刘星 关建聪 卫乾 朱润平
（北京中油瑞飞信息技术有限责任公司北京102200）
摘要：本文介绍一种基于无线Zigbee技术和加速度传感器技术的无线一体化示功仪实现方案。该方案充分利用硬件资源，实现了功图的正常采集及无线传输，有低成本、低功耗的特点。通过模拟信号发生器对真实油井数据的模拟，验证了方案的可行性，可在常规性游梁式抽油机井口广泛应用。
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关键词 ：示功仪；无线；一体化；低功耗
数字化油田的建设是自下而上所有流程和数据的信息化，感知层所采集的数据则是数字化油田建设最重要的信息。生产过程中，载荷传感器记录抽油机光杆周期性上下运动时不同位移处所承受的负荷，角位移传感器记录实时的位移。通过测取光杆悬点载荷拉力和悬点相对于井口的位移，在一个冲次中，测取几十至几百个数据点，由一个完整冲次的载荷和位移数据绘制出的封闭坐标曲线称为示功图。因此，通过示功图可以判断和监视抽油机的生产工况。传统的示功图测试仪需要通过拉线的方式测量位移数据，且需要人工定期去井口测试，有测试时间周期长、劳动强度大、无法实现长期连续监测等缺点。
由于简单易行、成本低、功耗低等特点，无线通讯方式开始被引入到各种工控领域的仪表应用中。目前无线通讯技术主要有Wi-Fi、Zigbee、RFID、UWB、NFC等几种，其中RFID、NFC一版用于电子标签场合，Wi-Fi功耗高，不适合于工控领域。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，Zigbee技术的特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率等，可以嵌入各种设备，主要适合用于自动控制和远程控制领域。
在以前研究的基础上，本文设计了一种新型的、采用Zigbee无线技术和以MSP4306723为主芯片的载荷、位移一体化示功仪。通过加速度传感器和载荷传感器分别提取光杆的实时加速度和实时载荷，通过Zigbee无线网络将数据传输到井场RTU(RemoteTerminalUnit远程终端单元)控制器。
1无线一体化示功仪的硬件设计方案
新型一体化示功仪是一种基于MSP4306723芯片为控制核心的通用产品，包括单片机模块、电源模块、ADC采集模块、无线通讯模块、存储模块等模块（图1）。各个模块对应不同的功能1.1单片机模块本设计采用的是TI公司的MSP430F6723芯片。该芯片内集成了24的差分AD，可直接使用片内的AD模块进行数据采集，有低功耗、高性能、低成本等特点。芯片的工作温度范围是-40℃到80℃，是工业级的。另外，单片机计划采用模块化设计，利于后续的升级。
1.2电源模块
一体化示功仪采用2节7.2V电池供电，由于主芯片MSP430F6723采用3.3V供电，故首先使用TPS62125降压转换器。TPS62125是一款高效同步降压转换器，可针对低和超低功耗提供300mA输出电流的应用进行优化，并支持3～17V宽输入电压范围，便于后续扩展，最后使用SPX3819将输出转为MCU所需的3.3V电压（图2）。
1.4ADC模块
一体化示功仪的核心在于对光杆位移数据和载荷数据的采集。故ADC电路设计关系到产品的精度和可靠性。
MSP430F6723具有内置的24位差分AD模块，故直接使用MCU片内AD，可降低产品成本。同时在外围接入MCP6002运算放大器，搭建3级模拟滤波电路，可大大降低采集噪声。
1.4Zigbee通讯模块
本模块的功能是实现单片机和通讯模块的通讯，通过对通讯模块发送数据，单片机将数据处理后回送给通讯模块。根据zigbee通讯模块和单片机的特点，单片机的P1.2连接通讯模块的DOUT，P1.3连接通讯模块的DIN，P3.1连接通讯模块的RESET（图3）。通讯模块和单片机的工作电压都是3.3V，所以可只用单片机供电，不再增加电压转换电路。
1.5存储模块
存储模块是对采集的功图数据进行保存，AT45DB161-E是美国ATMEL公司推出的大容量串行FLASH存储器芯片，采用NOR技术制造，有16M的存储空间。
2无线一体化示功仪的软件设计方案
MSP430F6723具有集成的软件开发环境，IARV5.4版本（该版本有多文件工程管理功能、可视化软件编程界面、支持多种文件格式、支持软件模拟仿真等优点）。
