i e n t k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p ，d a t aa c q u i s i t i o n ，g p r sn e t w o r k ， l l w i r e l e s sm o d u l e ，f f t 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：一至一毒 一 日期：加寥年易月立日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 圭矗 指导教师签名 日期：扣8 年b 月g 日 日期：矽芳年厂月6 日日期：矽彩年石月6日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 现在，潜油螺杆泵采油技术在石油开采业中得到了日益广泛的应用。螺杆泵采油工 艺技术经过近几年的不断发展和完善，取得了较大的进步。但是随着螺杆泵应用规模的 扩大，由于螺杆泵油井的工作环境较差，故障频率较高，造成螺杆泵井的故障及不合理 工况不能及时发现，部分螺杆泵井带病运行，影响了油田生产。 采集电动潜油螺杆泵运行参数及利用无线传输网络对参数进行远程传输，对于及 时、准确地掌握石油生产情况，进行科学决策有着十分重要的意义： ( 1 ) 有利于降低工人劳动强度 一般各大油田油井距驻地远，人工进行采集数据往返时间长，工作量大，而且费用 高，影响采油过程中的正常维护工作；电动潜油螺杆泵运行参数的采集及其远程传输， 可以在室内远程检测螺杆泵的运行参数，有利于降低工人劳动强度。 ( 2 ) 有利于及时采集生产数据，掌握生产情况 如果按一般每天只测一次装置工作参数来看，有些参数由于测试麻烦，一个月甚至 更长时问才能测一次。由于数据量小，很难进行数据统计分析，影响领导决策：电动潜 油螺杆泵运行参数的采集及其远程传输，可以快速测试、及时上传数据，并以此为依据 进行科学的生产分析，为决策提供可靠依据。 ( 3 ) 有利于及时发现问题，提高效益 设备异常情况如能早发现早处理，就可将损失减至最低，否则很可能造成设备损坏 甚至酿成重大事故；电动潜油螺杆泵运行参数的采集及其远程传输，可以及时发现设备 的故障，从而减少设备损坏，提高石油产量。 1 2 课题国内外研究现状 1 2 1 电动螺杆泵采油技术发展过程及研究现状 螺杆泵问世于本世纪3 0 年代，螺杆泵被用作使用工业中的人工举升设备开始于2 0 世纪8 0 年代初期。2 0 世纪8 0 年代初，美国的r o b b i n s & m y e r s 公司率先在采油工程中 把莫伊诺原理应用于人工举升，制造了首批采油螺杆泵，并把螺杆泵作为一种新型的人 工举升技术推向市场【1 1 。到上世纪末，螺杆泵已成为稠油开采的最好人工举升方法。据 统计，到上世纪末，我国各油田共有螺杆泵采油系统生产油井近2 5 0 0 口，螺杆泵已成 为我国油田主要的机械采油方式之一，其在国内外油田均得到了很大的发展。螺杆泵采 第l 章绪论 油设备与其它机械采油设备相比，具有节省一次投资、地面装置结构简单、质量轻、操 作易、泵效高、节能、占地面积小等特点。螺杆泵可以较好地应用于含砂井、稠油井的 开采【2 】。 螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类，而地面驱动按不 同的驱动型式又可分为皮带传动和直接传动两种形式，井下驱动也可分为电驱动和液压 驱动两种形式。目前国内外应用的螺杆泵采油系统主要有两种：一种是地面驱动螺杆泵 采油系统，另一种是潜油电机驱动螺杆泵采油系统。 在螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也比较成熟。但地面驱动螺杆泵常使抽 油杆接箍松脱和螺纹损坏，在水平并和定向井中还存在着抽油杆、油管偏磨等问题 3 3 。 电动潜油螺杆泵的研制就是在上述背景下提出的。