（电路与系统专业论文）基于嵌入式系统的抽油井测量仪的研究与设计.pdf

摘要随着石油工业的发展，使用先进的智能仪器来对抽油井生产进行监测成为必然趋势，嵌入式系统因其低功耗、高性能、低成本，在智能仪器仪表领域得到广泛的应用。本文在对a r m 嵌入式微处理器的体系结构和l ac o s i i 操作系统进行分析的基础上，结合抽油井检测的实际情况，从系统软硬件设计、操作系统移植、图形界面设计、示功图数据压缩处理等方面对基于嵌入式系统的抽油井测量仪进行了重点研究。构建了以s 3 c 4 4 b o x为核心适合本研究课题的嵌入式软硬件平台，实现了操作系统的移植和基于uc o s i i 的驱动程序及应用程序的开发。根据系统的实际需求对l ac o s i i 进行裁剪，通过任务调度完成测量与显示等操作的协调，使用图形用户界面l ac g u i 来构建友好的人机交互平台，通过前台操作完成测量与管理。并通过研究n a n df l a s h 的结构建立f a t l 6文件系统，实现测量数据文件管理，也为其通讯扩展作了基础。示功图作为抽油井测量的重要参数，针对其数据所占存储空间大、不利于管理和传输的缺点，用小波神经网络算法对其进行压缩，并针对算法的不足做了改进，压缩和重现后均达到良好效果。通过联机模拟测试表明，本系统运转效果良好、性能稳定。使用了友好的人机交互界面来对抽油井参数进行测量，操作简便，具有一定的实际应用价值。关键词嵌入式系统，uc o s i i ，抽油井参数测量，uc g u i ，小波神经网络a bs t r a c ta l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i li n d u s t r y , u s i n gt h ea d v a n c e di n t e l l i e g e n ti n s t r u m e n tt om o n i t o rt h eo i lw e l lt op r o d u c ei n t ot h ei n e v i t a b l et r e n d e m b e d d e ds y s t e mo b t a i n st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ei n t e u i e g e n ti n s t r u m e n tm e a s u r i n ga p p l i a n c ed o m a i nf o ri t sc o s t - e f f e c t i v e ，h i g hp e r f o r m a n c e ，a n dl o wc o s t o nb a s i s o fd i a g n o s i so ft h ea r c h i t e c t u r eo ft h ea r mm i c r o p r o c e s s o ra n di ，t c o s i is y s t e m ，a n dc o m b i n e dw i t hr e a ls i t u a t i o no fo i lw e l ld e t e c t i o n ，t h i sp a p e re m p h a s i so nr e s e a r c ho fo i lw e l ll o g g e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi nt h ea s p e c t so fs y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，o p e r a t i n gs y s t e mm i g r a t i o n ，g r a p h i c a li n t e r f a c ed e s i g n ，s h o w i n gd i a g r a m s ，a n do t h e ra s p e c to fl o a d - p o s i t i o nd i a g r a md a t ac o m p r e s s i o n t h ee m b e d d e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m sw i t ht h ec o r eo fs 3 c 4 4 b o xa r ec o n s t r u c t e d ，a n dt h eo p e r m i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n td r i v e ra n da p p l i c a t i o nb a s e do ni ta r ea c c o m p l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ln e e d so ft h es y s t e m ，t h es u i t a b l et a i l o ro fl a c o s - i ih a sb e e nm a d e t h eo p e r a t i o n ss u c ha ss u r v e ya n dd e m o n s t r a t i o na r ec o o r d i n a t e dt h r o u g ht h et