（机械电子工程专业论文）井下状态监测与信号传输技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学佗论文 手葡要 随着石油工业的不断发展以及海上油田的不断增多，我国采油机组 数量不断增加，与其相关的井下多参数监测与信号传输技术也越来越受 到人们的重视。传统的井下二元参数( 温度、压力) 测试系统已经不能满 足用户对机组多参数测试的需求。目前国外相关技术已趋于成熟，并且有 多款成型产品。由于技术等各种原因，我国在这一领域的研究进展缓慢，还 未见有成型产品的相关报道。因此开发具有自主产权的井下多元测试系统对 于提高我国在此领域的竞争力具有重要意义。 本文针对井下多参数状态监测系统，研究了井下多参数信号的采集、变 送与二次处理问题。研究了基于单片机的信号调理与信号的分时检测方法和 基于电力载波通信技术的多信号井下调制耦合、地面提取解调的具体方法与 实现技术。设计了信号调制模块和信号解调模块，实现了载波信号往电力线 上的耦合与传输以及从电力线上的分离与还原。设计了基于u s b 总线的大容 量数据存储模块。完成了系统时间基准模块、数据显示模块、报警模块等功 能模块的研制与调试。 针对变频器谐波干扰等工业现场恶劣噪声环境下的实际问题，结合本课 题，本文从硬件和软件两个方面研究了系统的可靠性设计。采取了多项抗干 扰措施，保证系统在干扰环境下能够正常工作。 现场联机试验表明，基于本文提出方法研制的井下状态监测系统具有优 良的抗干扰能力，在变频器连续及瞬间的谐波干扰环境中均能够f 确地调制 和解调井下数据，从而证明了该方法的合理性与可行性。 关键词：井下参数；状态监测；电力载波；调制解调 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eo i li n d u s t r ya sw e l la st h eg r o w i n gn u m b e ro f o f f s h o r eo i l f i e l d s ，t h et e c h n o l o g yo fd o w n h o l ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n ds i g n a l t m s m i s s i o nm o r ea n dm o r ea r r e s t sp e o p l e s a t t e n t i o n t h et r a d i t i o n a lb i n a r y p a r a m e t e r s ( t h et e m p e r a t u r e ，t h ep r e s s u r e ) t e s t i n gs y s t e mc a n n ol o n g e rm e e tt h e u s e r sw h od e m a n d i n gm u l t i - p a r a m e t e rt e s t i n g a tp r e s e n tt h eo v e r s e a sc o r r e l a t i o n t e c h n i q u eh a sb e e na l r e a d ym a t u r e ，a n d h a sm a n ym a t u r ep r o d u c t s d u et o t e c h n i c a la n do t h e rr e a s o n s ，i ti ss l o wi n t h i sd o m a i n sr e s e a r c hi no u rc o u n t r y c o n s e q u e n t l yi t sm e a n i n g f u lt od e s i g n a n dp r o d u c et h ed o w n h o l ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mo fi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi ni m p r o v i n go u r c o u n t r y s c o m p e t i t i v e n e s si nt h i sf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e st h em u l t i - s i g n a l s c o l l e c t i n g ，t r a n s m i t t i n ga n dr e 。