电动潜油螺杆泵从根本上排除了 有杆螺杆泵在原油开采中的抽油杆断脱和在深井、抖井中使用受到限制的问题，而且也 克服了潜油电动离心泵输送稠油效率低的缺陷【4 】。电动潜油螺杆泵与其他采油设备相比， 具有适应井液范围广、没有杆柱磨损、易于管理、高效节能等优点【5 j ，尤其适用于稠油 井、含砂井、含气井、水平井和定向井的采油作业中，尤其适合海上平台采油。 电动潜油螺杆泵采油系统属于无杆采油，是由井下潜油电机直接驱动螺杆泵转子高 速转动实现举升的机械采油设备。电动潜油螺杆泵采油系统主要由油管锚、潜油电机、 保护器、减速器、柔性轴、螺杆泵、电缆等井下设备和接线盒、控制屏、变送设备等地 面控制装置组成，典型的控制系统如图1 1 所示。除了这些必要部件，还需要一些附属 部件，包括泄油阀、扶正器、井下测量仪表、传感器、驱动装置等。 潜油电机是泵工作的动力源，主要由定子、转子机构支撑系统、油路循环系统、上 下接头和引线连接系统组成；减速装置由减速器和保护器组成，减速器的一个作用是将 电机高转速转变为螺杆泵需要的工作转速，另一个作用是使泵达到工作要求扭矩；柔性 轴连接在螺杆泵和减速装置之间，将潜油电机的同心运动转为螺杆泵所需要的偏心运 动；螺杆泵由定子和转子组成，定子是内部模压高弹性合成橡胶的钢管，转子是一个细 长的金属螺杆【6 1 。定转子之间形成一个封闭腔，当转子在定子内部转动时，螺旋腔体会 从一端移向另一端，吸入口的液体会随着腔体的螺旋移动向泵出口端排出，经油管输送 至地面。 电动潜油螺杆泵采油系统的工作原理【7 】是：将电机( 带电缆) 、保护器、减速装置、 柔性联轴器、进口节、螺杆泵及油管等部件通过有序连接下入油井中；地面电源通过变 压器、控制柜、接线盒和电缆与电机相连；通过地面的控制变送装置，将电能送给井下 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 驱动电机，电机带动螺杆旋转，将电能转化为机械能，将井中的原油举升到地面，从而 达到提取井下稠油的目的。 井t = l控锄框 图1 - 1电动潜油螺杆泵采油系统 f i g l 一1 e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p i n gs y s t e m 由于螺杆泵油井的工作环境较差，故障频率较高，螺杆泵井的故障及不合理工况不 能及时发现，部分螺杆泵井带病运行，影响了螺杆泵举升工艺的应用效果，因而造成的 财产损失很大。 1 2 2 油田设备监测的发展过程及现状 由于油田生产环境较差，因此，首先了解包括潜油螺杆泵在内的各种油田设备的监 测情况，可以为潜油螺杆泵的监测提供借鉴和参考。 美国等西方发达国家从六十年代起就开始了井场计算机监测及诊断技术的研究，现 在已经达到利用计算机进行集成化监控的水平。小型轻便的设备有“便携式诊断仪和 “车载小型计算机系统”，可以实现数据的现场采集、存储、数据处理等功能，该设备已 3 第1 章绪论 被广泛应用到最佳抽油参数设计、选择抽油设备等方面；而在大型综合集成化的研究和 应用方面，己达到整个井场集成化监测控制的水平：由分布在各个采油机械和工地的数 据采集监测子装置采集并初步分析出各工作参数及生产情况，然后通过各种通信装置将 数据结果发送到总监控中心，由总控中心的大型计算机设备综合和分析处理传送过来的 数据信息，从而达到对整个井场的全面、集成化控制，从而大大提高了石油的开采效率 和生产水平。在这一领域，我国起步较晚。 在二十世纪六十年代，我国开始研究、生产有关油田上设备、装置的远程监控系统。 到九十年代，国内有不少采油厂多次安装过各种制式的远程监控系统。但由于受各种因 素的限制，特别是不能解决在采油基层设备数目较多、且分散范围较广这个问题，因而 多数系统最终没能进入到实用阶段；九十年代后，微波技术迅速发展起来，科技人员希 望利用这一技术来实现油田上各种装置的远程监测。