a s ks c h e d u l i n g t h eu s eo fg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei t c g u ic o n s t r u c t st h ef r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o np l a t f o r m ，s ot h es u r v e ya n dt h em a n a g e m e n ta r ec o m p l e t e dt h r o u g ht h eo n s t a g eo p e r a t i o n t h r o u g hs t u d y i n gt h es t r u c t u r eo fn a n df l a s ht oe s t a b l i s ht h ef a t16f i l i n gs y s t e m ，t h em e t r i c a ld a t ad o c u m e n tm a n a g e m e n ti sr e a l i z e d ，a n di th a sb e e nu s e da st h eb a s i sf o ri t sc o m m u n i c a t i o ne x p a n s i o n t h el o a d p o s i t i o nd i a g r a mi so n ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h eo i lw e l l i nv i e wo fi t sd a t ao c c u p y i n gb i gs t o r a g es p a c e ，n o tf a v o r i n gab e t t e rm a n a g e m e n ta n dt h et r a n s m i s s i o ns h o r t c o m i n g ，t h ea l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e tn e u r a ln e t w o r kt oc o m p r e s si sc a r r i e do n a i m i n ga tt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h mt h ei m p r o v e m e n th a sb e e nm a d e ，a n db o t ho ft h ec o m p r e s s i o na n dt h er e p r o d u c t i o np e r f o r m a n c ea r eg o o d o n l i n es i m u l a t i o nt e s t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mw o r k e dw e l lf u n c t i o n i n g ，a n dh a ds t a b l ep e r f o r m a n c e t h eu s eo ff r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c et ot h eo i lw e l lp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tm a k e st h eo p e r a t i o ni is i m p l ya n dh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，1 tc o s - i i ，o i lw e l lp a r a m e t e r ss u r v e y , uc g u i ，w a v e l e tn e u r a ln e t w o r ki i i原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：刍堑望日期：2 竺堕年卫月竺日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：三蝗导师签名裂日期：丛年鱼月丝日硕士学位论文第一章绪论1 1 课题来源和意义第一章绪论石油是工业经济的血液，我国石油行业在国民经济中占有举足轻重的地位。特别是随着石油系统的重组改制和我国加入w t o 以后，石油企业面临非常激烈的市场竞争，石油工业的自动化、信息化、数字化也面l 临着更加严峻的挑战。我国石油储量丰富，抽油机井抽油是目前石油生产过程中最重要的生产工艺过程之一，在油井抽油生产过程中，通过随时了解油井各方面参数就可以知道油井的工作状况。这些参数主要包括示功图、液面深度、电流、电压和流量等，通过对这些参数进行综合分析，可以掌握深井泵在井下工作是否有异常情况和抽油机的运转情况。目前，油田使用的测井仪大多以单片机为核心的，功能比较单一，只能测试抽油机井参数中的几种，并且它们一般存在着体积大、造价高、测量精度低等缺点。有的测井仪只能固定在抽油机旁，定期对抽油机参数进行人工测量，所得数据还需要带回室内用计算机进行综合处理，远远满足不了测井工人想要现场看到示功图和其他抽油机参数的需求，往往带来极大地不便。