抽油井无线传感器网络太阳能示功仪硬件设计*

裴忠民，李贻斌，徐 硕

（1.山东大学控制科学与工程学院，山东 济南 250061;2.中国科学技术信息研究所信息技术支持中心，北京 100038）

0 引言

基于杆式抽油机抽油是当前石油生产的主要工艺形式［1］。示功图是分析井下抽油泵运行状况、计算原油开采量及进行故障诊断的重要依据［2～4］。由于抽油井多分布在沼泽、沙漠、盆地等野外偏远地区，当前我国大部分油田对示功图的采集还依赖于人工巡检和有线网络监测手段，自动化程度相对较低。

电子示功仪是采集抽油井工矿数据、获取抽油井示功图的主要仪器，依赖于抽油井自动化监测系统的发展变化，电子示功仪的演进也经历了传统示功仪、便携式示功仪和新一代网络化示功仪3个阶段。传统示功仪多采用拉线式和角位移传感器测量实现，仪器笨重，断头率高［5］;便携式示功仪的无绳化设计便于携带［6］，但要求定期充电且网络接入方式单一;随着新能源技术、无线传感器网络（wireless sensor networks，WSNs）技术在工业领域应用的不断深入［7］，研究新一代示功仪，构建面向抽油井工矿数据实时监测的无线传感器网络系统已成为当前油田信息化领域研究的热点问题［8］。

本文针对当前示功仪设备普遍存在的充电维护困难、网络接入功能弱化等问题，设计实现了新一代一体化太阳能示功仪，构建了一个面向抽油井工况监测的无线传感器网络，并在长庆油田试运行。

1 抽油井工况监测无线传感器网络架构

1.1 抽油井工况监测无线传感器网络架构

为实现对抽油井示功图、冲程、机电设备参数等工矿数据的实时采集、分析与监测，本文首先构建了一个抽油井工况监测无线传感器网络。无线传感器网络节点类型包括无线一体化太阳能示功仪、无线温度传感器和无线压力传感器3种。节点基于Zig Bee自组网协议构建Mesh网络拓扑结构，并通过多协议网关设备和广域网络，将现场数据传送至远程监控中心。远程监控中心服务器实现对示功图和传感器数据的分析、处理、存储和显示，并提供用户接口。网络系统架构如图1所示。

图1 抽油井工况监测无线传感器网络架构Fig 1 The architecture of pump well WSNs for working state monitoring

由图1可知，网络系统基于三级结构实现，包括部署在抽油井工业现场的无线传感器网络节点，安装在联合站或计量站的多协议网关，以及在远程监测中心的服务器三部分。工业现场传感器节点采集数据后，直接将原始数据传送至服务器集中解析。多协议网关作为协调器节点实现对无线传感器网络的管理、数据的汇聚以及多传输协议的转换，使传感器数据能够通过多种协议接口进行透明传输。远程监控中心由各种服务器和用户接口组成，对现场数据集中处理和显示，为现场网络提供各种服务。

1.2 示功仪节点部署

示功图是载荷随位移变化关系曲线所构成的封闭曲线图，由于位移可以通过加速度的双重积分得到，因此，基于载荷和加速度传感器设计一体化示功仪已成为当前的主流方法［5］。图2给出了游梁式抽油机的基本结构和加速度传感器、载荷传感器的实际部署位置。由图2可知，载荷和加速度传感器部署于驴头下方抽油杆光杆处。研究表明，要使由安装位置产生的位移测量误差不超过1%，加速度传感器敏感方向偏离抽油杆运动方向的角度不能超过8°［9］。

2 一体化太阳能示功仪硬件设计与实现

2.1 一体化太阳能示功仪硬件组成

图2 游梁式抽油机结构与示功仪节点部署图Fig 2 Structure of beam pumper and the deployment of indicator nodes

