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井下数据采集与传输方法研究 摘要 随着石油开采业的发展，石油开采方法已经由螺杆泵采油发展到潜油电泵采油，潜 油电泵在石油开采业发挥越来越重要的作用。潜油电泵工作状态监测技术对设备的安全 运行、故障预测等具有重要的研究意义和使用价值。 本文针对采用变频器驱动的潜油电泵机组，进行井下数据采集与传输方法研究。潜 油电泵多参数状态监测系统监测7 个潜油电泵工况参数：入口压力、出口压力、环境温 度、电机温度、x 向振动、y 向振动、泄漏电流。 潜油电泵机组工作过程中，变频器产生大量谐波，导致潜油电泵多参数状态监测系 统的数据通道充满高频噪声，影响了系统数据传输精度。为了提高系统传输精度，本文 参考标准串行数据通信协议，制定系统数据通信协议。 由于井下一次仪表工作在高温、高噪声等恶劣环境下，影响了数据采集模块的数据 采集精度，为了减小井下工作环境对井下一次仪表测量精度的影响，设计了基于最小二 乘法的传感器标定方法，分别对每个传感器进行标定。 井上二次仪表提取的数据信号含有高频噪声，为了提高数据解调精度，本文改进信 号校正电路，实时对数据信号进行校正，并根据系统数据通信协议，对解调数据进行修 正。为了提高主控电路的软件可靠性，本文设计了基于| lc o s i i 嵌入式系统的井上二 次仪表主控电路的软件系统，以a t m e g a l 2 8 为核心控制器、以m g l s 2 4 0 1 2 8 液晶为显 示终端、以p s 2 键盘为数据输入设备，基于任务优先级对系统进行实时控制。针对系 统要求数据海量存储，本文以s d 卡为存储介质，基于f a t l 6 文件系统规范，设计存储 模块。 最后，本文通过元器件筛选及井下一次仪表电路板老化处理，提高系统硬件可靠性。 通过系统数据通信协议校正，提高系统数据传输精度。通过密封实验、联机实验、振动 实验、温度实验及现场实验，验证了潜油电泵多参数状态监测系统能够在高温、高压、 振动量大、数据通道充满高次谐波等恶劣环境下能够正常工作。 关键词：潜油电泵机组；电力载波；谐波；数据采集 井下数据采集与传输方法研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i le x p l o r a t i o nt e c h n i q u e ，o i le x p l o r e dm e t h o d sh a v eb e e n d e v e l o p e df r o me x p l o r i n gw i t hs c r e wp u m p i n gu n i tt ot h a tw i t he s p ( e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l e p u m p ) ，w h i c hp l a y sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei no i le x p l o r a t i o n d e t e c t i n gf o rw o r k i n g s t a t eo fe s ph a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ha n dg r e a tv a l u ei nu s et ot h e s a f e o p e r a t i o no fe q u i p m e n ta n df a i l u r ep r e d i c t i o n i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho ft h ed o w n h o l ed a t as a m p l i n ga n dt r a n s m i s s i o nm e t h e do fe s p i sc o n d u c t e df o re s pd r i v e nb yi n v e r t e rt om o n i t o rs e v e np a r a m e t e r so ft h es u b m e r s i b l e p u m p sw o r k i n g c o n d i t i o n ：t h ei n l e t p r e s s u r e ，t h e o u t l e t p r e s s u r e ，t h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ，t h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y st e m p e r a t u r e ，t h ev i b r a t i o no fxd i r e c t i o n ，t h ev i b r a t i o n o fyd i r e c t i o na n dt h el e a k a g ec u r r e n t i