利用微波技术实现远程通讯具有通 讯速度快，传送距离远等优点，但实现这一技术必须利用卫星通道或构件较大功率微波 站，成本投资非常大【8 】；随着小功率微波通讯技术的发展，使得小范围内的远程监测成 为可能，而且在国内外己经有利用小功率微波通讯设备进行远程监控的系统。与大功率 微波通讯相比，小功率微波通讯成本大大降低，在我国内地少数海上石油平台上己经开 始采用这种设备进行监测。但由于油田上设备的监控系统工作环境恶劣，产品化程度差 等原因，这种技术没有得到广泛的推广应用。 1 2 3 电动潜油螺杆泵采油装置检测及参数远程传输研究现状 ( 1 ) 螺杆泵井的检测与诊断方面 目前，油田对螺杆泵系统的工况诊断多采用光杆受力诊断法【9 】，此方法是通过连接 在井口光杆上的传感器直接测量螺杆泵井柱的载荷和扭矩，利用扭矩法和载荷法对各种 油井故障进行诊断，但这种方法测试时需停井，测试操作较复杂。 另外一种诊断方法，传统电流法诊断是：有大量现场应用经验的专家根据电流值若 干天的变化情况，结合螺杆泵井的生产情况，粗略判断螺杆泵井的工作特征，精度较低。 有资料表明，利用电参数诊断技术【1 0 1 ，通过测量地面驱动螺杆泵电机的工作电流、 电压和功率因数等电参数，可进行螺杆泵井的监测与诊断。此方法的基本原理是用每秒 钟几十个测试点的电流、电压和功率因数等电机工作参数，采用考虑电机内部损耗的计 算方法得到电机的输出轴扭矩，经换算得到光杆扭矩，根据光杆扭矩和采油系统工况间 的对应关系，进行故障诊断。使用该方法，现场测试操作方便，测试所需基础数据容易 准确读取，可不停井进行螺杆泵井的测试与诊断，且具有较高的准确度。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 另外，由目前已有的研究，潜油螺杆泵电机的电参数能在一定程度上反映井下的工 况，可以根据电参数进行井下的工况分析或故障诊断。 ( 2 ) 数据的远程传输方面 目前国内多数采油矿区基本上是靠便携式测试仪或车载测试仪由专人定期到采油 现场测试数据、人工控制。采用人工方式可以满足简单的应用，但是由于油井数量多且 分布范围由几十至上百平方公里，定时巡查的方式必然使工人劳动强度加重，并且影响 了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。现在虽然一定程度上已建立了石油管理 局一级的管理信息系统，但油井现场的数据还不能实现无缝上传，企业必须选用更为理 想的通信方式传输数据。 远程数据传输方式主要有：基于无线的远程数据传输和基于有线的远程数据传输。 有线的远程数据传输主要包括【l l 】：基于公用电话网络的远程数据传输、基于i n t e m e t 网 络的远程数据传输、基于电力线载波的远程数据传输、基于专用线路的远程数据传输和 基于现场总线技术的远程数据传输。有线网络的架设通常工期长、费用高，且通常生产 环境较差，网络维护不如无线方式方便。 基于无线的远程数据传输方式主要有：g s m 、g p r s 、卫星通信等。采用无线方式 传输到远端进行装置参数的分析，可以克服由于油田油井比较分散，生产环境较差导致 监控不方便、发现故障不及时的缺点，能够实时发现故障，并且改善了技术人员的操作、 监控环境。目前，油田基本都有移动运营商提供的无线传输网络覆盖，可以很方便地实 现数据远程传输，不需组建自己的网络，大大节省组网成本。 ( 3 ) 相关技术发展情况 在课题采用的技术方面，数据采集技术已经发展成熟，单片机的硬件资源和软件资 源不断丰富与完善，在工业过程控制等诸多领域获得了广泛应用；现在，随着通信技术 的发展，移动运营商网络的优化，无线传输网络的覆盖面越来越广，可以为油田设备的 状态的检测提供良好接入；目前，常用的软件开发语言有v i s u a lc + + 、d e l p h i 、和v i s u a l b a s i c 等。这些开发工具成熟稳定，开发效率高，已开发出很多应用于各种领域的监控 软件。