无线一体化太阳能示功仪的硬件组成如图3所示。示功仪由中央控制和无线通信单元、太阳能电源管理单元、传感器单元和外设单元四部分组成，其中传感器单元包括加速度传感器信号处理电路和载荷传感器信号处理电路两部分，实现对传感器信号的放大、滤波等处理。中央控制和无线通信单元基于CC2530 Zig Bee芯片实现，负责信号的中央控制和短距离无线通信。外设单元包含实时时钟和FLASH存储器两部分，主要实现计时和简单数据的存储功能。太阳能电源管理单元由太阳能面板、磷酸铁锂蓄电池组和电源控制电路组成，为示功仪提供稳定的直流供电电压和电源保护、电池充放电等电路。

图3 太阳能示功仪硬件组成Fig 3 Hardware composition of solar energy indicator

2.2 中央控制和无线通信单元硬件实现

中央控制和无线通信单元是一体化太阳能示功仪硬件设计的核心。由于点对点无线通信已无法满足抽油井工业现场数据可靠传输要求，为构建支持多径传输和具有自愈能力的抽油井工矿监测无线传感器网络，本文基于Zig Bee自组网协议，选用TI公司CC2530核心芯片和CC2591射频前端功率放大芯片，实现了中央控制和无线通信单元的硬件设计。

CC2530是一种集成度较高的片上系统 （SoC）芯片。CC2591是一种高性能2.4 GHz射频前端，芯片内部集成了射频开关、匹配网络、平衡/不平衡转换电路、功率放大器（PA）以及低噪音放大器（LNA）电路，输出功率可达22 dBm。通过对CC2591与CC2530的组合设计，可进一步增强射频信号的传输距离，拓展无线网络的覆盖范围。图4给出了CC2591和CC2530芯片主要管脚的连接图。对于2.4 GHz高频电路设计，抗干扰设计是关键，在示功仪硬件实现时采取的方法有:1）保证地线的完整，采用0 Ω电阻或磁珠将数字电路与模拟电路分开;2）晶振外壳接地，确保时钟准确;3）引脚去藕滤波，外围元件应尽量靠近RF芯片，器件封装尽量选择0402;射频电路附近不走线，以减少对信号的电磁干扰。

图4 CC2591和CC2530主要管脚连接Fig 4 Main pins connection of CC3591 and CC2530

2.3 太阳能电源管理单元硬件实现

为满足示功仪在野外连续7个阴雨天也可正常工作的要求，本文首先计算出7 d内示功仪工作所需的最大功耗，包括传感器功耗、无线通信功耗和核心器件运算功耗，然后依照功耗计算出太阳能电池方阵的大小，并根据芯片的供电电压需求，设计出相应的电压转换电路和充放电控制电路。太阳能电源管理单元结构示意图如图5所示。

图5 太阳能电源管理单元结构示意图Fig 5 Structure diagram of solar energy power management unit

由图5可知，太阳能电源管理单元由太阳能电池方阵、充放电控制器、蓄电池组和稳压模块四部分组成。其中，太阳能电池方阵选用光电转换效率较高的单晶硅太阳能组件。充放电控制器实现对蓄电池组充放电的控制，防止蓄电池组过充或过放，本文选用MC3063芯片实现。蓄电池组选用磷酸铁锂电池组，具有超长寿命、无记忆效应等优点。稳压模块可为CC2530提供稳定的3.3 V工作电压，以确保无线通信的稳定。本文选用带有升压和降压功能的LTC3440稳压模块来搭建稳压电路。

2.4 传感器单元与外设单元硬件实现

本文选用ADXL203型双轴加速度传感器实现对抽油杆运动加速度的测量。ADXL203与CC2530的连接电路如图6所示。为实现对输出信号的去锯齿和降噪，设计时分别在Xout和Yout引脚连接了低通滤波电容器，在电源端并联了0.01 μF和10 μF低频和高频噪声滤波电容器。

图6 ADXL203加速度传感器原理图Fig 6 Principle diagram of ADXL203 accelerometer sensor

本文选用应变式压力传感器对载荷进行测量，该传感器内部由电阻应变计桥电路组成，当基体受力发生应力变化时，电阻应变计也一起产生形变，使应变计的阻值发生改变，从而使加在电阻器上的电压发生变化。电压信号经调节后被送入CC2530的AD引脚进行测量。