nt h ew o r k i n gp r o c e s so fs u b m e r s i b l ep u m pu n i t m u c hh i g h e rh a r m o n i ci sp r o d u c e db y i n v e r t e r , r e s u l t i n gi nt h a tt h ed a t ac h a n n e lo f e s p sm u l t i - p a r a m e t e rm o n i t o r i n gs y s t e mi sf u l l o fh i g h - 矗e q u e n c yn o i s e t h a ta f f e c t sd a t at r a n s m i s s i o na c c u r a c y i no r d e rt oi m p r o v ed a t a t r a n s m i s s i o na c c u r a c y , t h i sp a p e rd e v e l o p ss y s t e md a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa c c o r d i n gt o s t a n d a r ds e r i a ld a t at r a n s f e rp r o t o c 0 1 u n d e r g r o u n df i r s ti n s t r u m e n t a t i o nw o r k s a th i g ht e m p e r a t u r e ，h i 【g hn o i s ea n do t h e rh a r s h c i r c u m s t a n c e s ，w h i c ha f f e c t st h ed a t aa c q u i s i t i o na c c u r a c yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e i n o r d e rt or e d u c et h ee f f e c tt ou n d e r g r o u n df i r s ti n s t r u m e n tf r o mt h eu n d e r g r o u n dw o r k i n g e n v i r o n m e n t ，m e t h o db a s e do nt h el e a s ts q u a r e si sd e s i g n e df o rs e n s o rc a l i b r a t i o nt oc a l i b r a t e e a c hs e n s o r s i n c et h ed a t as i g n a l so fg r o u n ds e c o n di n s t r u m e n t a t i o nc o n t a i n sh i g h 行e q u e n c yn o i s e ， i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ed a t ad e m o d u l a t i o n ，t h es i g n a lc o r r e c t i o nc i r c u i ta r e i m p r o v e dt of i l t e ra n dc o r r e c tt h ed a t as i g n a l ，a n dt h ed e m o d u l a t e dd a t ai sf i x e da c c o r d i n gt o t h ed a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fs y s t e m i no r d e rt oi m p r o v es o f t w a r er e l i a b i l i t y , t h e c o n t r o lc i r c u i to fg r o u n ds e c o n di n s t r u m e n t a t i o ni s d e s i g n e db a s e do ne m b e d d e ds y s t e m p c o s - i i t h es y s t e mw i t ha t m e g a l2 8a si t sc o r ec o n t r o l l e r , m g l s 2 4 0 12 8l i q u i dc r y s t a l 嬲i t sd i s p l a yt e r m i n a l ，a n dp s 2k e y b o a r da si t sd a t ai n p u td e v i c e ，a r er e a l - t i m ec o n t r o l l e d b a s e do nt a s kp