因此，若采用这些软件开发，对采集和传输的参数进行数据接收和分析，并进一 步开发监控中心工况诊断软件是可以实现的。 综上所述，采集潜油螺杆泵电机电参数的方式可以为螺杆泵井的监测提供基础数 据，为工况分析和故障诊断提供基础，而且是切实可行的；采用无线远程数据传输的方 式对采集的参数进行远程传输是比较理想的方式，并且可以利用移动运营商提供的无线 5 第l 章绪论 网络，易于实现。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题主要在电动潜油螺杆泵运行状态参数采集并利用现代通信技术对参数进行 远程传输等方面进行研究。研究的内容主要包括：电动潜油螺杆泵运行状态参数数据采 集模块的设计、利用g p r s 网络传输数据的研究和数据接收中心的应用软件开发。 论文的主要研究工作如下： 第1 章为绪论部分，阐述了本论文研究内容背景，目的和意义，介绍了电动潜油螺 杆泵运行参数检测及其远程传输的研究现状。 第2 章主要介绍了电动潜油螺杆泵运行状态参数检测及数据远程传输的方案。主要 包括系统结构介绍、数据采集模块的设计方案、数据无线远程传输方案的研究和数据接 收中心的功能设计。 第3 章主要阐述了数据采集模块的硬件设计和软件流程。硬件设计主要包括前端传 感器输入通道设计、抗混叠滤波器设计、跟随及放大电路设计、a d 转换电路设计、单 片机电路设计等；软件流程主要介绍了此数据采集模块的工作流程；此外，还介绍了硬 件设计中采用的抗干扰方式。 第4 章主要内容是g p r s 无线传输网络的介绍、利用g p r s 网络组网方案的研究、 系统通信协议的研究和系统通信数据格式的设计。此外，还包括g p r s 无线通信模块的 接入和使用方法。 第5 章主要内容是阐述了数据接收中心网络通信、数据库、f f t 分析及参数计算等 功能的实现原理、方法，并对实验结果进行了相关分析。 6 中国石油大学( 华东) 顾上学位论文 第2 章电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传方案 本章提出了电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传的方案。根据具体功能需 要提出了系统框架，并进一步设计了总体方案；提出了数据采集方案；对目前常用的无 线远程数据传输方式进行了比较，并作出了选择；进行了数据接收中心的功能设计。 2 1 电动潜油螺杆泵运行状态参数检测及数据远传总体方案 首先根据电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传的功能需求，提出了各个功 能的相应实现方式，然后提出了方案总体结构。 ( 1 ) 功能需求 目前电驱动潜油螺杆泵井中，电机的三相电压、三相电流及井口流量数据可以在地 面测量，能够获取一定的现场数据，可据此进一步进行井下的工况分析或故障诊断。因 此，这里采取采集电动潜油螺杆泵电机的电压、电流实现对潜油螺杆泵运行状态的检测。 现在有些数据采集是以数据采集卡等集成芯片实现的。例如，螺杆泵性能检测试验 台的数据采集与处理可由工业控制计算机实现，通过数据采集卡将试验现场的工作参数 采集到计算机中。根据远程控制数据采集及参数远程传输的需要，我们采用自己研发数 据采集模块的方式，这样即可满足目前采集电动潜油螺杆泵电机的电压、电流的需要， 也可以方便扩展，便于日后采集更多螺杆泵的运行参数。 数据远传方面，由于油田生产环境恶劣，有线传输的接入相对于无线方式复杂，不 易维护，而无线传输接入简单，覆盖面广，因此考虑采用无线的方式进行传输。 根据远程接收数据的需要，建立数据接收中心，中心实现与数据采集模块的通信功 能、数据库功能和数据分析等功能。 ( 2 ) 系统框架 根据以上功能需要，提出系统的结构框架。系统由数据采集模块、无线传输网络、 数据接收中心组成。系统框架如图2 - 1 所示。