我国大约有油井1 2 万口，站点约1 5 万个，但目前安装自动化设备的井站不到5 ，大部分井站都需要人工巡井【l 】。由于油井数量之多，工作量极为繁重，相对的数据提取后处理周期就比较长，不能及时掌握抽油机和深井泵的工作情况，导致生产效率很低，已经不能适应油田生产发展的需求。1 2 相关技术的研究现状1 2 1 智能仪器仪表的发展5 0 年代初，仪器仪表的发展取得了突破，数字技术的出现使各种数字仪表得以问世，把模拟仪器仪表的精度、分辨率与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。6 0 年代中期，测试技术又取得了重大进展，计算机的引入，使仪器仪表的功能发生了质的变化，从个别电量的测试转变成整个系统的特征参数测试；从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。进入7 0 年代，计算机技术进一步渗透，使现代电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据与测试，被测系统的信息载体为二进制数据流，仪器前面板则向键盘化方向发展。不同于传统独立仪器模式，而是向充分利用个人计算机软硬件的个人仪器方向发硕士学位论文第一章绪论展【2 1 。近年来，智能化测量控制仪器仪表发展很快。国内外市场上已经出现了多种多样的智能测量控制仪器仪表。近2 0 年来，由于微电子学的发展以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进步。从技术背景上来说，归功于硬件集成电路的不断发展。c m o s 电路具有功耗低、工作温度范围宽等特点，近年来又采用“硅门技术取代原来的“金属门”，使c o m s 电路的速度与n m o s 和p m o s 基本相同，输入保护技术也已经有效地克服了静电损坏的缺点。智能仪器仪表的进展表现在以下几个方面。1 现场总线的应用随着电子技术和计算机技术的不断发展，工业生产过程的控制系统正在向智能化、数字化和网络化的方向发展。传统的集散控制系统和计算机分层控制方式已经开始让位于智能终端与网络结合的总线网络控制方式。为实现生产过程控制的信息化和数字化，工业自动化领域提出了工业生产的现场总线技术新概念。现场总线为工业生产控制系统提出了一个基本结构构架，通过这个基本框架，生产线上的各种设备可以连结为一个整体，进而为各种智能控制理论和先进控制技术的应用提供了灵活可靠的平台。同时现场总线作为生产线的基本框架，也是信息系统的一个底层用户，这样就可以实现现代信息系统与生产系统的直接连接，从而实现基于信息技术的企业生产系绀3 1 。2 更为先进的微处理器的应用目前世界上单片机以i n t e l 、m o t o r o l a 、n e c 、z i l o g 、n s 等公司的产品居多，这些公司的单片机主要用于控制领域和仪器设备，它们也正在向着接口多样化、指令强化和功能专用化的方向发展。目前的自动化仪表大多采用8 位或者1 6 位的微控制器( 单片机) ，虽然在一定程度上做到了智能化，但是随着需要实现的功能越来越多，结构越来越复杂，已经有些力不从心。同时，微电子技术、芯片技术、集成电路工艺的飞速发展，使得高性能的嵌入式处理器的价格、体积、功耗都不断降低，新型仪器中使用高性能的嵌入式处理器已成为可能。嵌入式微处理器目前主要有i n t e l 、a m d 及其他x 8 6 兼容厂商生产的x 8 6嵌入式c p u ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 0 、i b m 和m o t o r o l a 的p o w e rp c ，日立公司的s h ，s g i 公司的m i p s ，以及在嵌入式的r i s c 处理器市场占绝对优势的a r m 系列等。用户可以根据自动化仪器仪表的具体应用要求，以及功耗、体积、性能、价格等综合因素，选择合适的嵌入式微处理器。并在此基础上实现更加高级的算法，提供更加强大的功能。自动化仪器仪表不一定需要实时操作系统，但在以往的仪器仪表中由于处理2硕士学位论文第一章绪论器功能、存储器容量等限制，实时操作系统也难以实现应用。随着仪器仪表硬件功能的增强，成本的降低，功能要求的增加和复杂化，需要实时操作系统对多个任务进行合理协调调度，管理系统资源的要求越来越迫切。同时，各种嵌入式实时操作系统不断出现，对硬件配置要求不再苛刻，实时性不断增强，效率不断提高，有些还提供了对网络协议的支持，使得在自动化仪器仪表中使用实时操作系统成为可能。使用r t o s ( 实时操作系统) 的优点有以下几方面，首先r t o s 支持多任务，应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容易、便于维护、易读易懂、提高了开发效率、缩短了开发周期。再者，计算机对关键事件的处理在延迟时间上有保证，即系统的实时性、稳定性、可靠性会得到提高【4 】。在功能强大的嵌入式处理器及其硬件平台的支持下，凭借实时操作系统的高效调度和管理，在基于嵌入式的新型自动化仪器仪表中，软件具有了突出的地位。软件不再附属于硬件，仅仅完成测量、计算、显示等功能，而成为处理能力很强的智能模块。能够实现人工智能的方法和技术，使自动化仪器仪表能够实现复杂的信号处理算法，进行频谱分析，并以分析、比较和推理的结果输出相应的控制信息，能够实现自诊断自测试，经内部协调和重组自动修复，适应外界的变化自补偿自适应，通过自校准( 校准零点、增益等) 来保证自身的准确度。