（机械电子工程专业论文）螺杆泵油井工况监测系统.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 随着现代经济的发展，能源匮乏已成为一个非常突出的问题，石油能源 更是具有举足轻重的地位。因而如何提高采油效率和降低采油成本就成为现 代研究人员急需解决的问题。通过及时地获取油井工况的各项重要参数、合 理分析数据，从而对设备进行故障诊断和对开采系统进行最优化设计显得尤 为重要。 螺杆泵采油系统是目前应用比较广泛的一种采油方式，然而在我国针对 螺杆泵油井工况的监测诊断技术尚不完善，在此背景下本文研制了螺杆泵油 井工况监测系统，系统包括用于驱动电机的电参数测量的现场监测仪表和基 于p c 的数据处理软件两部分。现场监测仪表硬件部分主要由以a r m 9 为核 心的嵌入式系统和基于电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 的信号处理模块组成，并配 备串口、l c d 液晶显示、键盘和u s b 主机等外围硬件：软件部分采用l i n u x 操作系统作为系统操作系统，并开发了l i n u x 下设备驱动程序和应用程序。 信号处理模块主要负责信号的拾取、处理，并转换成监测用电参数数字信号； 嵌入式系统主要负责电参数数据的处理、传输与转存，使用普通u 盘拷贝和 传输数据。数据处理软件对获取的油井工况监测数据进行分析、处理、存贮、 解释，从而判断出油井工况和故障情况，并具有显示、打印、历史数据查询 等功能。 目前，螺杆泵油井工况监测系统已经在大庆采油六厂采油现场安装使用， 运行状况良好，安装使用方便，各项指标均满足设计要求，所监测到数据能 为螺杆泵采油系统工况分析和优化设计提供有力的技术保障。 关键词：螺杆泵；监测；a r m ；l i n u x 哈尔滨下程大学硕十学位论文 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 em o d e me c o n o m y ，e n e r g ys h o r t a g e sh a sb e c o m e av e r yp r o m i n e n tp r o b l e ma n do i le n e r g yi sv i t a l l yi m p o r t a n t t h e r e f o r eh o wt o i m p r o v em i n i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o s to fm i n i n gi st h eu r g e n tp r o b l e mf o r m o d e mr e s e a r c h e r st od e a l 、析m i t sv e r yi m p o r t a n tt og e tv a r i o u si m p o r t a n t p a r a m e t e r sf o rt h eo i lc o n d i t i o na n da n a l y z et h e s ed a m s t h u se x e c u t ef a u l t d i a g n o s e sf o rt h ee q u i p m e n t sa n do p t i m i z et h ed e s i g no fm i n i n gs y s t e m t h es c r e wp u m po i lp r o d u c ts y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h i n ar e c e n t y e a r s h o w e v e r ，t h et e c h n o l o g yo fs u p e r v i s o r yo ft h es c r e wp u m po i lw e l li sf a r f r o mp e r f e c t t h ed e v e l o p m e n to ft h eo i lw e l ls c r e wp u m pc o n d i t i o nm o n i t o r i n g s y s t e mi nt h i si s s u ei sf o rt h i sc i r c u m s t a n c e ，w h i c hi sb a s e do nt h ee l e c t r i cm o t o r d r i v ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gm o n i t o r i n gi n s t r u m e n ta n dp c - b a s e dd a t aa n a l y s i s ， p r o c e s ss o f t w a r et o g e t h e r t h em o n i t o r i n gi n s t r u n a e n th a r d w a r ei sc o n s i s t e do f a r m 9 - b a s e de m b e d d e ds y s t e m sa n dc h i p - b a s e de n e r g ym e t e r i n ga t t 7 0 2 2 b s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e s ，a n di sa l s oe q u i p p e d 谢t i ls e r i a lp o r t s ，l c d ，k e y b o a r d a n du s bh o s tf o re x t e r n a lh a r d w a r e ；s o f t w a r eu s