p r o c e s s i n g i na l l u s i o nt ot h em u l t i p a r a m e t ed o w n h o l em o n i t o r i n gs y s t e m i ta l s os t u d i e st h e m e t h o do ft i m e s h a r i n gt e s t i n gb a s e do nt h es c ma n dm o d u l a t i n gd o w n h o l e ， d e m o d u l a t i n go nt h eg r o u n db a s e do nt h e p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) t e c h n o l o g y t h es i g n a lm o d u l a t i o nu n i t a n dd e m o d u l a t i o nu n i ta r ed e s i g n e d ， w h i c hr e a l i z e st h es i g n a lc o u p l i n ga n dr e v e r t i n g ad a t am e m o r yu n i tb a s e do n u s bb u sw i t hb i gc a p a c i t yi sd e s i g n e df o rd a t as t o r a g e m o r e o v e r , t h ec l o c ku n i t ， t h ed i s p l a yu n i ta n dt h ea l a r mu n i ta r ed e s i g n e dt o o i i lv i e wo ft h ea c t u a le n v i r o n m e n to fh a r m o n i ci n t e r f e r e n c ea n ds oo n ，t h i s p a p e rs t u d i e st h es y s t e m sr e l i a b i l i t yd e s i g nf r o mt h eh a r d w a r et ot h es o f t w a r e m a n ya n t i ja m m i n gm e a s u r e sa r et a k e nt og u a r a n t e et h es y s t e m sn o r m a lw o r k u n d e rt h ed i s t u r b a n c ee n v i r o n m e n t t h ef i e i dt e s ti n d i c a t e st h a tt h ed o w n h o l ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n ds i g n a l t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h em e t h o dt h i sp a p e rp r o p o s e dh a ss t r o n g a n t i ja m m i n ga b i l i t y i tc a n c o r r e c t l ym o d u l a t ea n dd e m o d u l a t et h ed a t ad o w n h o l e u n d e rt h ef r e q u e n c yc h a n g e rc o n t i n u o u sa n di n s t a n t a n e o u sd i s t u r b a n c ee n v i r o n m e n t t h i sp r o v e st h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d 哈尔滨i ：拌人学硕十学位论文 i i k e yw o r d s ：p a r a m e t e r sd o w n h o l e ；c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ；p o w e rl i n ec a r r i e r ； m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果南本人承担。 作者( 签字) ：踅盔劈 日期：训岔年弓月昱 日 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着石油工业的不断发展以及海上油田的不断增多，我国的采油机 组数量将不断增加，与其相关的井下多参数状态监测与信号传输技术也 越来越受到人们的重视，基于此技术的井下多元参数状态监测系统在监 测油田机组温度、压力、振动、泄漏电流等方面的作用越来越突出，根据井 下监测系统发回来的数据，地面上的工作人员可以随时了解采油机组的工作 情况，并据此做出决策，以保护电机的正常工作。 目前国外井下多参数状态监测与信号传输技术已趋于成熟，并且有多 款成型产品，例如英国凤凰( p h o e n i x ) 公司、顶峰公司( z e n i t h ) 以及美 国威德福( w e a t h e r f o r d ) 公司等都提供有相关产品，测量参数包括入口 压力、出口压力、入口温度、电机温度、泄漏电流、振动、出口流量等。国 外产品的典型特点是测量参数多、测量精度高、测量范围宽，基本可以满足 用户对采油机组多元参数测试的需求，并且他们还可以根据用户的需要调 整测试参数，从而达到既满足用户使用要求又降低测试装置成本的目 的。由于技术、元器件性能等各种原因，我国在这一领域只是处于研究阶段， 目前还未见有多元参数测试系统成型产品的相关报道。