数据接收中心通过无线传输网络，远程控 制数据采集模块进行数据采集，再将采集的数据由无线传输网络上传至数据接收中心， 进行数据存储和分析，从而实现对电动潜油螺杆泵运行参数的检测、远程传输及分析。 7 第2 章电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传方案 数据接收中心 暴懒鼋 i 数据采集模块 数据采集模块 图2 - 1 系统框架 f i 9 2 - 1s y s t e mf r a m e ( 3 ) 总体方案 进一步细化系统的总体结构，无线传输网络可以由g p r s 无线传输网络、i n t e m e t 和g p r s 数据通信终端构成，可得总体结构如图2 2 所示。目前可先采取中心对单点的 结构方式，只对一个单点进行数据采集，日后可扩展为中心对多点的结构方式。 辫j 紫| | ? | 1 。秽擎垆。一j 硝镶冀 ? 嬲琴i j 5；j 鼻。|?。嚣“、； 鹭jg p r s j i n t e m e t j j 蠢 一j 二：，一? 磁? 数据接收中心 图2 2 系统结构 f i 9 2 2s y s t e ms t r u c t u r e g p r s 数据通信终端连接数据采集模块，使其接入g p r s 网络，数据接收中心通过 i n t e r n e t 接入( g p r s 网络的选择和接入方式的比较与选择在后续章节中有详细介绍) 。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 数据接收中心通过g p r s 网络和i n t e r n e t ，与g p r s 数据终端建立远程通信，控制数据 采集模块对传感器输入进来的信号进行数据采集，再将采集的数据由g p r s 数据通信终 端、g p r s 网络和i n t e r n e t 上传至数据接收中心。 2 2 电动潜油螺杆泵运行状态参数数据采集方案 数据采集模块具体功能是：在数据接收中心的控制下，对电动潜油螺杆泵电机的电 压和电流信号进行采集，将采集到的数据送至g p r s 数据通信终端，上传至数据接收中 心，供数据中心处理及分析。 根据实际需要开发的数据采集模块主要由信号调理单元、数据采集单元、中心控制 单元三个功能单元组成。如图2 3 所示： 从传感器输入 至g p r s 数据通信终端 图2 - 3 数据采模块结构图 f i 9 2 - 3 s t r u c t u r em a po fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ( 1 ) 信号调理单元的功能和结构 数据采集模块采集传感器输出信号，进入信号调理单元。信号调理单元负责对传感 器输出的信号进行适当调理，向数据采集单元输出适合数据采集的信号( 即a d 转换范 围内的信号) 。信号调理单元主要由抗混叠滤波器、跟随及放大电路组成。 ( 2 ) 数据采集单元的功能和结构 数据采集单元负责对三相电压、三相电流信号进行数据采集。当数据采集单元接收 到中心控制单元发出的数据采集的命令后，则对参数进行采集，将数据送回中心控制单 元。数据采集单元主要由电压转换电路、a d 转换电路和其外围电路组成。 ( 3 ) 中心控制单元的功能和结构 中心控制单元是数据采集模块的核心控制单元。若无线通信模块接收到来自数据接 收中心发来命令，则送至中心控制单元，分析中心的命令，采取相应操作。如收到数据 采集命令，控制数据采集单元采集工作参数，然后将采集到的数据打包成帧，送至无线 通信模块，由无线通信模块发送到g p r s 网络基站，由g p r s 网络传送到数据接收中心。 中心控制单元以单片机为核心，外接串行通讯接口、时钟芯片、外部存储器等。 9 第2 章电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传方案 2 3 电动潜油螺杆泵运行状态无线远程数据传输方案 2 3 1 无线远程数据传输方式 基于无线的远程数据传输方式主要有：g s m 、g p r s 、卫星通信等。