e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma s o p e r a t i n gs y s t e m ，a n dd e v e l o p e du n d e rl i n u xd e v i c ed r i v e r sa n da p p l i c a t i o n s s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt h es i g n a lt op i c k ，p r o c e s s ，a n d c o n v e r td i g i t a ls i g n a l st om o n i t o rp o w e rp a r a m e t e r s ；e m b e d d e ds y s t e mi sm a i n l y r e s p o n s i b l ef o rt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ed a t ap r o c e s s i n g ，t r a n s m i s s i o na n d t ok e e pt h eu s eo fc o m m o nud i s ka n dc o p yd a t a d a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ea n a l y s i s ， p r o c e s s ，s t o r a g e ，e x p l a i nt h ed a t ao ft h eo i lc o n d i t i o nm o n i t o r i n gt h e nw e l l d i a g n o s e do i lc o n d i t i o na n df a u l tc o n d i t i o n s ，a n dc a nd i s p l a y ，p r i n t h i s t o r i c a ld a t a q u e r yf u n c t i o n s a tp r e s e n t ，t h eo i lw e l ls c r e wp u m pc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e n u s e di nn o 6o i lp r o d u c t i o np l a n to fd a q i n g ，r u n n i n gi ng o o dc o n d i t i o na n de a s y 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 t oi n s t a l l ，t h ei n d i c a t o r sa r ed e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s t h em e a s u r e dd a t a p r o v i d e db yt h es y s t e ma r ev e r yu s e f u li na n a l y z i n gv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s a n di ni m p r o v i n g e n g i n e e r i n gd e s i g no f t h es c r e wp u m po i lp r o d u c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：s c r e wp u m p ；m o n i t o r ；a r m ；l i n u x 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、数据和文献的引用己在 文中指出卜并与参考文献相对应口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由本人承担。 作者( 签字) ： 砬乒军 嗍1 年弓胪日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：取翠导师( 签字) ：嘻乏厶 日期：m 嘶年月，7 日o 模 a 块 g 刮j t a g r m 么 内 ttad t 核 u ，小1 系转 令i 篡曩笔翥 人 u s b统 卜 换 y 电 电 源路 令i 内核电源l 卜t 蚓裟 图3 1 硬件系统原理框图 3 2 信号处理部分设计 信号采集是系统工作的前提，而信号的处理则是系统设计的关键所在， 为能够得到精确的数据处理信号，同时为了降低系统的设计难度、降低系统 的整体费用，为提高硬件的抗干扰性应尽量使硬件电路简单化。据于以上原 因，所以本系统采用一款高精度的多功能防盗电基波谐波三相电能专用计量 芯片a t t 7 0 2 2 b ，它的各相功能满足本系统的设计和测量要求。同时还采用 1 3 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 了德州仪器生产的一款具有可配置电压转换和3 态输出的8 位双电源总线收 发器s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 芯片来实现电平转换，和数据驱动功能。 3 2 1a t t 7 0 2 2 b 芯片简介 a t t 7 0 2 2 b 集成了七路1 6 位a d 转换器，其中三路用于三相电压采样， 三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样， 输出采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适用于三相三线和三相四线 的应用。