基於Zigbee網絡的無線低功耗油井示功儀的製作方法
2023-06-14 02:58:16 1
專利名稱：基於Zigbee網絡的無線低功耗油井示功儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及油井遠程監控系統中的無線低功耗油井示功儀。
背景技術：
示功圖用於監測油田採油井工作狀態，是由採油機懸點載荷隨位移的變化關系所構成的封閉曲線圖。表示懸點載荷與位移關係的示功圖稱為地面示功圖或光杆示功圖。油井示功圖是油井工作狀態的重要表徵，可以全面反映井下抽油泵運行狀況以及原油的開採情況，通過分析可以了解油井動態及抽油裝置的各項參數選擇是否合理。傳統的電子示功儀，其位移傳感器大多採用拉線式或角位移傳感器。拉線式測量衝程存在儀器笨重、斷頭率高、局部磨損嚴重等不足，對現場操作造成了很多不便；而角位移傳感器安裝和拆卸都必須停機，這樣不但操作過程煩瑣、效率低，而且停機還會引起井況和泵況的變化，反映出的工況與正常工況有一定的差別並且操作不安全，常有事故發生，而且上述方案測量的示功圖基本都為單機板，無法實現井場遠程自動化測試、自動化控制。傳統示功儀主要為單機設備，通過同步採樣位移傳感器或角位移傳感器號及載荷信號得到抽油機一個衝程內的位移數據及載荷數據，經數據加工處理，繪製出示功圖，其結構基本包括位移、載荷數據採樣與傳輸、示功圖信息的顯示、示功圖數據的後期處理等三部分構成，需要得到每口井井況時，必須到現場進行安裝後，現場測量得到抽油機地面示功圖。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於Zigbee網絡的無線低功耗油井示功儀，使現場測量重複性好，可靠性高；提高了工作效率，達到實時掌握井況，實現了井場遠程自動化測試、 自動化控制。本發明的技術方案是一種基於Zigbee網絡的無線低功耗油井示功儀，其特徵是包括載荷傳感器、加速度傳感器與AD採集轉換晶片組成的加速度載荷同步採樣單元、Zigbee無線傳輸單元、功圖數據存儲單元、太陽能充電單元、CPU採集控制單元、系統參數配置和電源管理部分。CPU採集控制單元定時採樣抽油杆運動的加速度數據，從定時採樣到的加速度數據中找出連續的兩個加速度極值點，通過計算進而得到抽油機當前運動的衝次；在得到抽油機當前衝次的條件下，根據一條完整功圖需要的採樣點數計算得到加速度和載荷同步採樣間隔，CPU按照計算的採樣間隔通過控制AD採集轉換晶片定時同步採樣加速度和載荷傳感器輸出，並分別進行相關的濾波運算，將加速度數據通過二次積分得到各個採樣點的位移及衝程；載荷數據通過濾波及剔除誤差值後與得到的對應位移值組成一個完整地面示功圖數據，並得到衝程值；Zigbee無線傳輸單元採用定時喚醒的方式接收井場RTU的掃描指令，並將其功圖轉發給井場RTU，傳輸完畢後自動進入休眠狀態。功圖數據存儲單元將採集計算完成後的示功圖數據保存，以備對歷史數據查詢需要。本發明在不增加功圖測試儀成本及設備重量條件下，通過以下技術途徑解決了現有技術缺點①在示功圖測量方面，替換掉基於拉線的位移傳感器，通過內部集成加速度感應晶片，對抽油機一個衝程內加速度數據濾波、積分等軟體算法，由加速度間接計算得到抽油機衝程，以及運動過程中的各個位移點，替換掉現有直接利用位移傳感器測量衝程時儀器笨重、斷頭率高、局部磨損嚴重等不足，從而使現場測量重複性好，可靠性高。②在每臺基於加速度傳感器的功圖測試儀上增加基於Zigbee協議棧的無線傳輸模塊，利用Zigbee模塊其自組網、網絡容量大、數據傳輸可靠等特性，使得井場每口井 的功圖數據能夠實時傳輸到後臺伺服器，油井管理人員能夠遠程實時獲得每口井的井下狀態，而不需要每口井現場測量，提高了工作效率，達到實時掌握井況，實現了井場遠程自動化測試、自動化控制。本發明的有益效果本發明通過測量抽油杆加速度間接得到位移量，測試過程不影響正常生產，不僅能繪製示功圖，顯示出圖形上的各點數據，還可以通過內部嵌入的Zigbee無線模塊利用其自組網、無線路由等功能，實時、可靠的將每口井示功圖數據傳輸至井場RTU，並通過乙太網傳輸至後臺伺服器，配合井場電機測控單元等實現了井場遠程自動化測試、及自動化控制。