下面对这几种 方式进行比较、分析，以便更好地从中做出选择。 ( 1 ) g s m s m s 方式 g s m 网络是当前全球使用最为广泛的移动电话系统。g s m 电路数据方式能对数据 业务提供支持，但使用费用高。利用g s m 的s m s 短消息业务进行远程数据传输，可以 通过无线控制信道( 非业务信道) 进行传输，与话音业务，数据业务互不干扰1 2 】。每个短 消息的信息量限制为1 6 0 个字符。目前的g s m 系统对数据业务的支持十分有限，在用 户接入速率、接入延迟、业务种类等方面都不能满足用户对数据业务日益增长的需求。 ( 2 ) g p r s 方式 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的 数据承载和传输方式，g s m g p r s 数据通讯网络是目前覆盖范围最广的无线数字通信网 络。g p r s 数据业务的技术优势是： 1 ) 无线信道的利用率高：g p r s 以分组方式在g s m 网络上传输数据和信令， 只在实际传送和接收时才使用无线资源，多个用户可高效率地共享同一无线信 、j 上 埴o 2 ) 传输速率高：为用户提供高达1 7 1 2 k p b s ( 最大速率的理论值) 的数据速率。 3 ) 接入时间短：分组交换接入时间小于1 s ，可大幅提高远程数据采集的效率。 4 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议：用户不必拨号即可以快速预约的方式建立连接。 5 ) 采用数据流量计费方式：g p r s 用户在传输数据时按数据通信量付费，而无 需像电路交换方式那样对整个链路占用期间付费，可大幅降低用户的使用费用。 6 ) 特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，且可靠性高。 此外，大集团用户还可以直接利用g p r s 网络建立自己的虚拟专用网【1 3 】。网络的升 级对于用户应用是透明的。 ( 3 ) 卫星方式 其他无线远程传输方式一般为利用卫星系统进行传输。欧美等发达国家已经将全球 定位系统和利用卫星进行数据传输运用于石油行业各个领域，我国塔里木油田的油井数 据传输系统和长庆油田的气井数据采集系统就是使用我国完全自主知识产权的卫星导 航定位、数据通信系统。总体来说，在这方面我国还和欧美等国家有一定差距。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 2 无线远程数据传输方式的比较与选择 上述各种无线远程数据传输方式有各自的优势，但其缺陷也限制了他们的应用范 围，我们从以下几方面几种无线远程数据传输方式的性能进行比较1 1 4 1 ，如表2 1 所示。 表2 - 1g p r s 与其他无线数据传输方式的比较 t a b l e 2 - 1 c o m p a r eo fg p r sa n do t h e rw i r e l e s sd a t at r a n s f e rm e t h o d s 短消息 g s m 电路数据 g p r s 通信方式全双工全双工全双工 传输速率2 6 s 条 9 6 k b p s最大1 7 1 2 k b p s 可靠性较差高 高 时延波动范围大建立长，之后小小 保密牲很高 很高很高 通信距离可全国漫游可全国漫游 可全国漫游 使用费用低很高低 g s m 短消息通信方式具备网络覆盖面广、用户综合投资小的特点，对于解决监控 采集点分散、监控点移动、实时性要求较低的监控采集系统具有优势。但相对g p r s 而 言，短消息的平均传输时延大，实时性差；在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易 发生信道堵塞，导致通信不畅。