该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各 项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和 全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能 测量频率，各相电流以及电压有效值，功率因数，相角等参数，提供两种视 在电能( p q s 、r m s ) ，充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作 要求。 a t t 7 0 2 2 b 内部的电压检测电路可以保证加电和断电时正常工作，提供 一个s p i 接口，方便与外部m c u 之间进行计量参数以及校标参数的传递。 支持全数字域的增益，相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出 c f l 、c f 2 ，可以直接接到标准表，进行误差校正，而c f 3 、c f 4 输出基波谐波 下的有功和无功电能脉冲或者r m s 、p q s 视在电能脉冲。a t t 7 0 2 2 b 的内部 结构如图3 2 所示乜。 外围硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及s p i 通 讯接口等电路。内部集成的七路1 6 位a d 转换器中，电流通道有效值在2 m v 至1 v 的范围内线性误差小于0 5 ；电压通道有效值在1 0 m v 到1 v 的范围 内线性误差小于0 5 ；电压取值在0 2 v 到0 6 v ( 放大后的电压值，电压取 样信号为0 1 v ，电压通道的放大倍数选4 倍) ，电流取值在2 m v 到1 v ，电 能线性误差小于0 1 。每路a d c 的交流输入由管脚v x p 和v x n 输入，同 时要求v x p 、v x n 迭加2 4 v 左右直流偏置电压，该偏置电压可以由芯片的 参考电压输出r e f o u t 获得，也可以外部基准电压提供c 2 2 。 1 4 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 o s c oo s c l s ms l g r e s e t 图3 2 a t t 7 0 2 2 b 的内部结构图 3 2 2s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 芯片介绍 s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 芯片是德州仪器生产的一款功能强大的具有可配置电压 转换和3 态输出功能的转换芯片。s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 为转换系统中的混合i o 电压提供了更高的设计灵活性。芯片可在1 8 v 、2 5 v 、3 3 v 以及5 0 v 节点 之间进行双向电平转换，当较低电平电压输出与较高电压输入进行通信时( 例 如3 3 v 输出与5 v 输入) ，那么该器件将发挥关键作用。通过使用双电源电平 转换器，不仅能够实现输入兼容性，而且还能监控总体系统功耗。反之，当 较高电压输出向较低电压输入发送信号时( 例如5 v 输出与3 3 v 输入) ，通过 采用双电源电平转换器可实现较为优秀的i o 兼容性，同时还可在输入端消 除提供高电压容限的麻烦，从而使电路板设计人员不必担心i c 之间的各种通 信问题。为节省空间本文采用3 5 x 5 。5 m m 超小型q f n 封装。 芯片带有两个电源轨，工作电压范围介于1 6 5 v - 5 5 v 之间。当任一电 源电压关闭时，所有输出均处于h i z 模式，从而无需电源排序，换言之， 】5 p卜p卜pnpnp卜pkpns!；!ww” 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 任何电源电压都可首先加大。s n 7 4 l v c 8 t 2 4 转换器还具备适用于部分断电 应用的1 0 f f 特性，且i o e r 功能允许应用系统切断部分电源。芯片可驱动较大的 负载：+ - 3 2 m a 输出驱动电流；任一v c c = 0 v 时，所有i o 引脚都会短路( 进 入高阻抗状态) ；总线保持功能：不需要在数据线路上使用上拉下拉电阻乜们。 3 2 3 信号处理电路设计 通过对上述两款芯片的介绍，了解了两款芯片的基本功能和性能参数等。 设计信号处理部分电路如图3 3 所示，芯片a t t 7 0 2 2 b 引脚v x p 、v x n 分别 相应地接来自传感器的信号线端子；由外部晶振提供时钟电源，分别接于引 脚4 2 、4 3 ，同时晶振接有一对去耦电容；四个端口d o u t 、d i n 、s c l k 、 c s 低电平有效是s p i 总线接口，其中d o u t 引脚与$ 3 c 2 4 1 0 内核a 3 3 引脚 相连接，d i n 、s c l k 、c s 低电平有效分别接到芯片s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 的a 2 、 a 3 、a 4 上；j 1 是为线选择开关，其中开路为选择三相四线，短路为选择三 相三线；引脚r e v p 为有功功率判断端口，通过接一个发光二极管来判断有 功功率的正负性；电源输入端口v d d 、v c c 、a v c c 各个端口都外接1 0 u f 并联o 1 u f 电容去耦；r e s t 为a t t 7 0 2 2 b 复位端与芯片s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 的 a l 引脚相接且低电平有效，内接4 7 k 上拉电阻及去耦电容；s i g 为数据信号 端口直接与内核板上的b 2 7 引脚对接，当a t t 7 0 2 2 b 上电复位中异常原因重 启时，为低电平，当外部m m u 通过s p i 写入校表数据后，为高电平，接有 去耦电容c 3 。