2.1主程序流程设计
作为仪表产品，一体化示功仪对任务的实时性要求不高却对功耗的要求较高，所以不太适合使用uC-OSIII实时内核系统，但是主程序也并未采用传统的循环方式，而是采用状态机进行编程，实行事件驱动模式。有限状态机思想广泛用于硬件控制电路的设计，同时也是软件上一种常用的处理方法，它可以把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定的状态，同时在每个状态上判断事件，把一个连续处理的时间变为离散数字处理，使其更符合计算机的工作特点。
本项目分别分为低功耗状态、等待状态、唤醒状态、采集状态、分析状态和发送状态。当系统上电之后，程序开始运行，进行初始化，主要对系统的时钟、ADC模块、Flash模块、通讯模块等进行初始化；对于系统的时钟，主要是选定合适的时钟频率，同时对于各种不同情况下的时钟源进行初始化；ADC模块进行AD转换模式进行初始化，本设计采用连续转换模式，当开始数据采集之后，对于载荷和加速度信号进行一段时间的连续采集；Flash模块主要进行模块校验、坏区标记；通讯模块进行版本信息读取、复位操作。
当系统初始化完成后，首先进入低功耗状态，直至到达示功图数据采集时间开始进入数据采集状态。经过180s的数据采集之后进入示功图算法分析流程，当示功图分析完成之后发送示功图数据至手操器或者井场RTU等数据采集设备，发送完成之后再次进入低功耗状态（图4）。
2.2示功图分析程序设计
2.2.1示功图概述
基于载荷和角位移所画出的示功图为井上示功图。示功图展现的是抽油机在一个冲次的上下冲程中各位置对应的载荷值，最终要得到的结果是在大量数据中找到一个周期内的位移与载荷值的对应关系。显然，首要任务就是要找到这个周期，即示功图分析程序（图5）。一次完整的示功图分析过程包括原始数据采集、数据滤波处理、得到正确的示功图、示功图保存等多个环节。
2.2.2功图数据分析
图6是一组位移和载荷曲线，数据来源海南福山油田某稠油井。其中，位移图的横轴为时间、纵轴为位移值；载荷曲线图的横轴为时间、纵轴为载荷值。
从图6可以看出，位移、时间曲线图为近似的正弦波，而载荷、时间曲线图为近似的方波，显然从正弦波找到周期会比较容易。经过归一化处理之后得到位移、载荷曲线图，即示功图（图7）。
2.2.3示功图数据周期分析
从以上数据可以知道，位移原始数据一般近似正弦波，故可以通过寻找两个最大值之间的差来判断位移的周期：首先将位移数据进行平滑滤波，然后通过寻找一个参考周期的最大值，然后将指针往后移动半个参考周期，再开始寻找一个参考周期的最大值，最后将两个最大值之间的差即为位移的周期。
得到位移数据的周期之后，将对应的位移原始数据和对应的载荷原始数据取出一个周期，进行平滑处理，即可得到一个完整的示功图。
1.8通讯程序设计
通讯模块使用Zigbee通讯模块，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其在工业中广泛应用的优势就是可以自由组网，且不产生运营费用。但由于其使用的是2.4G高频传输，其穿透性及传输距离都受到制约，实际传输距离从几十米到几百米。由于实际井场一般拥有数据井场RTU来负责数据的上传，故示功仪只需传递几百米的井场距离即可。
Zigbee通讯模块使用串口和单片机进行通讯（图8）。
使用Zigbee通讯模块可以极大地减轻产品的开发工作量，勿需具体了解Zigbee协议栈的实现。
3结语
本文提出的无线一体化示功图采集方案，有如下特点：1)实时性强：能实时反应抽油机的示功图；2)量程范围广：冲程1～10m、冲次1～10次；3)采集精度高：位移精度0.01m、载荷精度0.01kN；4)存储能力强：能保存1000副以上示功图数据；5)功耗低：电池工作1.5年以上。
该设计方案不仅解决了之前采集示功图需要人工现场周期性进行采集的弊端，还可实时连续地进行数据采集，有组网灵活、安装方便、无需布线、可多点分布测量等特点，可广泛应用于常规型油梁式抽油机油井示功图采集。不仅为井况分析提供了有力保障，同时也为数字化油田建设提供了一种新的解决方案。
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参考文献
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