国内的井下测试系统 一般都是井下温度和压力二元参数，从现场应用情况来看，虽然测试精度和 使用性能能满足一些用户的需求，但测试参数少、测量范围小、抗干扰性能 较弱，还不能完全满足用户掌握井下采油机组多参数的需求，这在一定程度 上影响了我国在井下状态监测方面的发展。监测技术上的劣势影响了石油开 采的效率，并且因为不能及时准确地了解井下几千米的机组及其运行环境的 状态，所以难以做到更为合理的开采。鉴于目前我国采油业的现状，开发具 有自主产权的井下多元测试系统对于提高我国在此领域的竞争力具有重要意 义。 坠垒鋈三堡奎茎璧圭耋堡鎏圣 1 2 国内外发展综述 国际上以英国风, 凰( p h o e n i x ) 公司的p h o e n i x 系列井下多元参数监测 系统、英国顶峰公司( z e n i t h ) 系列井下多元参数监测系统和美国威德 福( w e a t h e r f o r d ) 公司的w e a t h e r f o r d 系列井下多元参数监测系统为代 表，并垄断着国际井下多元参数监测系统这一市场。它们分别如图11 、 图1 2 和图1 3 所示。 图1 1p h o e n i x 系列井下多元参数监测系统 图1 2z e n i t h 系列井下多元参数监测系统 封霆一覃一、f ! 窒i 鋈；：堡垒茎堡圭茎堡鎏耋 图1 3w e a t h e r f o r d 系列井下多元参数监测系统 这些产品突出的特点是为了满足不同用户和不同油f = 开的不同测试 需求，他们开发了多种规格的产品。测试参数多，测量范围广，测试 精度和分辨率高，基本可以覆盖潜油电泵系统的井下参数测试满足 用户对各种油井生产参数的测量和监控，起到优化生产模式、提高生 产效率的作用。还可以根据用户的需要调整测试参数，从而达到既满 足用户使用要求又降低测试装置成本的目的。 可见，国外潜油电泵井下测试装置向着多参数、高精度和宽的使用 范围方向发展。 以下附表分别列出了这三家产品的性能参数【2 】1 3 。其中z e n i t h 公司的测试系统列出的是e 7 版的参数。 表11英国p h o e n i x 公司井下状态监测系统参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力0 - 5 0 0 0 p s i 0 1 7 1 p s i 出口压力 0 - 5 0 0 0 p s i 0 1 7 1p s i 入口温度 0 1 2 5 0 6 7 0 1 电机温度 0 - 3 2 5 0 6 7 0 1 出口流量 0 - 3 0 0 0 0 b b i d a y 5 1b b i d a y 振动0 - 3 0 9 1 6 7 0 1 g 泄漏电流0 - 2 5 m a 0 2 0 lu a 哈尔滨t 挥大学硕十学位论文 表1 2英国z e n i t h 公司井下状态监测系统参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 - 50 0 0 p s io 1 0 1p s i 出口压力 o - 50 0 0 p s i0 1 0 1p s i 入口温度 0 1 2 5 1 0 1 电机温度 o 1 7 5 1 0 1 x 向振动 0 5g1 o 0 0 1g y 向振动 0 5g1 0 0 0 1g 泄漏电流 0 - 2 5 m a0 0 5 1u a 表1 3美国w e a t h e r f o r d 公司井下状态监测系统参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 - 5 0 0 0 p s i 0 1 l p s i 出口压力 0 - 5 0 0 0 p s i 0 1 1 p s i 入口温度0 - 1 2 5 1 0 1 电机温度 0 1 2 5 1 o 1 出口流量 o 30 0 0 0 b b i d a y5 1b b i d a y 振动 0 l o g 1 0 0 0 1 9 泄漏电流 0 2 5 m a0 0 5 1u a 由于国内某些电气元件的使用性能还不能满足高温、高压下的测试精度 以及技术等方面的原因，国内的井下测试装置一般都是温度和压力测试的二 元参数井下测试装置，虽然测试精度和使用性能满足一些用户需求，但测试 参数少、范围小、精度低、可靠性差，还不能完全满足用户需求，同时也限 制了国内井下监测系统的发展。 国内成型产品有1 9 9 6 年哈尔滨理工大学研究的两参数“g y w g b l 型新型本征半导体高分子压力、温度双参数传感器”，其技术指标如 下【4 】 1 测压范围：0 4 0m p a 2 工作温度：0 - - 2 0 0 3 压力灵敏度： 8m v 1 0 5 p a 4 测温范围：0 2 0 0 5 温度灵敏度： 8m v 6 精度：1 5 7 重复性：s o 2 f s 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 耐系统绝缘泄漏试验电压：5 0 0 v 9 平均寿命：i 5 年 1 0 稳定性：0 5 f s 其次，还有宁波中方荣自动化仪表科技有限公司1 9 9 8 年研制的两参 数“q c w y 1 型潜油电泵井下测温测压系统”，如图1 4 所示。 