基于嵌入式處理器STM32的抽油機(jī)井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抽油機(jī)井大多都分布在地理位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的地區(qū)，給工作人員對(duì)抽油機(jī)井的管理與維護(hù)工作造成困難。隨著信息技術(shù)在石油工業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)大大改善了這一現(xiàn)狀。采用低成本、高性能、低功耗的微控制器以及無(wú)線傳感技術(shù)來(lái)研制抽油機(jī)井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)具有更佳的性能。該系統(tǒng)能夠讓原油的開(kāi)采更加便捷安全和穩(wěn)定高效。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地反應(yīng)抽油機(jī)井的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決抽油機(jī)井在工作中出現(xiàn)的故障。采用該系統(tǒng)，可以有效提高設(shè)備的可靠性、減輕工作人員的工作量、降低采油成本，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由6部分組成：現(xiàn)場(chǎng)傳感器(壓力傳感器、溫度傳感器等)、傳感器信號(hào)采集板、互感器模塊、電量參數(shù)采集板、示功圖采集模塊、ZigBee通信模塊和上位機(jī)。

油壓、油溫、示功圖以及電機(jī)的電力參數(shù)是抽油機(jī)井工作的重要參數(shù)，是抽油機(jī)井工況判斷的依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器將油溫、油壓等物理量轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)后，輸出給傳感器信號(hào)采集板。示功圖采集模塊內(nèi)部有加速度傳感器和負(fù)荷傳感器，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線方式，發(fā)送到傳感器信號(hào)采集板。信號(hào)采集板通過(guò)繼電器來(lái)控制抽油機(jī)啟停。三相電壓電流經(jīng)過(guò)電壓互感器模塊后，由電量采集模塊來(lái)采集。上位機(jī)使用Modbus通信協(xié)議，采用RS485總線與電量采集板和傳感器信號(hào)采集板進(jìn)行通信，以獲取采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。Modbus是工業(yè)控制系統(tǒng)通信中最普遍的協(xié)議，它具有兼容性好，可靠性高等優(yōu)勢(shì)。上位機(jī)軟件能夠顯示電量參數(shù)、各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)以及示功圖;更改采集參數(shù)和控制抽油機(jī)的啟停。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選型

主控芯片選擇嵌入式處理器STM32F103RC，這是一款Cortex M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，有48KB SRAM、256KBFLASH，片上集成6個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位ADC、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口等豐富的外設(shè)，主頻最快可以達(dá)到72 MHz。相比于其他的單片機(jī)，STM32系列具有更強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，更快的速度，使用起來(lái)更加靈活方便。

2.2 傳感器信號(hào)采集板

圖2為傳感器信號(hào)采集板框圖，由電源電路、信號(hào)調(diào)理電路、STM32及其外圍電路、繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路、RS485以及RS232通信接口電路組成。

由于現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，在傳感器調(diào)理電路前端增加了起限流保護(hù)作用的保險(xiǎn)絲，以及起靜電保護(hù)作用的TVS管。采樣電阻將傳感器輸出的4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成STM32內(nèi)部AD可以采集的電壓信號(hào)。

開(kāi)關(guān)信號(hào)的調(diào)理電路與電流信號(hào)調(diào)理電路相似，采用光耦隔離進(jìn)行電壓隔離保護(hù)，同時(shí)將外部開(kāi)關(guān)信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部可以測(cè)量的電壓。

圖3為STM32電路原理圖，包括：復(fù)位電路、供電電路、啟動(dòng)模式選擇電路、濾波電容等。PA4(20)、PA5(21)為引腳為內(nèi)部ADC的輸人通道。PC10(51)、PC11(52)引腳為內(nèi)部USART4的輸入輸出通道，用來(lái)實(shí)現(xiàn)RS485通信。PC12(53)、PD2(54)引腳為內(nèi)部USART5的輸入輸出通道，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與ZigBee通信模塊之間的RS232通信。PC14(3)、PC15(4)引腳用來(lái)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。

采用繼電器來(lái)控制抽油機(jī)啟停，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。STM32的IO引腳與PNP型三極管的集電極相連。以增加STM32的電流驅(qū)動(dòng)能力。

2.3 三相電壓電流轉(zhuǎn)換板

電壓電流轉(zhuǎn)換板由電壓互感器與電流采樣電路組成。電流采樣電路通過(guò)一個(gè)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)?；ジ衅髂軌蚱鸬浇祲阂约案綦x保護(hù)的作用。電機(jī)的交流電信號(hào)通過(guò)它的初級(jí)輸入，進(jìn)行電壓變換后，由次級(jí)輸出芯片能夠測(cè)量的電壓。電流則通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

2.4 電量參數(shù)采集板

電量采集板同樣采用STM32作為主控芯片，使用CS5463專(zhuān)用電量測(cè)量芯片分別測(cè)量三相的電量參數(shù)，使用RS485通信接口與上位機(jī)通信。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

CS5463是美國(guó)CirrusLogic公司新近推出的單相雙向功率/電能計(jì)量集成電路芯片。可以測(cè)量瞬時(shí)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因數(shù)等。其電路原理圖如圖6所示。

電量參數(shù)采集板上配備了三塊CS5463，分別來(lái)采集三相電壓電流。通過(guò)SPI方式與STM32通信，一個(gè)CS5463內(nèi)部包含有兩個(gè)ADC，分別采集電壓與電流。

2.5 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊由CC2430及其外圍電路、RS232通信接口電路、收發(fā)天線組成。該模塊由兩節(jié)5 V電池供電。具有小巧靈活等特點(diǎn)。CC24 30是一款TI公司生產(chǎn)的SOC芯片，CC2430芯片內(nèi)部包含了一個(gè)DSSS無(wú)線射頻前端，用于發(fā)送和接收無(wú)線射頻信號(hào)。為了更加方便的實(shí)現(xiàn)Z-Sta ck協(xié)議棧，在片內(nèi)集成了一個(gè)8位的8051內(nèi)核。

2.6 示功圖采集模塊

示功圖采集模塊采用電池供電，安裝在抽油機(jī)連接桿上。內(nèi)部包含一個(gè)加速度傳感器和一個(gè)負(fù)荷傳感器，將加速度信號(hào)進(jìn)行二次積分得到位移，負(fù)荷傳感器的信號(hào)即為載荷，定時(shí)將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee方式發(fā)送出去。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)