不仅如此，还能通过自学习处理更多更复杂的测控程序。软件成为仪器智能化程度高低的决定性因素。以软件为核心的虚拟仪器，也成为自动化仪表发展的一个重要方向。3 c p l d f p g a 的广泛应用时至今日，c p l d f p g a 技术不再是a s i c 技术领域的一个点缀和补充，而是跃之为电子应用领域广受欢迎的实用化技术，成为数字系统在科研实验、样机测试、小批量产品的即时实现的最佳途径。世界上一些主要的微电子技术公司，立足自身的技术特长，在c p l d f p g a 器件性能、价格、新产品方面纷纷在e d a工具上开发c p l d f p g a 应用接口。同时器件的新功能、新构思不断出现，采用通用设计方法现场实现用户的单片电子系统己不是遥远的梦想，电子设计的传统方式将发生变革【5 1 。4 虚拟现实技术的应用虚拟现实是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉系统，给参与者产生各种感官信息，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物。以虚拟现实技术创建的虚拟环境，特别强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识，从而深化概念和构造新的构思和创意。所有的测量仪器的主要功能都是由数据采硕士学位论文第一章绪论集、数据分析和结果显示等三大部分组成。其中数据分析和显示完全能用p c 机的软件来完成，因此只要提供一定的数据采集硬件，就可用p c 机组成测量仪器。基于p c 机的测量仪器就称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用相同的系统，通过不同的软件编程，就可实现功能完全不同的测量仪器。5 人工智能的应用人工智能技术主要是基于知识处理的程序设计技术。专家系统是人工智能技术的一个方面。它能够利用经验丰富、技能高超的人类专家所具有的经验、知识和决策在某一特定领域中实现高水平的处理问题的能力，在一些重要方面，专家系统同传统的计算机程序不同，它们包含大量关于某一特定领域的非程序知识，通常称专家系统为知识基系统。一般知识基系统由知识库、数据库以及控制推理程序三部分组成。知识库是决定一个专家系统性能是否优越的主要因素，它由该领域内广泛共有的原理信息与探询式的知识所共同组成【6 】。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法不能解决的问题。1 2 2 嵌入式技术的发展根据i e e e ( 国际电器和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。一般可以将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微处理器( m p c ) 、嵌入式微控制器，( m c u ) 、嵌入式数字信号处理器( d s p ) 和嵌入式片上系统( s o c ) 7 1 。嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的，它的特征是3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式系统中，它只保留于嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就可以以最低的功耗和资源实现嵌入式系统应用的特殊要求。嵌入式微控制器的典型代表是单片机。单片机芯片集成了大量外围接口。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。嵌入式数字信号处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波，f f t ，频谱分析的仪器上，d s p 获得大规模的应用。s o c 的最大特点就是成功实现了软硬件的无缝结合，在处理器片内可以嵌4硕士学位论文第一章绪论入操作系统的代码模块。而且片上系统具有极高的综合性，在一个芯片内部运用v h d l 的硬件描述语言，就可以实现一个复杂的系统【8 】。嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件两部分组成。操作系统连接计算机硬件和应用程序的系统。操作系统的基本功能是：使计算机硬件便于使用：高效组织和正确地使用计算机的资源。操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时操作系统的首要任务是调动一切可以利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务的调度来满足对于重要事件在规定时间里做出正确地响应。对于分时操作系统，软件在执行时间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。实时系统又可以分为“软实时系统 和“硬实时系统”。硬实时和软实时的区别是对外界的事件做出反应的时间。硬实时系统必须是对事件做出及时地反应，绝对不可能错过事件处理的时限。软实时系统是指如果在系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大危害。实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按顺序执行功能。