馘 图1 4q c w y 1 型潜油电泵井下测温测压系统 其部分特点及技术指标如下【5 】： 1 压力测量：o 3 5m p a ：精度：1 0 级 2 过压能力：15f s 3 温度测量：0 1 2 0 1 2 ；精度：2 4 重量：井下参数测量便送部分s 1 0k g 井上二次仪表部分! 1 8k g 5 电机星点不平衡电压达1 5 0 v a c 时对测量误差影响不超过 0 0 6 6 隔离元件的性能：2 5 0 0v d c 时，绝缘电阻不小于2 0 0 0m f l 7 可靠的短路保护：井上动力线一相接地时，井下变送器输入电 压不超过1 5v a c 由于技术保密，以上监测系统详细的测试原理均未知，但从大的方 面来看，它们都是基于电力载波通信原理的。 电力载波通信，简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是电力系统特有 的、基本的通信方式，是以电力线网络来传递信息的一种有线通信方式。其 历史可追溯到上个世纪2 0 年代。当时主要集中在1 0 k v 以上的高压远距离传 输。到上世纪5 0 年代，高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程显示、设 备保护以及语音传输等领。在后来的3 0 多年中，电力载波通信开始应用在中 堕签堡三矍盔堂堡堂焦笙銮 压和低压电力网络。1 9 9 3 年，英国s w e b 公司成功地在一地区性有限遥测 系统( r m s ) 中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信，将已有的水表 与电能表连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。 与其它通信媒介相比，电力载波通信技术具有更明显的优势。例如无须 重新布线；现有电力线网络分布广泛，接入方便；接入成本低，建设费用低， 可以大大减轻用户的经济负担同时提升电网资源利用价值。 作为通信技术的一个应用领域，电力载波通信技术在2 0 0 0 年左右才在我 国真f 出现。由于它的实用性和巨大的市场前景，迅速被各家公司争相采用。 但由于电力线干扰的繁杂和不确定性，以及电力线负载的变化带来电力线负 荷阻抗的易于变化，从而引起传输信号在线路中的抖动和畸变，这就造成电 力线载波传输的不稳定和不准确性，也延缓了用户对电力线载波通信技术的 认同和接受j 。 由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电 力线对数据传输有许多限制，因此电力线通讯具有以下特点【7 1 ： 1 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一 个配电变压器区域范围内传送。 2 三相电力线间有很大信号损失( 1 0 d b 3 0 d b ) 。通讯距离很近时，不同 相问可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。 3 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同。 4 电力线存在本身固有的脉冲干扰。 5 电力线对载波信号造成高削减。只有进一步提高载波信号功率来满足 数据传输的要求，提高载波信号功率会增加产品成本和体积。 因此电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的 通讯媒介，但由于现代通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能。 1 3 课题来源及论文的主要工作 本课题来源于大庆石油管理局科技创新项目“井下多元测试仪”，课 题研究的目的是实时采集井下状态参数信号，通过电力载波分时传输 到井上二次仪表，以及时了解井下工作状况并进行监控。 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 本论文的主要工作内容如下： 1 状态监测与信号传输系统总体方案 根据国内外同种产品的研究状况，确定系统的测试指标，分析相关 测试仪器的测试特性、测试传感器性能指标，确定测试装置总体设计 方案及关键元器件( 传感器) 的选择。 2 数据采集与信号变送 完成并下数据采集变送装置的硬件设计，包括温度、压力、振动以 及泄漏电流传感器信号处理电路；完成信号变送模块的设计，实现载 波信号往电力线上的耦合与传输。在此基础上，编写并调试数据采集 单片机程序，包括a d 装换、数据编码等。 3 信号解调与二次处理 完成井上信号解调模块的设计与调试，实现载波信号的分离与还 原；完成井上嵌入式二次仪表的设计与调试，实现数据的显示、存储 及超限报警等功能。 4 系统可靠性设计 工业应用现场干扰大，环境恶劣，系统的可靠性成为能否成功应用的关 键。在做好以上工作的同时，从硬件和软件方面完成系统的可靠性设计，保 证在工业现场噪声环境下系统能够正常工作。 5 现场联机试验 通过现场联机试验来验证本文提出方法是否可行。 哈尔滨一1 ：程大学硕十学位论文 第2 章状态监测与信号传输系统总体方案 2 i 引言 项目开始前，首先要根据国内外相关产品及相关技术的发展现状，制定 合理的项目指标和项目总体方案。一个合理、周密、详尽的系统方案往往会 使后续详细设计变得事半功倍。