王金玉 侯士波 劉淄航 林雨晴

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830011)

基于STC單片機(jī)的抽油機(jī)便攜式工況分析儀

王金玉1侯士波1劉淄航2林雨晴1

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830011)

以STC12C5A系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)抽油機(jī)便攜式工況分析儀，給出了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。分析儀通過(guò)電壓和電流互感器采集抽油機(jī)電參數(shù)，通過(guò)紅外光電反射式傳感器采集抽油機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)曲線的形式在液晶屏顯示并保存到分析儀的存儲(chǔ)器上。同時(shí)分析儀通過(guò)計(jì)算給出平衡調(diào)整建議。此外，分析儀還可以通過(guò)串口與PC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。

工況分析儀 抽油機(jī) STC單片機(jī) 數(shù)據(jù)通信

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)石油的需求量在不斷攀升。盡管我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的石油儲(chǔ)藏量達(dá)到四十多億噸，但我國(guó)石油開(kāi)采量增加的速度仍然趕不上我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，隨著內(nèi)地工業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)期我國(guó)對(duì)進(jìn)口石油的依賴性會(huì)由40%增加至60%[1]。為此抽油機(jī)在油田上被廣泛應(yīng)用[2,3]。

目前，各個(gè)油田的采油工大都是采用鉗型電流表來(lái)測(cè)量抽油機(jī)電機(jī)電流的峰峰值，進(jìn)而計(jì)算電流平衡比判斷抽油機(jī)是否處于平穩(wěn)正常的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)時(shí)其電流平衡比在85%～120%范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的鉗型電流表和測(cè)量?jī)x器雖然能夠測(cè)出抽油機(jī)的電流平衡率，但是不能獲取抽油機(jī)在整個(gè)周期內(nèi)的精確電流參數(shù)，也就不能準(zhǔn)確反映出抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[4]。因此，設(shè)計(jì)一款操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確、功能完善的抽油機(jī)便攜式工況分析儀對(duì)于油田節(jié)能降耗具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于STC12C5A單片機(jī)的抽油機(jī)便攜式工況分析儀的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其硬件電路由高性能的STC12C5A單片機(jī)控制器、電壓和電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電參數(shù)采集電路、鍵盤(pán)控制電路、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和人機(jī)接口電路組成。電壓和電流傳感器采集的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電量采集芯片轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，送給LCD液晶屏顯示。LCD液晶屏顯示當(dāng)前抽油機(jī)電機(jī)整個(gè)沖程內(nèi)的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)的數(shù)值和曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片實(shí)時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)，分析儀還可以給出具體的調(diào)整建議，當(dāng)分析儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定量時(shí)，還可以通過(guò)USB串口通信電路，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件中，以便匯總、保存和打印[5]。

圖1 抽油機(jī)便攜式工況分析儀總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件部分

2.1主控模塊

抽油機(jī)便攜式工況分析儀的主控模塊采用STC12C5A系列單片機(jī)，該單片機(jī)為增強(qiáng)型8051CPU，單時(shí)鐘/機(jī)器周期1T，工作電壓為5V。工作頻率范圍為0～35MHz，本分析儀選用的是22.118 4MHz。該單片機(jī)還有4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、7路外部中斷I/O口、兩路PWM和PCA可編程計(jì)數(shù)器、8路10位轉(zhuǎn)換精度ADC、兩個(gè)USART串行接口，硬件資源非常豐富，因此適合多種功能的擴(kuò)展[6]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用24C512芯片，它是一個(gè)512KB的串行存儲(chǔ)器，支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，用該芯片來(lái)存儲(chǔ)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率及功率因子等參數(shù)。分析儀的時(shí)間顯示采用DS1302芯片進(jìn)行控制，該芯片電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，單片機(jī)的數(shù)據(jù)檢索和歷史數(shù)據(jù)回放也是通過(guò)查找時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主控模塊的硬件電路如圖2所示。

圖2 主控模塊硬件電路

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分為電參數(shù)采集模塊和轉(zhuǎn)速采集模塊。

電參數(shù)采集模塊將電壓和電流互感器采集到的模擬信號(hào)，通過(guò)三相功率電能測(cè)量芯片SA9904A轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。三相功率電能測(cè)量芯片SA9904A采用20腳封裝，為混合模數(shù)信號(hào)的CMOS集成電路，具有SPI通信接口，能夠與具有SPI口的單片機(jī)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。該集成芯片包含三相功率與電能測(cè)量所需的全部功能[7]。SA9904A整合無(wú)功與有功功率瞬時(shí)值于24位緩存器。RMS電壓與頻率連續(xù)地被測(cè)量并存儲(chǔ)于各自的緩存器。電參數(shù)采集電路如圖3所示。