其最大特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定时间内未能实现某个确定的任务就会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命的错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要是在软件方面通过编程实现时限的管理。1 2 3 抽油井测量仪的发展一在抽油井参数测量领域，便携式测井仪凭借其轻巧方便，适用范围广，灵活性高，测量对象多的特点成为这个领域的主力。传统的测井仪采用8 位或1 6 位m c u 作为其核心【9 】。这类设备的特点是：( 1 ) m c u 功能弱，主要表现在工作主频低，数据总线宽度比较窄，数据运算能力较差。( 2 ) 数据存储量小。早期很多使用s r a m 等易失性存储器，不仅存储容量很小，而且一旦掉电，会遗失数据。( 3 ) 人机交互效果差。由于没有强劲的多媒体硬件支持，图像显示颜色单调，分辨率低，单位面积的信息表达量低，这个缺点大大遏制了仪器仪表的现场实时分析功能。( 4 ) 体积大，携带不够方便。由于大量数字电路靠芯片堆积。而且芯片的封装尺寸也比较大，所以整机体积较大。硕士学位论文第一章绪论( 5 ) 工作模式简单、性能单一。往往只能测量某个或某几个抽油井参数的功能，灵活性比较差，综合数据处理能力。( 6 ) 上层软件支持少。上层软件不光要读取测量数据，还要对数据进行管理，因此数据库必不可少。此外，还要有强大的离线分析功能。这些都是传统仪器无法提供的。为了解决实时性问题，选择功能强大的m c u ，可以起到一定的改善作用。目前已经研制的相关设备有俄罗斯西姆技术创新公司研制s i d 2 d o s 自动示功仪、北京烽火石油科技的y b c 无线式抽油机诊断仪、北京马斯莱特公司研制的无线示功仪、华北石油新科技技术有限公司的h i b i t 油井监控系统和无线网络示功仪等f 1 0 】【l l 】。这些设备大多针对抽油井载荷数据和位移数据的测量与显示，功能相对单一。1 3 本文主要工作根据目前抽油井测量仪系统发展的实际情况，结合智能仪表的发展趋势，本文从系统设计、硬件设计和软件设计三个方面讨论了抽油井测量仪的设计，并对硬件和软件设计中的关键问题进行了详细的论述，最后研究了基于小波神经网络的数据压缩算法。本文完成的主要工作如下：1 抽油井测量仪的总体方案研究与设计。根据目前应用最广的游梁式抽油机系统的特点，对抽油井参数进行分析，给出各参数的测量方法，提出整体设计方案。2 抽油井测量仪的硬件设计。从模拟模块和数字模块两方面讨论硬件电路设计。模拟模块针对各信号的特点设计必要的信号调理电路。数字模块主要研究核心电路和外围接口电路的设计。3 抽油井测量仪系统软件与应用软件的设计。根据系统需求对肛c 0 s i i 操作系统进行适当剪裁并实现在s 3 c 4 4 b o x 上的移植，同时完成底层驱动程序的编写。通过对图形界面和文件系统的研究分析，在核心系统上建立良好的图形界面，并实现对抽油井数据的存储、查询和删除等操作功能。4 数据压缩算法的研究与实现。示功图作为抽油井测量的重要参数，针对其数据所占存储空间大、不利于管理和传输的缺点，用小波神经网络算法对其进行压缩，首先讨论了小波神经网络的优缺点，然后提出改进方法，实现对示功图数据的压缩，压缩和重现后均达到良好效果。最后对全文进行总结，在目前研究的基础上，讨论抽油井测量仪以后需要研究的方向。6硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现2 1 游梁式抽油机简介及测量仪系统组成抽油机从采油方式上可分为两种：有杆类采油设备和无杆类采油设备，有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类( 国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机) 和旋转运动类( 如电动潜油螺杆泵) ；无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类( 如水力活塞泵) 和气举采油设备。目前应用最为广泛的是游梁式竖井抽油机采油系统，该系统由3 部分组成，如图2 - l 所示。一是地面部分游梁式抽油机，它由电动机、减速器和四连杆机构( 包括曲柄、连杆和游梁) 等组成，结构如图2 2 所示。二是井下部分一抽油泵( 包括吸入阀、泵简、柱塞和排出阀等) ，它悬挂在套管中的下端，可分为杆式泵和管式泵。三是连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分抽油杆柱，它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成【1 2 j 。电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，并经中间轴带动输出轴、输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动。游梁前端装有驴头，活塞以上的液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由于驴头随同游梁一起上下摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动，就将油抽出井筒。