嵌入式螺桿泵工況監測系統
徐軍，趙雪飛，張飛劍，王洪軍
哈爾濱理工大學自動化學院，黑龍江哈爾濱150080）
摘 要：針對螺桿泵的電參數測量特點和技術要求，設計了基于雙單片機的螺桿泵工況監測系統。通過測量驅動螺桿泵電機的相關電參數并結合電機的內部損耗，準確地計算出螺桿泵的光桿扭矩和轉速，從而對油井的工作狀況做出正確判斷。采用模塊化設計思想，對采集、存儲和人機交互等必要的硬件電路進行設計軟件設計部分給出了程序流程圖，并對參數校準和通信部分進行了重點闡述，同時設計出上位機數據處理及故障診斷軟件一所提出的系統已經成功應用于油田，實現了對螺桿泵工況的監測，保證了采油系統的高效運行。
關鍵詞：嵌入式系統；螺桿泵；電參數測量；故障監測
中圖分類號：tp 27 文獻標識碼：a
1、引言
在現代的石油工業中，螺桿泵采油系統由于其獨特的優勢而被廣泛應用。油井內的工作環境復雜，抽油管斷脫、油管漏失、泵漏失、卡泵等故障時有發生，為了減少或避免以上情況，對螺桿泵工作狀況的監測就顯得非常必要。
目前，國內外在螺桿泵工況監測及故障診斷方面主要采用生產參數經驗診斷法、光桿受力測試診斷法、電參數測試診斷法。生產參數經驗診斷法簡單參數容易采集，但不能做到定量分析，診斷不夠準確。光桿受力測試診斷法，判斷準確，但傳感器的安裝繁瑣且需要停機。電參數測試診斷法是一種新興的定量診斷技術，通過測量驅動螺桿泵電機的相關電參數并結合電機的內部損耗，準確地計算出螺桿泵的光桿扭矩和轉速，從而對油井的工作況進行監測。
本文針對電參數測試診斷法設計了基于嵌入式的螺桿泵電機工況監測及故障診斷系統，以嵌入式微處理器和三相電能專用計量芯片為核心的現場監測部分，完成對螺桿泵驅動電機的三相電壓、電抗、頻率、有功功率、無功功率、功率因數等參數的實時監測與采集，并把數據存儲在sd卡中；通過讀卡器鏈接到pc機上，通過pc機的輔助軟件對采集到的數據進行合理地分析及處理，進而對螺桿泵呆油系統的運行狀況做出評估與診斷。
2 系統的硬件總體方案設計
考慮到電參數現場監測部分需要實現的功能比較多，既需要完成電參數的實時采集與存儲，又需要提供實時的人機交互界面，這樣一來若采用一片單片機，資源會比較緊張，而采用更高性能的處理器不僅成本高，而且又浪費了其有效的資源，綜上考慮，本系統采用雙單片機的設計方案，如圖1所示。
來自電機的三相電壓和電流信號首先經過互感器轉分別換成電壓和電流差動信號，再經過信號調理電路，輸入到ati7022b芯片，芯片進行采樣、a/d轉換、計算和存儲。其中，stc12c5410ad通過與att7022b進行spi通信讀取數據，并把數據按照一定的格式進行整合，通過串行通訊發送到stc12c5a60s2．在數據中加入實時的時間的信息，最后存儲到sd卡中，同時在lcd液晶顯示器上以菜單和數據列表的形式，配合相應的按鍵操作完成各參數的設置與顯示。
1)采集模塊的設計傳統的電參數的測量大多直接采用a/d對電壓、電流進行采樣，通過軟件實現其他的電能參數的計算。這種方式cpu計算量大、外圍電路復雜，實時性不好。本系統采用ait7022b芯片來取代以往的方式。att7022b是一款集16位adc與24位dsp處理器于一體的高精度、高可靠性、高穩定性三相電能專用計量芯片，在輸入動態工作范圍(1 000:1)內，非線性誤差小于百分之0．1。內部集成了7路二階sigma-deltaadc、參考電壓電路及數字信號處理等電路，能測量各相以及合相的有功、無功和視在功率、有功和無功能量，還能測量各相的電壓、電流有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足了本系統的設計要求。采集模塊的設計圍繞att7022b主要包含前置的電壓電流輸入通道和att7022b的外圍電路。
其中，vip /viiy，v3p /v3n，v5p /v5n分別為ll相，l2,相，l3相電流信道的差動輸入端，v2p /v2n．v4p /v4n，v6p /v6n分另i為l1相、12相、l3相電壓信道的差動輸入端 |