本章在比较国外产品的基础上，制定了监测 系统的测试指标、信号传输原理以及信号采集与变送和数据解调与二次处理 的总体方案。 2 2 系统测试指标 比较英国凤凰( p h o e n i x ) 公司p h o e n i x 系列潜油电泵井下测试装置、美国 韦瑟福德( w e a t h e r f o r d ) 公司w e a t h e r f o r d 系列潜油电泵井下测试装置和英 国顶峰( z e n i t h ) 公司z e n i t h 系列潜油电泵井下测试装置的产品性能，并且 结合国内实际情况，决定选择可测量7 个参数的机构形式，即潜油电泵入口 压力、出口压力、入口温度、电机温度、x 向振动、y 向振动、泄漏电流参数 的多元井下测试。系统测试指标见表2 1 。 表2 1 采油机组监测系统测试指标 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力0 4 0 m p a 0 1 0 0 1 m p a 出口压力0 4 0 m p a o 1 o o l m p a 入口温度0 1 2 5 1 0 1 电机温度 0 1 2 5 1 0 1 x 向振动 o 8 9 5 0 0 l g y 向振动 o 一- 8 9 5 0 0 l g 泄漏电流 o ，- - 2 5 m a0 1 1 u a 8 哈尔滨1 ：稃大学硕士学位论文 2 3 系统测试原理 潜油电泵井下测试装置与电机尾部相接和电泵一起浸没于油水混合物 中。由于监测系统和泵的入口处相距很近，因此泵的入口温度和入口压力可 以在潜油电泵井下测试装置表面测量获得。在泵的出口处引出一根中空圆管 连接至监测系统内部的压力传感器上就可以测得出口压力值。测量电机温度 时，直接将铂电阻温度头塞入电机尾部即可。入口温度指的是测试仪所在环 境的井液温度，测量时将铂电阻温度头埋入监测系统的机壳壁中，由于是长 时间监测，所以机壳的温度与井液温度相等。振动测量的是x 方向和y 方向， 即一个水平方向和一个垂直方向，在测量时选择专用加速度芯片，由于其方 向性，所以要将芯片的放置方向与其所要测量的保持一致。泄露电流指的是 电机星点到地( 在本系统中即为机壳) 的交流电流，电机星点到地的阻抗值 z 可以由实际电路计算得到，所以交流泄漏电流的测量就转换为交流电压的 测量。 各部分获得的数据不能直接传输到地面，而是需要调制成模拟载波形式， 传输到地面后，被地面设备捕获，从而解调出井下参数。 由于井下系统距上位二次仪表通常数千米，采油机组监测系统的测试数 据的传送采用了电力线载波技术，即数据是通过电机的三相动力电缆来传输 的，同时三相动力电缆也是下位系统供电电源的传输通道。如图2 1 所示， 井下电机的三个绕组是对称的星型连接，星点为d l ，在地面上用电抗器也作 一个人工星点a ，电抗三个绕组的参数是相同的，因此两个星点a 和q 的 合成电压都为零，三相电源不影响信号在q 和d 之间的传输，实际上，这两 组绕组不可避免地要出现不对称现象，所以上位通过直流电源形式向下位系 统供电，并在线路上加滤波器以消除交流干扰瞄】。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 电 机 一 。一 相 绕 组 图2 1 系统测试原理 2 4 数据采集与信号变送总体方案 数据采集与变送部分用壳体密封与电机尾部相连置于井下，其要完成的 任务是设计合理的传感器信号调理电路，分时监测潜油电泵入口压力、出口 压力、电机温度、井液温度、电泵x 向振动、y 向振动以及泄漏电流等7 个 参数。 考虑到集成度越高，系统的整体可靠性也越高，井下数据采集部分采用 1 0 哈尔滨：程大学硕十学位论文 r mi 了高性能高集成度的芯片。在处理输出信号为差分形式的温度、压力传感器 时，要选用高集成度、高精度、低温漂、宽温度范围的仪表用运算放大器， 尽量不要使用多个独立的普通运算放大器来搭建差分放大电路。单片机选用 内嵌2 4 位高精度a d 转换器、8 路模拟开关、可编程运算放大器、可编程数 字滤波器和4 路d a 的m s c l 2 1l 。所有这些措施都有效地提高了井下数据 采集系统的可靠性。 正常工作时，井下温度很高，可达1 0 0 以上，所以在元器件的选用上 必须非常严格，优先选用军品级芯片，对于一些没有军品级的元器件，必须 经过高温老化筛选才可以使用。 低功耗也是井下数据采集系统要达到的主要目标。在系统供电电压一定 的情况下，功率与电流成正比。在本课题中，给下位系统供电的电源电流都 要流经地面电抗器，流过电抗器的电流越大，在做电抗器时为了防止磁饱和， 就需要留更大的气隙，这样就会增大电抗的体积。所以为了减小体积，在满 足以上条件的前提下，尽量选择低功耗的芯片，同时降低单片机的工作频率 ( 例如本课题中m s c l 2 11 使用低频率的晶振) ，以达到降低功耗的目的。 在设计数据采集与信号变送部分时，要充分考虑电机星点出不平衡电压 对系统的影响，必须采取有效措施保证下位系统不被电机星点不平衡电压破 坏。 信号变送部分实现调制载波的生成及其往电力线上的耦合与传输。这一 部分是本课题的难点也是重点，它是整个系统成功的基础与关键。重点是载 波信号形式选择的问题，信号形式( 主要指频率大小) 选择不当会使得整个 系统传输失败。在选择信号形式之前，一定要详细研究分析从电机星点到井 上人工构造的电抗器星点之间的信道特点，包括占主导地位的阻抗性质等。 