轉(zhuǎn)速采集模塊采用紅外光電反射式傳感器進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。紅外傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)LM393電壓比較器轉(zhuǎn)換成TTL電平，直接送到單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速采集電路如圖4所示。

圖3 電參數(shù)采集電路

圖4 轉(zhuǎn)速采集電路

2.3USB串口通信電路

USB串口通信電路采用PL2303芯片。PL2303的發(fā)射和接收引腳與單片機(jī)的接收和發(fā)射引腳相連接，引腳15和16連接計(jì)算機(jī)的USB接口的時(shí)鐘信號(hào)引腳和數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)向USB串口的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。分析儀通過(guò)USB串口電路就可以把采集到的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、保存和打印。USB

串口通信電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分。下位機(jī)軟件采用Keil C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，首先按照各個(gè)模塊的功能使用模塊化的方式編寫(xiě)程序，然后將各個(gè)模塊程序組合到一起調(diào)試，最后形成一個(gè)完整的軟件程序。下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5 USB串口通信電路

圖6 下位機(jī)軟件流程

上位機(jī)軟件主要是對(duì)單片機(jī)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、回放、生成報(bào)告，同時(shí)也具備打印數(shù)據(jù)的功能。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件界面

4 測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)和焊接調(diào)試后，分析儀到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，部分現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線如圖8所示。

a. 電流曲線

b. 有功功率曲線

從圖8a中可以清楚地看出，抽油機(jī)上沖程和下沖程的電流最大值分別為26.122 1A和27.438 0A，經(jīng)過(guò)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后計(jì)算出抽油機(jī)的平衡度為1.050 4?，F(xiàn)場(chǎng)也通過(guò)Fluke F430測(cè)試數(shù)據(jù)與之進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)430電壓精度為0.1%。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，設(shè)計(jì)的分析儀誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于STC單片機(jī)的便攜式抽油機(jī)工況分析儀能夠準(zhǔn)確地采集抽油機(jī)電參數(shù)和轉(zhuǎn)速，并通過(guò)液晶屏顯示出當(dāng)前抽油機(jī)整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的參數(shù)和曲線，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和回放，同時(shí)還可以現(xiàn)場(chǎng)給出平衡調(diào)整建議，分析儀工作穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、精度高。同時(shí)，當(dāng)分析儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定量時(shí)，還可以通過(guò)單片機(jī)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上位機(jī)，便于油田技術(shù)員對(duì)抽油機(jī)的整體工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，進(jìn)而采取必要的措施達(dá)到油田節(jié)能降耗的目的。

[1] 胡家華，徐鵬，鄭昌雨，等.抽油機(jī)電參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(11)：66～99.

[2] 曹明輝，石成江，朱克彥. 異相型雙四連桿抽油機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].化工機(jī)械，2011,38(1):57～59,65.

[3] 耿向忠.淺談?dòng)吞锍橛蜋C(jī)的節(jié)能方式[J].化工機(jī)械，2012,39(1):110～112.

[4] 陳勇，孫文磊，譚遠(yuǎn)華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機(jī)裝備工況采集與可視化研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37(17)：4～6.

[5] 黃豐磊，盧海鋒，朱浩然.基于STM32與Labview的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電器與能效管理技術(shù)，2014，(15)：37～39.

[6] 范東英，孫曉偉.基于STC單片機(jī)正壓防爆控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(5)：612～614.

[7] 宋蟄存，許剛.三相電功率的檢測(cè)及其數(shù)據(jù)處理[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(4)：127～129.

(Continued from Page 808)

displacement control and the rising speed control of the aerial work platform; and the level inclination of the work platform can eliminate the lateral error so as to implement auto-leveling of the trucks.

Keywordsauto-leveling control system, overhead working truck, PLC, rising-stem displacement control, rising speed control

PortableOperatingConditionAnalyzerofOilPumpingUnitBasedonSTCMCU

WANG Jin-yu1, HOU Shi-bo1, LIU Zi-hang2, LIN Yu-qing1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.UrumqiPowerSupplyCo.,StateGridXinjiangElectricPowerCompany,Urumqi830011,China)

Having STC12C5A microcontroller cored to design a portable operating condition analyzer of pumping unit was implemented, including the design of its hardware circuit and softwares. This analyzer collects pumping unit’s electrical parameters through voltage transformer and current transformer and acquires the motor speed by optical encoder and infrared sensor; the collected data can be displayed on LCD screen in the form of curves and then be saved to the analyzer; meanwhile, this analyzer can give balance adjustment suggestions after calculation and communication with PC via serial port so that the data can be transferred to the host computer for browsing and printing conveniently.

operating condition analyzer, oil pumping unit, STC microcontroller, data communication

2016-06-29(修改稿)

東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目(YJSCX2015-028NEPU)

TH89

A

1000-3932(2016)08-0822-05