圖I是本發明的結構示意框圖。圖2a是加速度輸出調理電路圖。圖2b是載荷採樣電路圖。圖3是Zigbee無線傳輸單元電路圖。圖4是太陽能充電單元電路圖。圖5是功圖數據存儲單元電路圖。圖6是電源管理部分電路圖。圖7是井I現場測試效果圖。圖8是井2現場測試效果圖。
具體實施例方式如圖I所示，基於Zigbee的無線低功耗油井示功圖測試儀包括載荷傳感器、加速度傳感器與AD採集轉換晶片組成的加速度載荷同步採樣單元、Zigbee無線傳輸單元、功圖數據存儲單元、太陽能充電單元、CPU採集控制單元、系統參數配置和電源管理部分。主要完成對每口井衝次(衝次是指抽油機的抽油杆每分鐘內上下往復運動的次數)、衝程(衝程是指抽油機驢頭上下往復運動時在光杆上的最大位移)、以及示功圖(採油機懸點載荷隨位移的變化關系所構成的封閉曲線圖，也即一個往復運動中，每個位移與對應載荷構成的曲線圖)等參數。以下結合附圖對本發明進行詳細說明。
一、衝次計算原理CPU定時採樣抽油杆運動的加速度數據，利用抽油機驢頭在上下死點處會出現加速度最大和最小極值的特點，從定時採樣到的加速度數據中找出連續的兩個加速度極值點，兩個極值點之間的採樣個數與定時採樣間隔的乘積為一個完整衝程對應的時間，進而得到抽油機當前運動的衝次。二、加速度載荷同步採樣單元由載荷傳感器、加速度傳感器與AD採集轉換晶片組成的加速度載荷同步採樣單元，電路圖如圖2a和圖2b所示。加速度傳感器選用ADXL203加速度傳感器。ADXL203加速度傳感器是美國模擬器件(AD)公司的新型單晶片雙軸傳感器，測量範圍是±1. 7g，可以承 受3500g振動衝擊。相對於傳統的加速度計，成本比較低，性能好，功耗低。此外該加速度計可以同時測量兩個垂直方向的加速度，適用於靜態和動態的加速度測量，溫度範圍-40 +85。。。載荷傳感器準確度0. 1%FS (載荷滿量程範圍)，載荷測量範圍0-150KN，輸出靈敏度為I. 276MV/V，可在低至3V電壓下工作，溫度範圍-40 +85°C。為了達到對位移和載荷1%的採樣精度，採用ADS8341轉換晶片。ADS8341是帶有SPI串行接口的4通道獨立輸入16bit模/數轉換器，在5V供電和IOOKHz採樣率的條件下典型功率損耗為8麗，基準電壓VREF可以在500mV Vcc之間變化，被轉換電壓變化範圍在0V VREF之間，在低功耗模式下晶片的功率消耗將低於15 mw。ADS8341可保證最低在2. 7V正常工作。可正常工作在_40 +85°C。三、CPU採集控制單元在得到抽油機當前衝次的條件下，根據一條完整功圖需要的採樣點數計算得到加速度和載荷同步採樣間隔，CPU按照計算的採樣間隔通過控制AD採集轉換晶片定時同步採樣加速度和載荷傳感器輸出，並分別進行相關的濾波運算，將加速度數據通過二次積分得到各個採樣點的位移及衝程；載荷數據通過濾波及剔除誤差值後與得到的對應位移值組成一個完整地面示功圖數據，並得到衝程值(即位移最大值)。圖7是井-I現場測試效果圖；圖8是井-2現場測試效果圖。圖中橫坐標為位移，單位米；縱坐標為載荷，單位KN。圖7中，衝次3. 59 ;衝程1. 27米；最大載荷47. 8KN ;最小載荷25. OOKN ;圖8中，衝次2. 37 ;衝程5. 12米；最大載荷:44. 5KN ;最小載荷19. 3KN。四、Zigbee無線傳輸單元Zigbee無線傳輸模塊採用2. 4GHz IEEE 802. 15. 4協議和ZigBee自動組網技術，具有高抗幹擾能力、低誤碼率以及低功耗等特性。其硬體接口電路如圖3所示。Zigbee無線傳輸模塊大部分時間處於休眠狀態(主要為省電考慮)，採用定時喚醒的方式接收井場RTU的掃描指令，並將其功圖轉發給井場RTU，傳輸完畢後自動進入休眠狀態。在數據傳輸過程中利用Zigbee模塊具有自組網、防碰撞等機制，能夠保證功圖數據實時、準確的傳輸至井RTU單元，井場RTU在接收後臺伺服器的輪詢掃描，將功圖數據經過乙太網傳輸到後臺伺服器，井場RTU與無線功圖測試儀之前採用MODBUS RTU工業通訊協議，井場RTU與後臺伺服器之間採用MODBUS TCP協議傳輸。五、太陽能充電單元