r i o r i t y a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t sf o rm a s ss t o r a g eo fd a t a ，t h i s p a p e rt a k e ss dc a r da st h es t o r a g em e d i u m ，a n dd e s i g n ss t o r a g em o d u l e sb a s e do nt h ef a t16 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 f i l es y s t e ms p e c i f i c a t i o n f i n a l l y , h a r d w a r er e l i a b i l i t yi m p r o v e sb ys c r e e n i n gc o m p o n e n t sa n dc i r c u i tb o a r d s a g i n gt r e a t m e n to fu n d e r g r o u n df i r s ti n s t r u m e n t a t i o n t h es y s t e md a t at r a n s m i s s i o na c c u r a c y i si m p r o v e dt h r o u g ht h ec a l i b r a t i o nt od a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h es y s t e ma n dt h e d e s i g no ft h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e s t h r o u g ht h es y s t e ms e a l i n g e x p e r i m e n t ，s y s t e mo n - l i n ee x p e r i m e n t ，s y s t e mt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t ，s y s t e mv i b r a t i o n e x p e r i m e n ta n ds y s t e mf i e l de x p e r i m e n t ，i ti sp r o o f e dt h a tt h es y s t e mc a nw o r ka th i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，l a r g ea m o u n to fv i b r a t i o n ，d a t ac h a n n e lf u l lo fh i g hh a r m o n i c s a n do t h e rh a r s he n v i r o n m e n t s k e yw o r d s ：e s p ；p o w e rl i n ec a r r i e r ；h a r m o n i c ；d a t aa c q u i s i t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 潜油电泵概述 随着经济发展，对能源的需求不断增加，石油作为主要能源之一，其需求量也不断 增加，传统采油方式已经不能保证产量需求，石油开采方法已经由螺杆泵采油发展到潜 油电泵采油。潜油电泵作为一种重要的机械采油设备，具有排量大、扬程高、耐高压、 耐高温、耐腐蚀、免修期长等优点 1 1 。潜油电泵已经在油田得到了广泛应用，据数据统 计，目前全世界三分之一的原油是由潜油电泵开采的。仅大庆油田，其中潜油电泵井数 约为1 9 2 0 口，占油井总数的1 6 ，其产油量占总产量的4 0 以上，成为油田高产、稳 产的重要手段之一【2 1 。 潜油电泵全称为电动潜油离心泵，是一种无杆井下机械采油设备，其工作原理与地 面离心泵相同。充满叶轮流道内的液体在离心力作用下，从叶轮中心甩向四周时，液体 受叶片作用，使压力和速度同时增加，并经导轮流道被引向次一级叶轮【3 1 。 潜油电泵机组主要分为三部分【4 】，如图1 1 ： 1 、井下部分：潜油离心泵、油气分离器、电机保护器、潜油电机、潜油电缆； 2 、地面设备：变压器、控制柜； 3 、辅助设备：扶正器、测温测压装置、单流阀、接线盒等。 墅莲基 楚鬣枢接线盘 一m 鬯型酗 l 骶 蔼 一 走寅电缆二 ： j 扁蛾、 = 卑囊 曼 挺嚣 _ 一 童j | 簟 黼 g | | ： 一 嚣 看k 薄置 葛卜、捷匿 图1 1 潜油电泵基本组成示意图 哈尔滨下程大学硕士学位论文 潜油电泵机组包括2 个流程p j ： 1 、供电流程：变压器一控制柜一潜油电缆一潜油电机； 2 、抽油工作流程：油气分离器一潜油离心泵一单流阀一泄油阀一井口一地面管道。 潜油电泵机组采用动力电进行供电。