2 5 信号解调与二次处理总体方案 上位系统包括两个部分：信号解调和二次处理。信号解调的功能是把井 下数据采集系统耦合到电力线上的载波信号分离出来，经过滤波、比较等处 理，还原出井下各个物理量的值。 地面人工构造的中性点要有三相电抗器来实现，三相电抗器各相绕组的 哈尔滨一i ：程大学硕士学位论文 对称性直接决定着星点不平衡电压的大小，从而影响信号的接收效果。所以 在设计电抗器时，一定要使其三相绕组尽可能地保持好的对称性。不要把三 个绕组做到同一铁芯上，因为这样做会因为各个绕组位置不同而产生圈数一 致电感量相差很大的现象，而是要将三相绕组单独制作，并且在选择铁芯时， 尽量使用同一厂家相同批次的铁芯，以最大限度的保证其对称性。 在做好三相电抗器对称度的同时，也要处理好星点处的不平衡电压。星 点出来首先通过功率较大的l c 滤波器，以滤除大的具有破坏性的不平衡电 压，之后还要有性能优越的小型信号滤波器来去除信号毛刺，使得信号之上 的噪声尽量的小，以避免信号不能被解调模块正确解调。 信号解调也是本课题的关键，因为电机星点通过滤波器直接与其相连， 其上不可避免地会有不平衡电压，所以在设计时，除了能够满足解调功能外， 还要考虑到其抗不平衡电压的能力，以避免高压破坏信号解调部分之后的二 次仪表。 数据的二次处理也即二次仪表的功能是接收信号解调模块发送的解调后 的数据，并实现数据的实时显示与存储以及超限报警等功能。井上二次仪表 设计的总体原则是：性能可靠、体积小巧、使用方便。为此，上位系统以单 片机作为主控芯片。 数据显示采用点阵液晶模块来实现，需要注意的是，一般的液晶模块的 低温性能不好，当温度低于0 便不能正常工作，所以在购买液晶模块时要 选择宽温度范围的产品。考虑到本监测系统需要长时间不问断工作，所以其 数据存储量将会很大，故数据的存储以u 盘作为存储介质。为了减小成本， 选择自主开发u 盘控制模块，所以程序编制时需要较多的片内r a m 和 f l a s h ，为了减少不必要的系统扩展，简化设计，在选择主控芯片时，要优 先选择片内资源丰富的单片机。 2 6 本章小结 本章确定了系统测试指标，测量参数包括井下入口压力、入口温度、出 口压力、电机温度、x 向振动、y 向振动和电机泄漏电流。确定了以系统级单 片机为核心的数据采集系统。信号的传输采用“电力载波”技术，即通过电 哈尔滨f ：群大学硕十学位论文 机三相动力电缆传输。确定了信号解调与二次处理系统的总体方案。分别介 绍了井下数据采集系统和井上信号解调与数据处理系统的各个部分在设计时 需要注意的问题，为以后的详细设计打下了良好的基础。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 1 引言 第3 章数据采集与信号变送 在井下状态监测系统中，精确的数据采集和成功的信号变送是关键。本 章针对各传感器的不同特点，设计了相应的信号检测电路，实现了7 路信号 的分时检测：设计了信号调制模块，实现了载波信号往电力线上的耦合与传 输。 3 2 数据采集系统结构分析与设计 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场的各种参量，可以是物理量， 也可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、 采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录 的过程【。 在设计数据采集系统时，首先应该根据实际需求确定系统的结构形式。 常见的数据采集系统有以下结构形式【1 0 】【1 1 1 。 1 多通道共享s h 和a d 型 这种结构形式如图3 1 所示。它采用分时采集方式，各路信号共用一个 模多 拟路 信 模 号拟 输开 一 l l 入 关 图3 1多通道共享s h 和a d 型结构 采样保持器( s h ) 和一个a d 转换器。在某一时刻，多路模拟开关只能选择 其中一路信号接入到采样保持器的输入端，在控制命令的作用下送入a d 转换器开始转换，转换完毕后输出数字信号，然后多路开关将下一通道接入 1 4 哈尔滨f ：捍火学硕十学何论文 到采样保持器，开始下一通道转换。系统不断重复上述操作，实现对多通道 模拟信号的数据采集。 2 多通道并行采集型 多通道并行采集型的结构形式如图3 2 所示。这种方式下，每个通道都 有自己独立的采样保持器和a d 转换器，各个通道可以独立进行采样和模数 转换，转换的数据可以通过独立的接口输入到m c u 中。 图3 2 多通道并行采集型结构 3 多通道同步采集型 多通道同步采集型的结构如图3 3 所示。它虽然也是分时转换系统，各 个模拟信号共用一个a d 转换器，但它的每一通道都有一个独立的采样保持 器，可以对各通道信号同时进行采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时值， 这些同步采样的数据可以描述各路信号的相位关系。 s 吵 。 多 y 丹 模 卜 路 _ - 拟 。l nt 一 信 式少 1 模 ( ， 一 m c u 号 拟 输 入 除 开 一影一 关 lt 图3 3 多通道同步采集型结构 以上介绍的这几种常用的数据采集结构，第一种的结构最简单，所需器 1 5 堕玺鎏上堡盔堂堡堂垡丝塞 件最少，成本最低，它适用于信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的 场合；第二种的结构复杂，成本较高，但由于采样保持器和a d 转换器都是 独立的，所以容错性较好，速率高；第三种方案介于第一、二种方案之间， 速度较慢，适合信号同步采样的场合。 