a t t 7 0 2 2 b 的数据进入s n 7 4 l v c 8 t 2 4 5 后在该芯片上b 1 、b 2 、 b 3 、b 4 输出数据e xd a t a 0 、e xd a t a l 、e xd a t a 2 、e xd a t a 3 信号， 与内核板上的引脚b 2 5 、a 3 4 、b 2 6 、b 2 8 对应相接。片选信号c e 与内核引 脚b 2 4 对接。电源端都接有去耦电容，其它引脚接地。 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图3 3 信号处理电路原理图 3 3 传感器的选取及其接口电路设计 3 3 1 电流互感器的选取及其接口电路设计 根据电流互感器的性能和现场工作环境的具体条件，同时考虑系统成本 以及系统性能的设计要求，经过多方对比，决定采用l m z j 0 5 型电流互感器 三个。本型互感器的铁心用冷轧取向硅钢片环形卷绕而成，二次线圈沿环形 铁心均匀紧绕，中间窗口供母线穿绕使用，可以做成多变比的电流互感器自 身不设一次线圈，外面用树脂浇注或绝缘。适用范围为：电流互感器为穿心 母线型电流互感器供额定频率为5 0 h z ，电压为6 6 0 v 或5 0 0 v 及以下的交流 线路中测量电流、电能及继电保护之用。主要技术参数有：额定电压为5 0 0 v 、 6 6 0 v ；额定一次电流为5 - - 6 0 0 0 a ，额定二次电流为5 a ，安匝比为7 5 5 正 常工作范围广，对大气环境的要求不高；且能在1 1 0 额定电流下长期工作， 而且在恶劣条件下性能相当稳定。 电流互感器安装在电机电源线入口处，将电源线从互感器的中间环形直穿 过去，互感器的接线端口与板上的相应接线端口对接。其接口电路设计如图 17 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 3 4 所示，为a 相电流互感器与电能表a t t 7 0 2 2 b 的接口电路n 们，电流采样采 用单端输入方式，b c 相电流互感器的接口电路和a 相一样。图中l a l 、l a 2 分别为a 相电流互感器的二次绕组的两端，经过电阻电容滤波整形，与电能 表a t t 7 0 2 2 b 的v 1 p 、v 1 n 相连接，c 1 0 、c 1 1 为去耦电容。 帽电瘴夏 c 1 l 2 2 0 吩 图3 4a 相电流互感器电流输出端与a t t 7 0 2 2 b 的接口电路 3 3 2 电压互感器的选取及其接口电路设计 根据电压互感器的性能和现场工作环境的具体条件，同时考虑系统成本 以及系统性能的设计要求，采用型号为t r l l 0 2 1 c 的精密电压变换器三个， 精度等级0 0 5 ，频率为4 5 1 2 5 0 h z ，输出负载阻抗大于5 千欧，额定电压比 3 8 0 v 0 1 5 v ，其特点是线性好、精度高、工作范围宽广；原边不串电阻，电 压直接输入，副边直接电压输出；电路简单、运行可靠、一致性好等。能很 好的满足系统的测量要求和精度。 电压互感器安装在p c b 板上，与螺杆泵电机电源线比较而言采用选择y 形接线方式n 伽，其与a t t 7 0 2 2 b 的接口电路如图3 5 所示，a b c 各项的电 压互感器的二次侧分别都接有一对去耦电容c 1 3 、c 1 7 和c 2 9 、c 3 0 和c 3 9 、 c 4 0 ；各项二次侧都接一组并联电阻为接地下拉电阻；二次电路各项接线端 子分别与电能计量表闰盯7 0 2 2 b 的端口v 2 p 、v 2 n 和v 4 p 、v 4 n 和v 6 p 、 v 6 n 对应相接，从而形成电压互感器输出端与a t t 7 0 2 2 b 的完整接口电路。 1 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 5 电压互感器接口电路 3 4 嵌入式系统硬件设计 嵌入式系统硬件设计是本系统的核心部分。一方面它接收经a t t 7 0 2 2 b 转换处理过的数字信号，并将其传输到液晶显示和系统内部存储器，另一方 面将存储在内存的数据经u s b 主机传送到u 盘，完成数据的最终处理，是 整个系统数据处理、转换、传输的中心。由于系统是安装在螺杆泵的工作箱 上，工作环境比较恶劣，而且振动噪音比较大，又在室外工作，而且要便于 安装以及系统所要实现的功能，所以选用的嵌入式c p u 应该具有速度快、功 耗低、体积小、安装方便、工作稳定、价格便宜等特点。根据多方面比较， 本课题选用$ 3 c 2 4 1 0 核心板和板座。 3 4 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 简介 $ 3 c 2 4 1 0 a 是一款以a r m 9 2 0 t 为内核的1 6 3 2 位r i s c 处理器，广泛运 1 9 哈尔滨一e 程大学硕士学佗论文 用在移动设备。具有低价格、低功耗、高性能等特点，为了降低系统成本， 提供了大量的内部设备：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ， m m u 虚拟存储器管理单元，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支持n a n d f l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t , 4 通道 d m a ，4 通道p w m 定时器，i o 端口。r t c ，8 通道1 o 位a d c 和触摸屏接 口，i i c 总线接口，i i s 总线接口，u s b 主机接口，u s b 设备接口，s d 主卡 & m m c 卡接口，2 个s p i 总线接口以及内部p l l 时钟倍频器。主频高达 2 0 3 m h z 至2 6 6 m h z t 删。 3 4 2s 3 c 2 4 1 0 a 内核电路设计