首先，动力电经过变压器降压，然后通过控制 柜改变电源频率，利用潜油电缆将电能传给潜油电机，潜油电机将电能转化成潜油电泵 高速旋转的动能。潜油电泵的叶轮和导轮使油液压力逐级提高，在泵口处使油液达到所 要求扬程压力。油液通过油管被举升到地面，再经过地面油路将石油运输到炼油厂【6 7 】。 1 2 潜油电泵监测系统的意义 由于潜油电泵机组工作环境恶劣，严重影响了潜油电泵机组使用寿命，为了保护潜 油电泵机组安全运行，需要实时监测潜油电泵机组工作状态，其中潜油电泵机组的入1 3 压力、出口压力、环境温度、电机温度、x 向振动、y 向振动和泄漏电流7 个工况参数， 对潜油电泵机组工作状态判断具有重要指导意义。 油井井1 3 距离井下液面几百米甚至几千米，虽然潜油电泵机组有扶正器进行校正， 但在工作过程时，仍会产生大量振动和噪声。为了保证石油产量，潜油电泵机组需要不 问断地工作，会产生大量热量。潜油电泵机组在高温、高压、高噪声和振动量大等恶劣 环境中工作。为了保证潜油电泵机组安全运行，对其工作状态进行实时监测，并且根据 监测数据调节潜油电泵机组工作参数，对其正常工作具有重要指导意义。 数据统计表明( 如表1 1 ) ，胜利油田在1 9 9 4 2 0 0 0 期间2 5 8 8 7 次停机检查中，地质 原因比例占7 4 ，施工原因比例占5 3 8 ，机械故障比例占1 8 7 8 ，电气故障占6 8 4 4 ，潜油电泵机组检修比例高达8 7 2 2 【引。根据潜油电泵多参数状态监测系统的监测 数据，制定出正确决策，改善潜油电泵机组工作环境，具有重要的使用价值 9 1 。潜油电 泵多参数状态监测系统已经成为潜油电泵机组必不可少的一部分。 表1 1潜油电泵井检原因统计 检测 地质 施工机械 电气平均检修率 原因 离心泵分离器保护器连接螺栓电缆电机 故障 7 45 3 88 2 61 5 33 3 75 6 22 7 0 04 1 4 41 0 3 7 5 比例 2 第1 章绪论 1 3国内外潜油电泵状态监测系统技术发展 随着石油开采业发展，潜油电泵大量投入生产，带动潜油电泵状态监测系统技术发 展，其数据传输技术也得到快速发展。 1 3 1国外潜油电泵状态监测系统技术发展 国外潜油电泵状态监测系统技术经过几十年的发展，系统数据传输技术越来越成 熟，系统的性能也得到不断地提高。目前，国外潜油电泵状态监测系统的数据传输方式 主要有两种：电压型电力载波和电流型电力载波。两种系统数据传输方式都成功地应用 于井下机组多元测试仪，为潜油电泵机组工况判断提供重要的参考数据，具有重要的使 用价值。 英国z e n i t h 公司z e n i t h 系列井下机组多元测试仪的数据传输方式为电压型电力载波， 如图1 2 。z e n i t h 系列井下机组多元测试仪利用潜油电机星点与地面模拟星点等电势原 理，进行系统数据传输【1 0 】。在潜油电缆上进行长距离传输电压信号，优点是信号线路损 耗小，潜油电机星点泄漏电流变化对系统数据传输影响小，缺点是信号易受到高频噪声 干扰，并且在潜油电缆上会产生压降，影响系统数据传输精度。 图1 2z e n i t h 系列井下机组多元测试装置 z e n i t h 系列井下机组多元测试仪的数据通道有两条，由井下系统、潜油电机三相绕 组、潜油电缆、井上三相模拟星点电抗器与井上系统构成一条通道，由井下系统机壳、 潜油电泵油管和井上系统机壳构成另一条通道。井下系统将采集的电压信号调制到潜油 电机星点上，通过潜油电缆向井上系统传输。井上系统通过解调模拟星点的电压信号而 得到数据，实现井下系统与井上系统的数据通信，其系统技术指标参数如表1 2 。由表1 2 可知，系统测量参数不仅多，而且测量范围宽、测量精度高，能够精确地测量井下工况， 为潜油电泵机组工况判断提供重要的参考数据。 3 哈尔滨：f 程大学硕士学位论文 表1 2z e n i t h 系列井下机组多元测试仪参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 - 10 0 0 0 p s i o 1 1 p s i 出口压力 o 1 0 0 0 0 p s i 0 1 1 p s i 入口温度0 1 5 0 】0 1 电机温度 0 15 0 1 o 1 出口流量 0 3 0 0 0 0 b b i d a y 5 1b b i d a v 振动 o 1 2 9 5 0 0 0 1 9 泄漏电流 0 2m a 0 0 5 1 u a 美国s c h l u m b e r g e r 公司p h o e n i x 系列井下机组多元测试仪( 如图1 3 ) 与美m w e a t h e r f o r d 公w e a t h e r f o r d 系列井下机组多元测试仪( 如图1 4 ) 的数据传输方式为电流型电力载波。 在潜油电缆上利用电流环进行长距离传输数据信号，高频噪声对电流环干扰小，系统数 据传输稳定、可靠，但是当潜油电缆绝缘性能下降时，潜油电机星点泄漏电流增大，影 响系统数据通信 11 , 1 2 1 。- 曰 田 图1 3p h o e n i x 系列井下机组多元测试装置图1 4 w e a t h e r f o r d 系列井卜机组多元测试装置 p h o e n i x 系列井下机组多元测试仪矛l j w e a t h e r f o r d 系列井下机组多元测试仪的数据传 输通道有两条，与z e n i t h 系列井下机组多元测试仪的数据通道相同。