1 秫目d形6口厂一冱尹八、，7l；乡9：硇悝图2 - 1 抽油机并系统结构图7l 一电动机2 一减墟嚣3 一p q 迄f i 机构4 l 油f r 囊5 - 一油侉t 广套霄7 _ 一张1 油裂8 一泐，山嘲s 卜_ 嘲定蚓硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现1 一瘫腾2 一支架3 一怂绳器4 冯f i 央5 一游梁6 一横粱轴承座7 横粱8 一连杵9 一曲辆销装覆l 卜曲钠装碰l 卜一减速器1 2 一刹l i 像轮装置1 3 一剩乍皴缆1 4 - - 电动机1 5 一配电框图2 2 游梁式抽油机当活塞上行时，游动阀受油管内液柱压力作用而关闭并排出活塞冲程的一段液体。与此同时，活塞下面泵筒空间里的压力降低，在环形空间的液柱压力作用下，井中液体顶开固定阀，进入泵内活塞让出的空间。活塞下行时，泵管内压力受压缩，压力增高，当此压力等于环形空间液柱压力时，固定阀靠自重而关闭。在活塞继续下行中，泵内压力继续升高，当泵内压力超过右管内液柱压力时，泵内液体即顶开游动阀并进入油管内。这样，在活塞的上下运动中，固定阀和游动阀也不断地交替关闭和打开，结果油管内液面不断上升，一直到井口排入出油管线。综上所述，抽油泵的工作原理可概括为：活塞上行时吸液入泵，排液出井；活塞下行时泵内液体转入油管，不排液出井【1 3 】。在理想情况下，当泵内液体充满很好时，是上下冲程都有油。当不考虑液体运动的滞后现象，从井口观察排油时，应当是光杆上行时排油忽大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小是周期性的变化。实际上，由于原油中混有天然气，有压缩性，使液体运动滞后于活塞运动，同时泵受多种因素影响，所以井口实际排油时呈现复杂状况。测取和解释示功图，就是直接了解抽油泵工作状况的一个主要手段。在示功图上不仅可以反映出抽油泵工作中的异常现象，而且可以结合有关资料，来分析判断抽油井工作情况是否合理，从而找出影响泵效或抽不出油的原因，以拟定合理的采油工艺措施和检泵周期。为了解油井的供液能力，测量油井的动液面深度也是一项经常性的工作。抽油机是采油过程中的主要用电设备，为了掌握用抽油机的利用效率，要对其进行电能平衡测试。为了全面地进行试井分析，还要对其他参数，如流量、油温等进行检测。抽油机测量仪主要功能是采集各个的抽油机参数，进行相关数据处理，通过硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现液晶显示输出，还可以完成与p c 机的通信功能。基于嵌入式抽油井测量仪系统原理框图如图2 3 所示。抽油机的各个参数通过相关的传感器采集，经过相应的滤波及放大处理后，通过s 3 c 4 4 b o x 自带的a d 进行采集得到数据。测量数据经过相应的运算处理得出最终的测量结果，通过液晶显示，并可以根据需要对结果进行存储，传输和查询等处理。光杆载荷卜叫载荷传感器卜一叫放大滤波位移载荷声波原油流量电机电流电机电压位移传感器卜叫放大滤波回声仪流量传感器电流传感器卜叫放大滤波电压传感器卜一叫放大滤波多路选择u s b 接口r s 2 3 2 串行通信接口鬣渊x h 键盘输入的核心模块f 。l ”4 ”一图2 - 3 抽油井测量仪系统框图2 2 抽油机并参数测量方法及信号调理电路设计2 2 1 示功图电源il 叫l c d 显示1 示功图测量原理所谓示功图是指抽油机光杆载荷随位移变化的关系曲线。理论示功图是分析示功图的基础。在实际工作中，为便于分析，也常需在实测示功图上绘出理论示功图来进行对比。理论示功图是认为光杆只承受抽油杆柱和活塞截面积以上液柱的静载荷时所得到的示功图【1 4 1 ，如图2 4 所示。图2 4 理论示功图9蹄程1if、警jft硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现理论示功图中的各符号含义分别为：瓯光杆冲程，米；鼹活塞冲程，米；鼹抽油杆在油中的重量，公斤；岛泵以上液柱重量，公斤；p a 一一光杆承受的静负荷( 玮= 最+ 足) ，公斤；a l 抽油杆伸缩长度，米；彳2 一一油管伸缩长度，米；么冲程损失( 彳利l 划2 ) ，米。抽油泵在工作时，实际上受到砂、蜡、水、气、稠油、漏失、断脱等各种因素的影响，实测图比理论图变化较大，图形复杂。典型示功图是通常某一因素影响十分明显，其示功图形状代表了该因素影响下的基本特征，因此典型示功图分析是示功图分析的基础。部分典型示功图如图2 5 所示，简要分析如下【巧】：图2 - 5 典型示功图图( 1 ) 为抽油泵工作正常时的示功图。这类示功图与理论示功图差异不大，为一近似的平行四边形，除了抽油设备的轻微振动引起一些微小波纹外，其它因素的影响不明显。图( 2 ) 为受气体影响时的示功图。由于在下冲程余隙内还残存一定数量的气体，上冲程开始后，泵内压力因气体膨胀而不能很快降低，使固定阀滞后打开，卸载变慢，示功图右下角呈“刀把形。泵余隙越大，气量越多“刀把 越明显。图( 3 ) 为固定阀严重泄漏时的示功图。若吸入部分严重漏失时，游动阀一直不打开，悬点不能卸载。图( 4 ) 为防冲距过小下碰时的示功图。活塞在下冲程未与固定阀罩发生撞击，可能撞坏固定阀或抽油泵，需要上提防冲距。图( 5 ) 为结蜡油稠时的示功图。由于油井结蜡油稠，使杆柱上下行均增加了摩擦力，使上行程增载，下行程减载，使示功图变“胖”。图( 6 ) 为抽油杆断脱时的示功图。抽油杆断脱后的悬载荷实际上是断脱点1 0硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现以上抽油杆柱重量，只是由于摩擦力的存在，才使上下载荷不重合。