参考以上几种典型的数据采集系统结构，本着提高集成度和可靠性的原 则，确定了以系统级单片机m s c l 2 1l 为核心的高精度数据采集系统的结构。 如图3 4 所示： 一莲i f 焉瑟 图3 4 数据采集系统整体结构 各个部分的详细设计将在下面逐一介绍。 3 2 1 核心系统 在信息高速发展的今天，传感器的智能化和集成化成为其发展的两个重 要方向，而传感器智能化和集成化的程度主要取决于与之相结合的微处理器 的性能。本课题的核心系统选取了单片机m s c l 2 1 1 ，m s c l 2 1 1 是一款高集 成度模拟数字混合信号处理单片机，芯片集成了大量的模拟和数字外围模 块，具有很强的数据处理能力。内置8 通道2 4 位高精度a d 转换器、可编 程增益放大器( p g a ) 、数字滤波器和4 通道1 6 位d a 转换器是其一大特色， 1 6 哈尔滨下程火学硕士学位论文 1 所以它特别适合智能传感器、智能变送器、工业过程控制系统、高精度数据 采集等领域【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 由于m s c l 2 11 单片机的高集成度，使得在本课题中，其外围电路十分 简单，主要有三部分：最小系统、编程设置和基准电压源，如图3 5 所示。 m s c l 2 1 1 可以通过串口0 ( t x d o 、r x d 0 ) 连接到p c 机，用t i 公司提 供的专用编程软件来实现程序的下载。正常工作情况下，单片机的p s e n 和 a l e 两个引脚可以悬空，但是在编程期间，这两个引脚需要分别接低电平和 高电平，所以在制作p c b 版时，需要将这几个引脚用排针引出，以实现程序 下载功能。 本课题为了提高传感器信号的分辨率，需要使用5 v 的基准电压源，而 m s c l 2 1 1 内置的基准电压源只有1 2 5 v 和2 5 v 两种，所以需要外部基准电 压源。经综合考虑，选取精密基准电压芯片a d 5 8 6 t q 。在5 5 + 1 2 5 范围内 的最大温漂只有1 0 p p m c l l 副。 p i 型! l 善爿：j r 知肃l h d 口j ! ! ! ： i ! f 、二， t ，桃) (p 甚i t 一一j l 叫目2 图3 5 核心系统电路 整个监测系统需要+ 1 2 v 和+ 5 v 两种电源形式，考虑到其常年工作于井 下，所以不采用电池供电。这里仍旧采用上下位星点等势的原理，用上位直 流电源通过三相动力电缆给下位测试系统供电。原理在前面已详述，不再赘 1 7 哈尔滨1 ：科人学硕十学何论文 述。 选择电源模块时，要重点考虑其温度、输入电压范围和效率。根据工作 环境要求，这里选用d l m l 5 - 1 1 0 s 1 2 d c d c 模块。该模块为单一+ 1 2 v 输出， 具有较高效率( 8 4 ) 、宽输入电压范围( 7 0 1 4 0 v ) 的特点。 + 5 v 电源由+ 1 2 v 变换而得，为了尽可能的提高下位系统电源的效率， 这里不采用线性稳压电源芯片，而是采用开关电源芯片。选择l m 2 5 7 5 d 2 t - 5 电源芯片，其效率可达8 8 。电路图如图3 6 所示。 + i2 v su 5 o u t ff b 43 如幽 l 【d 6 i i n 5 819= j 图3 6 + 1 2 v 转+ 5 v 电路 3 2 2z - a 型a d 转换器 lo 3 0 u l6 v 内置8 通道2 4 位高精度a d d 转换器是m s c l 2 1 x 系列单片机的一大特 色，它是进行高精度数据采集的基础和保障。a d 转换器的种类很多，如逐 次比较型、积分型、型等，m s c l 2 1 x 的内置a d 属于型，所以下 面简要介绍一下型a d 转换器的转换原理。 圈( 三习卜咂至亘卜悃 图3 7 型a d 转换器工作原理 型a d c 由两部分组成，第一部分为模拟。调制器，第二部分为数 字抽取滤波器，如图3 7 所示。调制器以极高的抽样频率对输入模拟信 号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码 表示的数字信号，即- a 码；然后将这种码送给第二部分的数字抽取滤 波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因 1 8 哈尔浜工程人学硕士学位论文 此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于- 具有极高的抽样速 率，因此y 转换器又称为过抽样a d 转换器。这种类型的a d c 采用了极 低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一 方面，因为它采用了- 调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率： 同时由于采用了低位量化输出的采用高分辨率的码，不会对抽样值幅度变化 敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，因此不需要采样保 持电路，这就使得采样系统的构成大为简化旧。 