两条通道构成一个 环路，数据信号利用电流环在该环路进行传输。井下系统将测量得到的电压信号转化成 电流信号，并将电流信号调制到潜油电机星点上。井上系统通过解调模拟星点的电流信 号而得到数据，实现井下系统与井上系统的数据通信。p h o e n i x 系列井下机组多元测试仪 的系统技术指标参数如表1 3 ，w e a t h e r f o r d 系列井下机组多元测试仪的系统技术指标参数 4 第1 章绪论 i 如表1 4 。由表1 3 和表1 4 可知，两系统能够精确地测量井下工况，为潜油电泵机组工况 判断提供了重要的参考数据。 表1 3p h o e n i x 系列井下机组多元测试仪参数 测试参数 测量范围精度分辨率 入口压力0 10 0 0 0 p s io 1 1 p s i 出口压力0 - 10 0 0 0 p s i o 1 l p s i 入口温度o 1 5 0 1 o 1 电机温度 0 15 1 3 i 1 0 1 出口流量 o 3 0 0 0 0 b b i d a y 5 1b b i d a y 振动 0 1 2 9 5 o 0 0 1 9 泄漏电流 0 - 2 5 m ao 0 5 1 u a 表1 4w e a t h e r f o r d 系列井下机组多元测试仪参数 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 l p s i 入口温度0 - 1 2 5 1 0 1 电机温度 0 1 2 5 1 0 1 出口流量 o 一3 0 0 0 0 b b i d a y 5 lb b i d a y 振 动 0 - 1 0 9 1 o 0 0 1 9 泄漏电流0 2 5 m a0 0 5 1 u a 综上所述，电压型电力载波技术和电流型电力载波技术都成功地应用于井下机组多 元测试仪，系统具有测量参数多、精度高、分辨率高等优点。由于国外并下机组多元测 试仪技术保密，系统数据传输的实现技术均不详。 1 3 2国内潜油电泵状态监测系统技术发展 国内已产品化的潜油电泵状态监测系统主要是监测温度、压力两个参数，其数据传 输方式主要采用电流型电力载波。目前，国内潜油电泵多参数状态监测系统还没有进行 批量生产，潜油电泵多参数状态监测系统技术还处于研发阶段。 1 9 9 8 年，宁波中方荣自动化仪表科技有限公司研制了“q c w y - 1 型潜油电泵井下测 s 哈尔溟j 一：程人掌硕士学位论文 温测压系统( 如图1 5 ) ”。q c w y - 1 型潜油电泵井下测温测压系统采用电流型电力载波方式 进行系统数据传输，其工作原理如图1 6 。井下系统利用硅蓝宝石压力传感器、热电偶进 行压力和温度数据采集，利用变送器将采集信号以电流环形式调制到潜油电机星点上， 并进行频率补偿：井上系统通过解调电路将井上模拟星点处的数据信号提取出来，并对 数据信号进行解调【1 3 1 。q c w y - 1 型潜油电泵井下测温测压系统技术指标参数如下： 1 、压力测量范围：0 3 5 m p a ，精度等级：1 0 级； 2 、温度测量范围：0 1 2 0 ，精度：2 ： 3 、潜油电机星点不平衡电压达1 5 0 v a c 时，系统测量误差不超过0 0 6 。 图1 5q c w y - 1 型潜油电泵井下测温洲压系统 图1 ，6q c w y - 1 型潜油电泵井下测温测压系统工作原理图 i 妇q c w y - 1 型潜油电泵井下测温测压系统的用户报告可知，系统能够应用于潜油电 泵机组，井下系统与井上系统能够进行正常数据通信，其测量参数精度达到设计指标， 6 第1 章绪论 但是该系统监测温度、压力的数据精度与国外设备相差一个数量级。 1 9 9 9 年，哈尔滨理工大学研制了“新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器”， 监测潜油电泵机组工作环境的压力、温度。由于传统力敏器件输出信号弱，不能抵抗传 输线路产生的干扰，限制众多压力传感器和温度传感器在油井上的应用。新型本征半导 电高分子压力温度双参数传感器利用敏感元件测量油井压力及温度，实现高分子粉木材 料不经烧结工艺而合成压敏系数极高的高分子材料，解决了高温油井测压测温的难题 【1 4 】。新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、功耗 小、寿命长等特点，其技术指标参数如下： 1 、测压范围：0 4 0 m p a ，压力灵敏度： 8 m v 1 0 5 p a ： 2 、测温范围：0 2 0 0 ，温度灵敏度： 8 m v ； 3 、测量精度：1 5 ； 4 、平均寿命：1 5 年。 由新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器的用户报告可知，该传感器能够在 高温油井中正常工作，其工作温度已经超过1 2 54 c 。新型本征半导电高分子压力温度双 参数传感器的测量精度为1 5 ，该传感器的压力测量精度和温度测量精度均低于 q c w y - 1 型潜油电泵井下测温测压系统。 