图形的位置取决于断脱的位置。光杆载荷使用应变式压力传感器测量，光杆位移通过接近开关间接测量。位移测量使用两个电容式接近开关测量抽油机经过上死点和下死点的时间，再经过抽油杆位移公式推算出抽油杆的实时位移。电容式接近开关是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，由高频振荡电路、检测电路、放大电路和输出电路等组成。2 载荷传感器信号调理电路对载荷传感器输出信号进行预处理的过程中，往往要把微弱信号进行放大，要求放大器有足够高的共模抑制能力，足够强的差模电压放大能力、很高的输入阻抗和稳定的工作性能。但当传感器的输出电阻不为零时，运放的等效输入阻抗将不对称。从而使单运放的失调增加，尤其是在运放输入阻抗较低时更为严重。如果放大电路的共模能力不足、外接电阻匹配不精确则传感器的输出引线电阻、噪声等将在放大电路的输出端引起较大的共模干扰。而运放输出端较大的共模输出信号将使运放的线性度下降而难以有效地放大有用的差模信号。如果共模信号幅值超过电路的电源电压，则运放还将被损坏【1 6 】。( 1 ) 放大器的选择在传感器的输出端到放大器的输入端之间，有可能引入的干扰主要有：工频干扰、静电干扰、电磁耦合干扰和共模干扰。选用仪用放大器一般可以满足传感器对放大器的抗干扰要求。本系统选用a d 6 2 7 型集成精密仪用放大器，只要外接一个电阻，就可以获得高达1 0 0 0 的可调增益，且外接电阻的变化不影响整个电路的共模抑制能力和电路的输入阻抗，即对外界电阻的要求不高。a d 6 2 7 的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低，因此可以把直流误差降到最低，具有较好的高频共模抑制比。( 2 ) 滤波器的选择本系统测量的信号的变化比较缓慢，故选择压控电压源二阶低通滤波器，如图2 - 6 所示，其截止频率为1 h z 。( 3 ) 非线性补偿载荷传感器的输出信号常具有一定的非线性，这里采用模拟乘法器的方法进行非线性补偿。整数幂多项式的通过建立模拟乘法器来实现，本系统选用内部调整精密集成乘法器a d 5 3 4 来对载荷传感器的不平衡电桥进行非线性补偿，如图2 7 所示。譬由图可知仪用放大器的输出电压为巧= k 形熹，6 为电桥非线性桥电阻l 十0 | z的非线性系数，k 为桥路输出系数和仪用放大器增益之积。将a d 5 3 4 的刻度系硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现数取为1 0 ，则：0 _ t ) ( 巧一匕) 2 j d ( z 一乙)( 2 1 )根据电路可得：郴职志h 。c r o 一罴)( 2 2 )其中为r 、艺的分压比。适当选择参数使k k = 5 ，代入公式2 - 2 可得：圪2 了：墨2 k 巧万21 0从上式可见，( j + 万皿电阻的变化在v o 处被线性的反映出来了。( 2 3 )图2 - 6 二阶有源低通滤波器电路原理图图2 7 非缌陛补偿电路原理图2 2 2 动液面声波在气体介质中传播时，遇障碍物即有回声反射，若知道声波传递速度和回声反射时间能得知障碍物与声源之间的距离。1 2硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现图2 - 8 回声法测距原理框图液面深度一般采用回声仪来测量，声脉冲沿油套管环形空间向井下传播，当遇到油管接箍、音标和液面等障碍物便产生反射脉冲，返回的声脉冲由微音器接收转换成电脉冲【1 7 l ，回声法测距原理如图2 - 8 所示。声脉冲经l 声程遇液面产生反射，反射波又经声程由微音器接收，只要测得声波在空气中的传播时间f 及现场声速，就可以计算出声学探头发射面到水面的距离，即l = c t 2 。在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在已知厶处有一音标。声波首先遇到音标这一界面发生反射波，声程2 厶已知，传播时间乙可测，传播声速若为c o ，则有l o = 岛厶2 。校准孔反射波和水面反射波传播声程的比值则为l = 如t o ，发射脉冲后，测得如，t 就可以算出声程乙。2 2 3 功率游梁式抽油机的电动机一般采用3 0 k w 、7 5 k w 、1 0 0 k w 等的大功率三相异步电动机，供电电压有1 1 4 0 v 和3 9 0 v 两种。当游梁式抽油机工作时，驴头悬点上作用的负载是变化的。在上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要输出很大的功率。在下冲程时，抽油机杆柱转而对电动机做功，使电动机处于发电状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的负载极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速器和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上平衡块来满足平衡重。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动输出部分功率。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电机机上冲程时所需给出的能量。因此在抽油机的一个工作循环中，电动机有两次处于电动状态和两次处于发电状态。