3 现场实验与试运行

3.1 网络系统节点部署

为验证一体化太阳能示功仪和抽油井工矿监测系统的性能，本文在长庆油田白豹镇第二采油厂进行了多次现场实验并对系统进行了为期30 d的试运行。系统试运行节点部署示意图如图7所示，共计在采油厂的游梁式抽油机上部署7台一体化太阳能示功仪和7个无线压力传感器节点，1台多协议网关节点部署在距离现场约500 m内的计量站内，网关通过GPRS广域网络与远程监控中心的服务器通信。

图7 网络系统节点部署示意图Fig 7 Deployment diagram of networks system nodes

3.2 实验结果与性能分析

一体化太阳能示功仪选用SMA外置鞭状天线，无线信号经CC2591前端功率放大后，在通视条件下点对点无线通信距离可达1200 m。考虑到现场通信有遮挡或机电设备干扰等复杂情况，在构建现场无线传感器网络时选用Zig Bee协议栈构建Mesh网络。在系统试运行的30 d内，示功仪每2s向网关发送一次数据，利用Sniffer分析仪进行持续抓包监测，30 d仅监测到17帧错误数据，几乎做到了100%的可靠传输。

对于太阳能供电性能的验证，因系统试运行期间最长连续阴雨天为4 d，没有出现节点断电失效的情况。为真正检验节点的连续工作时限，本文又进行了室内遮挡实验，即在一次太阳能充电完成后，通过遮挡把节点放置在室内黑暗无光处，监测节点的正常工作时间。实验结果表明:节点最长正常运行时间高于198 h，超出了预期设计目标。

本文设计的一体化太阳能示功仪位移量程为0～4 m，载荷量程为0～150 kN。为验证示功仪的位移测量精度，分别在7口抽油井进行了多种井况下的试验，冲程为1～4 m，冲次从3冲到8冲不等。实验方法为:首先由示功仪测得加速度水平分量和垂直分量，在服务器端计算出抽油杆的冲程;然后利用米尺测出真实位移，二者进行比较。表1给出了针对3号井所做的5次实验结果。由表1可知，示功仪位移测量的最大误差0.09 m，符合采油现场的需求，实测示功图与抽油井的真实工矿相符，载荷实测数据变化范围为20～70 kN。

表1 抽油井位移测量数据表Tab 1 Sheet of displacement measurment data of pump well

4 结论

一体化太阳能示功仪的研制，是新能源技术、无线传感器网络技术等高新技术在石油工业领域的创新性应用。本文针对无线传感器网络技术在石油行业的实际应用，构建了一个面向抽油井工况监测的无线传感器网络，详细介绍了新一代一体化太阳能示功仪的硬件设计与实现，并依照示功仪设备在现场的试运行情况，对示功仪的性能进行了分析。

［1］文 波.基于嵌入式系统的抽油机远程示功仪设计［D］.武汉:武汉理工大学，2006.

［2］张继震，方舒东，张宗轩，等.油井产量计量技术二十年回顾与展望［J］.油气井测试，2004，13（5）:103 －104.

［3］郭长会.油井计量技术现状及发展趋势［J］.石油规划设计，200l，12（3）:4l－42.

［4］李 芳，李 元.石油生产数据无线实时监测系统［J］.信息技术，2002（11）:61－66.

［5］张家珍.基于加速度传感器的示功图测试与分析系统研究［D］.东营:中国石油大学（华东），2009.

［6］于云华，张家珍，时海涛，等.便携式油井示功图测试仪的研制［J］.科学技术与工程，2009，9（15）:4452 －4457.

［7］李凤保，李 凌.无线传感器网络技术综述［J］.仪器仪表学报，2005，26（8）:559 －561.

［8］赵仕俊，张朝晖，丁 为.基于Zig Bee技术的石油钻井现场无线传感器网络研究［J］.石油矿场机械，2009，38（7）:15－19.

［9］赵 颖.油井工况监测和数据采集系统设计与实现［D］.北京:北京交通大学，2007.