大庆力神泵业有限公司研制了“b s h 型潜油电泵测温测压装置( 如图1 7 ) ”，该装置 采用电流型电力载波方式进行系统数据传输。系统电气原理图，如图1 8 。井下系统利用 变送器，将采集数据信号调制到潜油电机星点上；井上系统通过井上智能仪表将井上模 拟星点处的数据信号提取出来，并对数据信号进行解调。 图1 7b s h 型潜油电泵测温测压装置 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ii i 图1 8b s h 型潜油电泵测温测压系统电气原理图 b s h 型潜油电泵测温测压装置已经进行批量生产，平均寿命大于1 年。该测量装置 不仅可以在工频下正常工作，而且可以工作在变频环境下，扩大该装置的使用范围。 b s h x 0 0 y 型潜油电泵测温测压装置技术指标参数如下： l 、测温范围：0 - 1 2 0 ，精度：士1 5 ，分辨率：o 1 ； 2 、测压范围：0 , 一3 5 m p a ，精度：o 5 ，分辨率：0 0 1 m p a 。 b s h x 0 0 y 型潜油电泵测温测压装置的压力测量精度为o 5 ，其温度测量精度为 士1 5 。c ，该装置的压力测量精度和温度测量精度均高于q c w y - 1 型潜油电泵井下测温测 压系统。b s h x 0 0 y 型潜油电泵测温测压装置的数据测量精度满足井下工况判断的需要， 该产品已经在油田上大规模地应用。 哈尔滨工业大学开展了“潜油电泵多参数状态监测系统”的研究工作，该系统利用 电流环进行数据传输，利用井上系统向井下系统进行供电。潜油电泵多参数状态监测系 统工作原理图【6 1 ，如图1 9 。井下数据采集电路以c p l dx c 9 5 3 6 x l 为核心控制器，对井 下工况参数进行数据采集，并利用电压电流转化电路将采集的数据信号调制到潜油电机 星点上。井上系统以a r ml p c 2 3 7 8 为核心控制器，利用电流检测电路将电抗器中性点 的数据信号提取出来，并利用主控电路对数据信号进行解调。 8 第1 章绪论 m f = = = = = = = = = = = | _ j _ - 。- _ - - - _ - _ o o 。_ 。o ”o _ o o _ _ _ o _ _ 。_ - - _ - _ 一i h 群弗轾 ； 格臻翳浚游镇出1 3 咐( 劳下傻电)- !歼芙叱源! ：辕拙4 vi 一j ：，王j 胙膻 ：髓躞： l - ：锋穗： i t 舞下爱甏幕囊摹缝 秀上教据赴理系统 图1 9 哈尔滨工业大学研发“潜油电泵多参数状态监测系统”工作原理图 哈尔滨工程大学研制出基于电压型电力载波技术的“潜油电泵多参数状态监测系 统 样机。通过系统现场实验，证明该系统的可行性，但是由于潜油电泵机组采油现场 工作环境恶劣，为了提高系统的可靠性，系统需要尽步改进。 1 4 课题来源及论文的主要研究内容 1 4 1课题来源 本课题来源于大庆油田力神泵业有限公司。 1 4 2 论文的主要研究内容 本文以本研究室研制的“潜油电泵多参数状态监测系统”为研究对象，围绕井下工 况数据采集、信号耦合与解调技术、井上二次仪表数据存储、系统可靠性设计等相关技 术进行研究工作。本文主要研究内容如下： l 、由于潜油电泵机组工作时变频器产生大量谐波，影响了系统数据传输精度。为 了提高系统数据传输精度，本文制定了系统数据通信协议。 2 、井下一次仪表工作在高温、高压、高噪声等恶劣环境下，影响了数据采集模块 的数据采集精度。为了提高数据采集模块的数据采集精度，本文设计了基于最小二乘法 的传感器标定方法。 3 、数据信号在潜油电缆传输过程中，受到高频噪声干扰，影响了井j ：- 次仪表数 据解调精度。为了提高井上二次仪表数据解调精度，本文改进井上二次仪表解调电路， 对数据信号进行实时滤波、校正。为了提高井上- - 次仪表主控电路的软件可靠性，本文 设计了基于1 1c o s i i 嵌入式系统的井上二次仪表主控电路的软件系统，基于任务优先 o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 级对主控电路进行实时控制。针对系统要求数据海量存储，本文以s d 卡为存储介质，设 计存储模块。 4 、由于系统工作环境恶劣，要求系统具有高可靠性。为了提高系统可靠性，本文 对元器件筛选及井下一次仪表电路板老化处理，提高系统硬件可靠性，通过系统数据通 信协议校正，提高系统数据传输精度。通过密封实验、联机实验、温度实验、振动实验 和现场实验，对系统的可靠性进行验证。 1 0 第2 章系统总体方案 第2 章系统总体方案 2 1引言 由于潜油电泵机组利用潜油电缆进行长距离供电，不可能为潜油电泵多参数状态监 测系统提供专用的供电及数据传输通道。本课题组采用低频电力载波技术进行系统数据 传输，利用井上二次仪表对井下一次仪表进行供电。针对潜油电泵机组工作时变频器产 生大量高次谐波，为了提高系统数据传输精度，本文参考标准串行数据通信协议，制定 系统数据通信协议。 2 2 系统性能指标 根据国内外潜油电泵多参数状态监测系统的技术指标参数及课题要求，确定系统监 测井下工况7 个参数，分别为：入1 ：3 压力、出1 ：3 压力、环境温度、电机温度、x 向振动、 y 向振动和泄漏电流，具体技术指标如表2 。