同时，由于一型a i d 转换器主要使用了数字技术，因此具有数字系统 的可靠性高、稳定性好等优点外，还具有线性度好、抗干扰能力强、成本低 廉等优点，其不需要抗混叠滤波器，有的还可以直接接收来自传感器的微弱 信号，从而大大节省了信号放大和调整电路i t 8 】。 3 3 信号检测与处理 3 3 1 传感器信号检测与处理技术 数据采集系统的精度与传感器信号检测与处理技术密切相关。在设计电 路时，要充分考虑各传感器的不同特点，设计出合理的信号调理电路。 1 压力检测 本课题中需要测量的压力参数有两个：潜油电泵出口的液体压力和泵入 口处的液体压力。为了便于统一处理，本课题选择了两只型号完全一样的压 力传感器：c y b 1 5 s 系列离子束溅射薄膜压力传感器。如图3 8 所示。 图3 8c y b 1 5 s 压力传感器 哈尔滨_ i ：程大学硕士学位论文 这种传感器应用先进的离子束溅射和离子束刻蚀工艺，将应变电桥直接 制作在金属测压膜片上。由于不用传统的胶粘工艺，显著改善了应变式传感 器的长期稳定性及抗蠕变特性，使产品使用的温度范围大为扩展。由于没有 活动部件，抗振动和抗冲击的能力很强，可用于恶劣的环境，特别适合长期 在高温环境下的场合使用【l9 1 。 此压力传感器的输出为差动信号，因此其检测电路必须是差动输入形式， 考虑到精度、功耗和温度范围，这里选用高精度、微功耗、单电源、宽温度 范m ( - 5 5o c 1 2 5 ) 仪表用放大器i n a 2 3 2 2 。i n a 2 3 2 2 内部集成两个仪表放 大器，并且是轨对轨输出，即最大输出可以非常接近其供电电压值，所以其 选择+ 5 v 电源供电【2 0 1 。由其构成的双路压力传感器信号调理电路图如图3 9 所 示。 图3 9 压力传感器信号处理电路 其放大倍数计算公式为： 匕删o = ( d + 一d 一) ( 5 + 5 恐l r 1 7 ) 删= ( 珞小一珞出) x ( 5 + 5 x r 2 6 氐) 经调试，压力0 4 0 m p a 对应输出电压0 5 v 。 2 温度检测 本课题选择铂电阻作为热敏元件制成的温度传感器。铂电阻温度传感器 是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确 度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温( 2 0 0 c - - 6 5 0 c ) 范围的温度测量中【2 1 1 。但是铂在高温下易受还原性介质的污染，使铂丝变脆 并改变电阻与温度之间的线性关系，因此使用时应装在保护套管中。 2 0 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 i 这里仍然选择双仪表运算放大器i n a 2 3 2 2 ，由其构成的铂电阻测温模块 的电路如图3 1 0 所示： 图3 1 0 铂电阻测温电路 若设p t l 0 0 0 铂电阻的当前阻值为尺p r ，匕2 5 v ，局9 = r 2 8 = 1 k f 2 ， 心o = r 2 3 = 吃4 = r 2 9 = 1 0 艘，由i n a 2 3 2 2 的放大倍数计算公式可得： v a n 22 - - 5 xc 南一扣5 嘲静 v a i n 3 = 5 xc 南一扣5 + s 静 所以，通过检测v o m 值便可以算出r ，r ，而对于标准的铂电阻传感元件， 其阻值随温度变换成线性关系，具体对于p t l 0 0 0 来说，其在0 c 环境下，阻 值为1 0 0 0 f 2 ，温度每变化1 ，阻值增加( 对于温度上升) 或减少( 对于温 度下降) 3 8 5 f 2 ，由此便可以由郦，推算出当前温度值。 实际调试过程是这样的，先确定所要测量的最高温度，进而计算出最高 温度下的p t l 0 0 0 对应的电阻值，然后代入上述公式，并且分别令吆，2 = 5 v ， 吃，2 5 v ，这样就可以确定垒r l s 和堕r 3 1 ，然后依据i n a 2 3 2 2 的数据手册，适 当选取蜀8 、r ：2 、恐，、b 。的电阻值。 最后调试结果为：环境温度0 1 2 5 c 对应输出0 - - - 5 v 。 3 振动检测 振动测量也即加速度的测量，本课题选取电容式微机械加速度传感器 m m a l 2 2 0 d ，它集成了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且内 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 置零g 补偿，故外围电路简单可靠。其主要技术参数女n - f t 2 2 】： 测量范围：士8 9 供电电源：5 v d c 输出特性：电压型，0 5 v 4 5 v 频率范围：3 5 0 h z 工作温度：4 0 1 2 5 灵敏度：2 5 0 m v g 具体测量电路如图3 1 1 所示。 g n d u 1 0 州一l 2 3 卟毒1 1 0 3 r 2 ；p 2 n cn c n cn c 州。t 一、k 西； n c n c s t n c v o u tn c r z0 s t a l l i sn c g n d l | c 2 57 1 8 v s sn c v d dn c l 图3 1 1 振动测量电路 4 泄漏电流