太陽能充電單元通過充電管理晶片完成太陽能板輸出電流能力有限的電壓源對鋰電池的充電，當太陽能電池電源電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式，由鋰離子電池為系統供電。太陽能充電管理晶片選用CN3063，能夠根據輸入電壓源的電流輸出能力自動調整充電電流，最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應用。當輸入電壓掉電時，CN3063自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小於3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監控以及充電狀態/充電結束狀態指示等功能。太陽能充電單元電路圖如圖4所示。圖中J2接太陽能板充電輸出。六、功圖數據存儲單元功圖數據存儲單元採用高密度大容量nand flash，其存儲容量為32MB，能夠連續存儲I年以上功圖數據。主要實現將採集計算完成後的示功圖數據保存，以備對歷史數據 查詢需要。功圖數據存儲單元電路圖如圖5所示。七、系統參數配置部分系統參數配置單元主要實現對備地址、Zigbee通信信道等參數設置。八、電源管理部分電源供電部分通過低功耗的線性穩壓器為CPU單元一直供電，CPU工作後配置完相關參數進入休眠模式，CPU單元自動喚醒後根據需要分別控制電源管理部分相應線性穩壓器輸出，給載荷傳感器、加速度傳感器及信號調理採樣單元供電及NAND_FLASH單元供電；其電路圖如圖6所示。電路圖中ul、u2、u3為低壓差的線性穩壓器，其中3腳EN端為高電平是輸出有效，為低電平時輸出無效，此時消耗電流為ua級，以達到省電目的。
權利要求
1.一種基於Zigbee網絡的無線低功耗油井示功儀，其特徵是包括載荷傳感器、加速度傳感器與AD採集轉換晶片組成的加速度載荷同步採樣單元、Zigbee無線傳輸單元、功圖數據存儲單元、太陽能充電單元、CPU採集控制單元、系統參數配置和電源管理部分， 其中CPU採集控制單元定時採樣抽油杆運動的加速度數據，從定時採樣到的加速度數據中找出連續的兩個加速度極值點，通過計算進而得到抽油機當前運動的衝次；在得到抽油機當前衝次的條件下，根據一條完整功圖需要的採樣點數計算得到加速度和載荷同步採樣間隔，CPU按照計算的採樣間隔通過控制AD採集轉換晶片定時同步採樣加速度和載荷傳感器輸出，並分別進行相關的濾波運算，將加速度數據通過二次積分得到各個採樣點的位移及衝程；載荷數據通過濾波及剔除誤差值後與得到的對應位移值組成一個完整地面示功圖數據，並得到衝程值； Zigbee無線傳輸單元採用定時喚醒的方式接收井場RTU的掃描指令，並將其功圖轉發給井場RTU，傳輸完畢後自動進入休眠狀態； 功圖數據存儲單元將採集計算完成後的示功圖數據保存，以備對歷史數據查詢需要。
全文摘要
本發明提供一種基於Zigbee網絡的無線低功耗油井示功儀，包括載荷傳感器、加速度傳感器與AD採集轉換晶片組成的加速度載荷同步採樣單元、Zigbee無線傳輸單元、功圖數據存儲單元、太陽能充電單元、CPU採集控制單元、系統參數配置和電源管理部分。本發明示功儀使現場測量重複性好，可靠性高，提高了工作效率，達到實時掌握井況，實現了井場遠程自動化測試、自動化控制。
文檔編號E21B47/008GK102966346SQ20121044572
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者蘇振 申請人:西安冠林智能科技有限公司