1 。 表2 1 潜油电泵多参数状态监测系统的技术指标参数 测试参数 测量范围精度分辨率 入口压力 o 4 0 f p a 0 1 o 0 1 f p a 出口压力 o 4 0 【p a0 1 0 0 1 m p a 入口温度 o 1 2 5 1 0 1 电机温度 0 - v1 2 5 1 o 1 x 向振动 0 8 9 5 0 0 1 9 y 向振动 0 一8 9 5 0 0 1 9 泄漏电流 0 2 5 m a0 1 1g a 2 3 系统通信总体方案 潜油电泵多参数状态监测系统数据传输方式主要有两种：一种是以电缆为传输介 质，利用电力载波方式进行系统数据传输；另一种是以油管或油液为传输介质，以声波 信号为载体，利用无线通信方式进行数据传输【l 习。而基于声波无线通信的潜油电泵多参 数状态监测系统受潜油电泵机组工作过程中产生的振动影响很大，数据传输精度低，系 统还处于试验阶段。根据潜油电泵机组需要长距离供电及长期工作在高噪声、振动量大 哈尔滨：翻矍大学硕士学位论文 等恶劣环境中，本文采用电力载波方式进行系统数据传输。 2 3 1电力线载波通信技术 电力线载波通信p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是利用高压电力线、中压电力线、 或低压电力线作为信息传输媒介，进行数据传输的一种特殊通信方式。高压电力线载波 技术主要用于供电部门与变电站之间数据通信；中压电力线载波技术主要用于自动化系 统的数据传输；低压电力线载波技术主要用于远方自动抄表系统的数据传输【1 6 , 1 7 】。随着 电力线载波技术不断发展，电力线载波技术将成为工业、商业等领域的重要通信方式【1 8 1 。 电力线载波通信技术利用电力线作为通信媒介，采用调制解调技术进行数据传 输。工作时，下位机实时对监测对象进行采样，把获得数据通过载波模块耦合到电力线 上，进行信号传输。在接收端，上位机经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调电路， 可得到原始数据信号【1 9 , 2 0 。 潜油电泵多参数状态监测系统采用电力线载波技术，利用潜油电缆进行系统数据传 输，节省系统数据线和电源线，同时具有以下缺点【2 1 2 2 】： 1 、系统数据传输速度慢。潜油电泵机组工作时变频器产生大量高次谐波，系统不 能利用调频方式进行电力载波通信，只能利用低频电力载波技术进行系统数据通信，影 响系统数据通信速度。 2 、线路噪声大。潜油电缆作为通信介质带来噪声干扰远远大于信号线路。在高压 电力线路上，变频器产生突发噪声会引起潜油电机星点电压发生变化。 潜油电泵多参数状态监测系统需要针对以上缺点，设计耦合电路和解调电路。通过 缩短系统数据传输周期，提高系统数据传输速度：利用解调电路的滤波电路和信号校正 电路，对井上系统提取的数据信号进行滤波与校正，提高系统数据传输精度。 电力线载波技术已经作为数据通信的重要手段，节省了大量数据通信线路，体现出 电力载波的优越性【2 3 1 。未来电力市场要求必须建立一个投资少、运行费用低、便于系统 升级的电力载波数据通信系统【2 4 , 2 5 】。 2 3 。2 系统数据传输 潜油电泵多参数状态监测系统采用电力载波方式进行系统数据传输。本课题组曾尝 选用x r 2 2 1 0 x r 2 2 0 6 套片( 一组基于f s k 方式的调制解调芯片) ，工作频率范围为 o 0 1 h z 3 0 0 k h z ，在潜油电缆上进行电力载波通信。井下一次仪表利用x r 2 2 0 将采集 数据信号以f s k 方式调制到潜油电机星点上，以高频信号为载体向井上二次仪表传输 1 2 第2 章系统总体方粟 数据信号，井上二次仪表利用x r 2 2 1 0 从高频信号中解调出数据信号，实现井下一次仪 表与井上二次仪表的数据通信。在实验室环境下或潜油电泵机组在工频条件下工作时， 井下一次仪表与井上二次仪表可以正常通信。但潜油电泵机组利用变频器进行驱动时， 变频器产生高次谐波，高次谐波频率与x r 2 2 1 0 x r 2 2 0 6 套片工作频率有重叠区域， 导致井下一次仪表和井_ l z - - 次仪表通信异常1 26 。 为了减少变频器产生高次谐波对潜油电泵多参数状态监测系统的影响，本课题组利 用电力系统三相电路两个星点等电势原理【2 ，确定系统采用低频电力载波的数据传输方 式。为了构造系统另一个星点q 2 ，需要在潜油电缆每相线加个阻抗相等的电抗器。利 用潜油电机星点q l 与井上二次仪表模拟星点q 2 等电位，井下一次仪表与井上二次仪表 进行数据传输。井下一次仪表与井上二次仪表的数据通信有两条线路( 如图2 i ) ：一条 是井下一次仪表机壳、潜油电泵油管、大地与井上二次仪表地线相连；另一条是潜油电 缆。井下一次仪表电路地线与其机壳相连，可以通过油管与井上二次仪表地线相连，使 整个系统共地。通过井下一次仪表耦合模块，将数据信号耦合到潜油电机星点q 】上， 以潜油电缆为传输介质，会引起井上二次仪表模拟星点q 2 产生相同变化。通过井上二 次仪表解调电路将数据信号解调出来，最终完成井下一次仪表与井上二次仪表之间数据 通信，即低频电力载波。 