当平衡配重调硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现节较好时，其发电状态的时间短，产生的能量也较小。电动机轴上形成的合成扭矩如图2 - 9 所示。图中，口为曲柄转角，t 为抽油机的合成扭矩，曲柄转动3 6 0 。，抽油杆完成一次上下运动，为一个冲次。从抽油机的负荷曲线上可以看出，在一个周期中，扭矩有一次或两次负值的出现。对于三相异步电动机，当负载扭矩为负值时，电机转速会超过同步转速而进入发电状态【1 8 】。图中阴影部分为负功率区( 即发出功率) 。功率的测量主要包括电压和电流两个方面，电压传感器是具有两种输入( 1 1 4 0 v 和3 8 0 v ) 一种输出的低频变压器，电流互感器的输入范围为o 1 5 0 a ，输出为5 a 。电压传感器和电流互感器均为特殊定制，为了避免干扰，应将这两种传感器装在配电箱中，与测量仪器保持一定距离。图2 - 9 抽油机的合成扭矩t 与曲柄转角目的关系曲线三相电压计算公式为：=( 2 - 4 )式中，和u p ，分别为a 、b 、c 相的电压有效值和瞬间值，n 为每周波中交流采样的点数。三相电流计算公式为：i v =式中，i p 和，分别为a 、b 、c 相的电压有效值和瞬间值三相有功功率计算公式为：乞= 镑心，抽油机总功率计算公式：p = + e + 1 4( 2 - 5 )( 2 - 6 )( 2 - 7 )硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现根据以上公式就可以计算出抽油井电动机的功率，为消除高频干扰，电流电压信号滤波电路的截止频率取5 0 h z 。2 2 4 流量本系统采用时差超声波流量计进行流量测量，超声波流量计是利用超声波在流体中传播速度与流体流动速度有关实现流量的测量。时差超声波流量计的测量方法是：由超声波换能器产生的超声波以某一角度入射在流体中，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。时差超声波流量计是利用两个超声波换能器作为检测传感器，每个换能器都具有发射和接收功能，超声波信号通过管壁和流体以一定的已知角度在两个传感器之间传播。超声波脉冲信号在两个换能器间的传播时间受流体流速的影响，从上游传感器发向下游传感器的声速由于流体而加速，而由下游传感器发向上游传感器的声速由于流体的影响而受阻碍。这两个传播时间的净时间差与流速成正比。根据时差的表现形式不同，又可以分为直接时差法、频差法和相位差法。直接时差法最早应用于超声波流量计，它适用于大、中口径管道及敞开水道流量的测量，此法受温度影响较大，其发展方向是提高计时精度和降低温度对测量精度的影响。频差法师循环多次的直接法，其精度是直接时差法的循环倍数，适用于中、小口径管道流量的测量，优点是精度高，受温度影响小，但是却受环境影响较大。相位差法是将时差转换成相位差来测量【l9 1 。由于时差法是通过测量超声波顺流及逆流传播时的时间差来反映流速，因而不受散射体的诸多不确定因素( 如散射体的位置、尺寸、分布和液体的速度差等)的影响。而且近年来，随着宽波束超声波流量测量方法技术的成熟，大大提高了测量精度。2 3 抽油井测量仪数字模块硬件设计2 3 1 测量仪核心部分设计测量仪核心部分由s 3 c 4 4 b o x 、r o m 和r a m 构成。虽然它们不能独立工作，但是它们之间关系相当密切，相互之间交换数据量大，交换频繁，要求传输速度快。1 s 3 c 4 4 b o xs 3 c 4 4 b o x 是三星( s a m s u n g ) 公司一款基于a r m 的s o c 芯片【2 0 】。一方面该芯片具有a r m 处理器的所有优点：低功耗、高性能；同时它又具有非常丰富1 5硕士学位论文第二章抽油井测量仪的总体方案设计及硬件实现的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。s 3 c 4 4 b o x 芯片内部主要功能模块如下：a r m 7 t d m i 内核，i o 电压3 3 v ，内核电压2 5 v ；内置锁相环( p l l ) ，系统主频最高达6 6 m h z ；4 种工作模式，可以实现电源管理以降低系统功耗；8 k b 的系统高速缓存( c a c h e ) ，极大地提高了系统运行速度；支持8 个m e m o r yb a n k ，最大外部存储空间达2 5 6 m b ，并支持s d r a m ；内黄彩色l c d 控制器；2 路异步串1 2 1 ( u a r t ) ；7 1 个通用i o 口；8 通路模数转换器( a d c ) ；实时时钟( r t c ) 和看门狗电路( w a t c h d o g ) ，其实际的电路原理图参看附图a p p l a 。2 闪存a m 2 9 l v l 6 0 bf l a s hr o m 是在e p r o m 和e e p r o m 的基础上发展起来的一种非易失性存储器，在掉电情况下仍能保证数据不丢失，并能够在不离开电路板或设备的情况下实施擦除和再编程操作。其具有的结构简单、存储密度大、存取速度快、对环境适应能力强、使用方便、抗振性能好等优点十分适合于嵌入式系统的设计和开发。线性f l a s h 存储器相对于一般r o m 来讲，在于内部存在一个状态机，对其内部的存储单元进行管理。在硬件电路的电路连接上和普通r o m 没什么区别。要对其读取数据和普通存储器相似，但如果进行其它操作就必须先输入一串指令序列，改变状态机的状态；擦除时，由于f l a s hr o m 自身的特点，