基于无线传感器网络的抽油机监控实验平台

2014-12-25陈鸿龙邓晓刚

实验技术与管理 2014年9期

陈鸿龙，涂玲，孙良，邓晓刚

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东青岛 266580）

无线传感器网络［1］被美国商业周刊列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院技术评论将其列为改变世界的10大技术之一。近年来，无线传感器网络的研究也得到了国内学者们的高度重视并取得了许多研究成果和应用［2－4］。作为一种全新的信息获取与处理模式，无线传感器网络主要负责数据采集、处理和传输3种功能，能够为许多无人值守和条件恶劣的长期监测应用（如石油石化过程监测［5］、生态环境监控［6］和战场监视［7］等）提供有效的解决方案。

抽油机［8］俗称“磕头机”，是现在最常用的开采石油的机器设备之一，主要是通过加压的办法使石油出井。抽油机的正常运转是保障原油产量稳步增长的前提条件之一。然而，抽油机通常是分布在野外环境中，其运行状态的监控比较复杂，面临着严峻的挑战，尤其是当出现故障时，如果不能及时有效地检测并将之排除，很可能会造成巨大的经济损失，甚至会对环境带来严重的破坏。

本文所设计的实验平台［9－10］将无线传感器网络技术应用到抽油机的监控过程中，实现对抽油机的电机转速和抽油机运行状态的远程监控。该实验平台有助于石油院校的自动化和测控等相关专业的学生深入学习和理解无线传感器网络技术，包括传感器技术、计算机技术和无线通信技术在石油领域中的应用和设计方法，有助于学生掌握抽油机的工作原理，有利于培养和提高学生的创新能力和工程实践能力［11］，使学生能够更快地适应将来的工作环境。

1 游梁式抽油机的工作原理

游梁式抽油机主要是由4个部分组成，即游梁部分、支架部分、减速器部分和配电部分，如图1所示。游梁部分包括驴头、游梁、横梁、尾梁、连杆和平衡板；支架部分包括中央轴承座、工作梯、护圈、操作台和支架；减速器部分包括底座、减速器筒座、减速器、曲柄、配重块和刹车等部件；配电部分包括电机座、电机和配电箱等。

图1 游梁式抽油机的结构

在采油过程中，电机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，经中间轴后带动输出轴，输出轴带动曲柄作低速旋转运动。曲柄通过连杆经横梁拉着游梁后臂（或前臂）摆动（或者是连杆直接拉着游梁后臂），游梁的前段装有驴头，活塞以上液柱及抽油杆柱等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上。驴头随同游梁一起上下摆动，游梁和驴头便带动活塞作上下的往复运动，即可将原油抽出井筒。

抽油机运行过程中，要对其电机转速进行控制，使得转速保持在一定的范围之内，确保抽油机能够连续稳定地工作。因此，电机转速控制是抽油机正常工作所需要解决的问题之一。

同时，在抽油机运行过程中，游梁驴头会带动悬绳器以下的装置作上下的往复运动，在这一传递动力的过程中，抽油杆的载荷因抽油杆的位置不同而不同。抽油机的载荷主要包括抽油杆本身重量、油管内柱塞以上液柱重量，以及柱塞与泵筒和衬套、抽油杆与油管、抽油杆与液柱、油管与液柱之间的摩擦力，抽油杆与液柱的惯性力，由于抽油杆的弹性而引起的振动力以及由于液体和活塞运动不一致或泵未充满等原因引起的冲击载荷。抽油机悬点载荷与悬点位移之间的关系曲线称之为示功图［12］，示功图能够有效地反应抽油机、抽油杆和抽油泵的工作状况。在理想情况下，即在油管无漏失、泵工作正常、油层供液能力充足、泵能够完全充满等条件下，抽油机的示功图近似于平行四边形。然而，当装置出现异常时，例如油管漏失，抽油机的示功图的形状将有会发生变化。因此，通过对抽油机示功图的实时监测即可监测抽油机的运行状态。