因此这种方式主要在数据流量较小、数据传输不太频繁 的监控系统中得到普遍应用。 由于g p r s 采用分组的方式进行数据交换，较好地解决了g s m 的以上两个问题， 降低了用户的费用。g p r s 的分组数据协议对t c p i p 协议提供较好的承载和支持，目前 种类丰富的i n t e r n e t 应用协议均可在此之上使用。g p r s 系统的缺点是在分组传输中会 有时延，时延不固定，但其波动范围相对短消息方式较小。而且随着功能强大的g p r s 模块的推广，使得利用g p r s 进行远程数据传输得到了越来越广泛的应用。 此外，g s m 电路数据方式使用费用高；利用卫星进行数据传输有数据量大，距离 远的优点，而且基本覆盖了全球各个角落。但是费用很大，目前还不适合我国广泛应用。 根据以上比较，采用g p r s 网络远程传输数据是目前电动潜油螺杆泵运行参数远程 传输的理想方式。 2 4 电动潜油螺杆泵运行状态数据接收中心设计方案 根据对远程传输数据接收并进行进一步分析的需要，我们首先确定了数据接收中心 的功能，然后确定了软件开发语言及编程环境。 第2 章电动潜油螺杆泵运行状态参数检测与数据远传方案 2 4 1 数据接收中心功能设计 数据接收中心的功能是对数据采集模块采集到的电参量( 电压和电流) 进行数据保 存，并分析电压和电流的幅值和频率，计算有功功率，无功功率，用于判断潜油螺杆泵 电机的状况，为螺杆泵井的监测提供基础数据。 数据接收中心软件的主要功能框图如图2 4 所示。 ( 1 ) 通信功能：负责建立和数据采集模块之间基于g p r s 网络的通信。向数据采集 模块查询指定的参数值，并且接收数据采集模块上传的数据。 ( 2 ) 数据库功能：建立数据库存储数据采集模块上传的数据。用于存储数据的历史 情况，可进行历史数据查询。 ( 3 ) 数据分析功能：主要实现对采集数据进行f f t 和有功功率、无功功率等参数计 算。 ( 4 ) 绘制曲线功能：绘制f f t 的曲线图和电压、电流曲线图。 图2 - 4数据接收中心功能框图 f i 9 2 - 4 f u n c t i o nm a po fd a t ar e c e p t i o nc e n t e r 2 4 2 数据接收中心开发环境 数据接收中心的软件可以采用v c + + 、v b 等开发语言实现，由于v b 语言具有功 能比较完备，开发周期相对较短的特点，数据接收中心采用v i s u a lb a s i c ( v b ) 编程开发。 在数据库系统上，采用a c c e s s 数据库实现。m i c r o s o f ta c c e s s 是当前最流行的关系 数据库管理系统之一，其基本的核心是m i c r o s o f tj e t 数据引擎。a c c e s s 能满足小型企业 客户服务器解决方案的要求来组建客户服务器的数据库应用系统，是一种功能较完备 的系统，几乎包含了数据库领域的所有技术和内容1 5 】。在使用v i s u a lb a s i c 开发数据库 应用程序时，比较适合采用a c c e s s 作为后台数据库管理系统。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了电动潜油螺杆泵运行状态参数检测及数据远传的总体方案，确定了 由数据采集模块、无线传输网络、数据接收中心组成的总体结构，并进一步介绍了数据 采集模块的结构设计、无线远程数据传输方式的比较及选择和数据接收中心的功能设 计。 1 3 第3 章电动潜油螺杆泵运行状态参数采集模块的设计与实现 第3 章电动潜油螺杆泵运行状态参数采集模块的设计与实现 数据采集模块的功能是：在数据接收中心的控制下，对电动潜油螺杆泵电机的电压 和电流信号进行采集，将采集到的数据送至g p r s 数据通信终端，上传至数据接收中心。 根据数据采集模块的功能，设计了数据采集模块具体结构框图，如图3 1 所示。