图2 1系统数据传输原理图 在潜油电泵多参数状态监测系统中，只要潜油电机、潜油电缆或模拟星点电抗器有 一部分不对称，就构成不对称三相电路，导致潜油电机星点q 1 的电压与井上二次仪表 模拟星点q 2 的电压不相等。虽然两星点电压不相等，但是潜油电泵多参数状态监测系 统的三相线阻抗值是恒值，即该系统三相电路的不平衡度是恒值，潜油电机星点的电压 变化会引起井上二次仪表模拟星点的电压以恒定比例变化( 数据信号的高低电平是恒 值) ，井下一次仪表成功地将数据信号传输到井上二次仪表。 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 潜油电泵多参数状态监测系统包括两条通道，即系统数据传输通道和井下一次仪表 供电通道，这两条通道利用同一条物理通道( 潜油电缆) ，为了减小系统两条通道之间相 互干扰，本文对两条通道进行独立性设计。一方面，由于系统数据信号中含有井上二次 仪表向井下一次仪表供电电压，导致井上二次仪表解调电路无法对数据信号进行解调。 为了降低井上二次仪表数据信号中的共模电压，解调模块中设计信号提取电路，将数据 信号从电源电压中分离出来，保证系统数据传输通道的独立性。另一方面，井下一次仪 表耦合模块会引起潜油电机星点q l 电压发生变化，影响了井下一次仪表电源模块正常 工作。为了避免潜油电机星点电压变化对电源模块产生影响，井下一次仪表利用宽范围 输入电压的d c d c 模块电源对潜油电机星点电压进行变压、稳压，并在d c d c 模块电 源的输入端设计滤波电路，使潜油电机星点q l 电压的变化对井下一次仪表供电影响很 小。 2 4 系统供电方案 潜油电泵多参数状态监测系统供电包括两部分，即井下一次仪表供电和井上二次仪 表供电。井上二次仪表可以从控制柜直接取电，而井下一次仪表工作环境特殊性决定井 下一次仪表供电不能采用传统的供电方式( 带缆或电池) 。由于潜油电泵机组利用潜油电 缆进行长距离供电，不可能为井下一次仪表在潜油电缆中增加专用供电电缆，潜油电泵 多参数状态监测系统根据潜油电机星点q l 与井上二次仪表模拟星点q 2 等电势，通过提 高井上二次仪表模拟星点的电压，实现井_ k - 次仪表对井下一次仪表进行供电【2 8 1 。井下 一次仪表供电原理图，如图2 2 。直流电源从星点q 2 向星点q 1 传输，在电缆上一定存 在衰减，导致星点q l 电压低于星点q 2 电压。由于潜油电缆很粗，使得直流电阻较小， 长度为1 0 0 0 m 的潜油电缆直流电阻只有5 f l 左右，对井下一次仪表供电影响很小。 模拟星点电抗器 - 9 图2 2 井下一次仪表供电原理图 1 4 第2 章系统总体方案 2 5 系统数据通信协议 潜油电泵机组工作时变频器产生大量高次谐波，使潜油电缆传输的数据信号受到严 重的干扰。为了提高系统数据传输精度，本文参考标准串行数据通信协议，制定系统数 据通信协议，并且增大数据位之间的阈值，保证系统进行正常的数据通信。 本课题组曾尝试利用高电平的时间长度代表井下工况数据的大小，制定系统数据通 信协议，数据协议包括两部分，即数据头和数据位。数据头由一个时间长度为7 0 0 m s 高电平和一个时间长度为7 0 0 m s 低电平组成，数据位包括7 组，每组数据位由一个时 间长度为8 0 0 1 8 0 0 m s 高电平和一个时间长度为7 0 0 m s 低电平组成，系统数据通信协议 如图2 3 。利用此协议进行系统数据通信时，由于变频器产生大量高次谐波，干扰系统 数据通信，再加上系统数据信号的耦合与解调都存在误差，导致系统数据信号的高电平 数据长度发生变化。将井上二次仪表信号校正电路输出的数据信号与井下一次仪表产生 的数据信号进行对比，发现数据信号的高电平误差范围为l o - 5 0 m s ，系统数据数据传输 的误差率在3 左右。 起始标志 7 0 0 m s 入口压力 8 0 0 1 8 0 0 m s 出口压力 8 0 0 - l8 0 0 m s 泄漏电流 起始标志 8 0 0 18 0 0 m s7 0 0 m s 隔离标志隔离标志 隔离标志隔离标志 7 0 0 m s7 0 0 m s 7 0 0 m s 7 0 0 m s 图2 3 原系统数据通信协议 为了提高系统数据传输精度，本文根据潜油电泵多参数状态监测系统工作在原系统 数据通信协议时，数据信号的高电平误差范围为1 0 5 0 m s ，利用特定高电平时间长度代 表数据位的数值，制定系统数据通信协议，并且设定各数据位的阈值( 第一数据位与第 二数据位的阈值为2 0 0 m s ，第三数据位与第四数据位的阂值为l o o m s ) 。数据位的阂值 大于数据信号传输在过程中产生的误差范围，提高了系统数据传输精度。 系统数据通信协议包括两部分，即数据头和数据组。数据头包括1 个7 0 0 m s 高电 平和1 个7 0 0 m s 低电平。数据组包括7 组数据，分别是入口压力、出口压力、环境温 度、电机温度、x 向振动、y 向振动和泄漏电流。每组数据包括4 个数据位，并且每个 数据位由1 个特定长度高电平和1 个7 0 0 m s 低电平组成，系统数据通信协议示意图， 如图2 4 。4 个数据位的第一数据位表示四位数据的第一位数据大小；4 个数据位的第二 15 哈尔