传 感器的输出信号作为数据采集模块的输入信号，此信号由数据采集模块的抗混叠滤波电 路、跟随和放大电路，电压电压转换电路，再送入a d 转换电路，单片机在数据接收 中心的控制下进行数据，再将数据发送给串口通讯电路，送至g p r s 数据通信终端，上 传至数据接收中心。 从传感器接入 抗混叠滤 波电路 跟随 电路 放大 电路 电压电压转 换电路 至g p r s 数据通信终端 a d 转 换电路 单片机接 口电路 图3 - 1 数据采集模块结构图 f i 9 3 1 s t r u c t u r em a po fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 3 1 传感器输入通道设计 由于变频调速电机的电压和电流不是传统的5 0 h z 频率的正弦波，这些波形的测量 须用电流、电压传感器检测出来，目前最理想的元件是霍尔传感器。瑞士l e m 公司生 产的传感器将普通互感器与霍尔器件、电子电路有机结合起来，可以不失真地检测白直 流至1 0 0 k h z 频带内的任何波形电流，副边电流可准确的反应原边电流的波形，具有很 高的精确度和线性度，可完成对直流、不同频率的交流以及脉动电流的测量【1 6 1 。此外， 还具有原边与副边之间完全电气绝缘、响应快、抗外磁场干扰能力强等特点。 3 1 1 电流传感器输入通道 l t l 0 8 s 7 型电流传感器是应用霍尔原理的闭环( 补偿) 电流传感器，原边和副边之 间是绝缘的，可用于测量直流、交流和脉冲电流。电流传感器输入通道如图3 2 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 7 图3 2电流传感器输入通道 f i 9 3 - 2i n p u tc h a n n e lo fc u r r e n ts e n s o r l t l 0 8 s 7 型电流传感器的电气参数是： ( 1 ) 原边额定电流有效值1 0 0 a ，原边电流测量范围o 1 5 0 a 。 ( 2 ) 副边输入的工作电压：+ ( 1 2 - 1 5 ) v ，允许偏差4 - 5 。 ( 3 ) 7 0 。c 时副边线圈电阻为1 2 0 q 。 ( 4 ) 副边测量电阻r m 4 ，在7 0 * ( 2 、1 5 v 、1 0 0 a 情况下的范围为( o - 1 1 0 ) q 。 ( 5 ) 副边额定电流有效值5 0 m a 。 3 1 2 电压传感器输入通道 l v 2 8 p 型电压传感器也是应用霍尔原理的闭环( 补偿) 电流传感器，原边和副边 之间也是绝缘的，用于测量直流、交流和脉冲电压。电压传感器输入通道如图3 3 所示。 7 图3 - 3电压传感器输入通道 f i 9 3 - 3i n p u tc h a n n e lo f v o l t a g es e n s o r l v 2 8 p 型电压传感器的电气参数是： ( 1 ) 原边电压测量范围v p n = i o 5 0 0 v 。 ( 2 ) 原边线圈电阻2 5 0 q ，副边线圈电阻l l o f 。 ( 3 ) 原边额定电流有效值i p n = 10 m a 。 ( 4 ) 副边额定电流有效值i s n = 2 5 m a 。 15 第3 章电动潜油螺杆泵运行状态参数采集模块的设计与实现 ( 5 ) 1 0 m a 时的测量电阻r m i 为( 1 0 0 - 3 5 0 n ) 。 用电压传感器测量电压时，原边电流与被测电压的比要通过一个由用户选择的外部 电阻确定，并将其串联在传感器原边回路上。在额定原边电流上，传感器有最佳精度。 当输入电压有效值为3 8 0 v 时，原边电阻r 4 8 = 3 8 0 w 1 0 m a = 3 8 k 。 3 2 抗混叠滤波电路设计 为了防止采样信号的频谱混叠，一般都要在对模拟信号采样和数字化之前进行抗混 叠滤波，抗混叠滤波电路就是使输入信号通过一个低通滤波