2 实验平台设计

本文所设计的抽油机监控实验平台总体结构如图2所示，主要包括抽油机模型、PLC（Modicon M340）［13］、无线传感器节点和上位机4部分。在该实验平台中，为了节省硬件资源，只采用了2个无线传感器节点来实现数据包的多跳传输。在实际的抽油机监控系统中，可以根据具体要求增加无线传感器节点个数。

图2 抽油机监控实验平台总体结构示意图

在我校的施耐德电气联合实验室中配备了6套抽油机模型和Modicon M340，如图3所示。抽油机模型上装有3个传感器（电机转速传感器、载荷传感器和位移传感器）和一个变频器。Modicon M340是施耐德电气公司生产的一款高性能中型PLC，具有功能强劲、结构紧凑、超大内存、拥有多种专用功能等特点，其中，CPU模块集成了USB口并且内置2个通信接口，为其和无线传感器节点的连接提供便利。Modicon M340通过模拟量输入通道对抽油机模型的3个传感器的数据进行采集，即可获得电机转速、载荷和位移3个参数；同时，Modicon M340通过数字量输出通道将控制量输出给变频器，通过控制变频器的输出频率来实现对电机转速的控制。

上位机用带有UART接口的普通电脑即可。Imote2无线传感器节点实物见图4，是Crossbow公司开发的新一代无线传感器节点，采用了Marvell PXA271 XScale处理器，集成了IEEE 802.15.4协议以及2.4GHz天线，并且拥有包括 USB，I2C和UART等丰富的串口资源。在该实验平台中，1＃Imote2节点与Modicon M340通过USB接口建立连接（见图2），可实现双向通信。1＃Imote2节点和2＃Imote2节点之间可以采用无线通信方式实现短距离通信和交换数据。2＃Imote2节点与上位机之间通过UART接口实现双向通信。在作者所主持的国家自然科学基金和山东省自然科学基金的支持下，目前实验室已拥有Imote2节点及其开发套件10套。

图3 抽油机模型和Modicon M340实物图

图4 Imote2无线传感器节点实物图

本文所设计的抽油机监控实验平台的工作过程如下：Modicon M340通过模拟量输入口采集抽油机模型的电机转速、载荷和位移3个传感器的数据，电机转速参数作为Modicon M340本地的PID控制器的测量值，用于对抽油机电机转速的控制。Modicon M340通过USB接口将采集到的3个参数值实时传输给1＃Imote2节点；1＃Imote2节点通过无线通信方式将接收到的3个参数值发送给2＃Imote2节点；2＃Imote2节点通过UART接口将接收到的3个参数值发送给上位机；上位机利用接收到的载荷和位移值在线绘制示功图，根据示功图分析抽油机的运行状态，并判断是否需要调整电机转速，若需要调整，则将电机转速的给定值通过UART接口发送给2＃Imote2节点；2＃Imote2节点将接收到的给定值通过无线通信方式发送给1＃Imote2节点；1＃Imote2节点通过USB接口将电机转速给定值发送给Modicon M340；Modicon M340将接收到的值作为PID控制器的给定值，PID控制器的输出通过数字量输出通道输出给变频器，通过控制电机的频率来控制抽油机的电机转速。

3 结束语

本文以石油院校的专业特色为出发点，设计了一套基于无线传感器网络的抽油机监控实验平台。该实验平台能够实现对抽油机的运行状态进行远程监控，并且远程控制抽油机的电机转速，整个实验内容涵盖了抽油机的电机转速、载荷和位移等信息的采集、数据传输（包括USB，UART串口通信和无线通信）、抽油机示功图的在线绘制以及电机转速的控制。该实验平台有助于石油院校的自动化和测控等相关专业的学生深入了解采油的基本过程，有助于培养和提高学生的创新能力和工程实践能力，使他们将来能够更好地胜任石油领域的相关工作。

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［1］王营冠，王智.无线传感器网络［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［2］陈鸿龙，李鸿斌，王智.基于TDoA测距的传感器网络安全定位研究［J］.通信学报，2008，29（8）：11－21.

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［4］毛莺池，冯国富，陈力军，等.与位置无关的无线传感器网络连通性覆盖协议［J］.软件学报，2007，18（7）：1672－1684.

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［6］王军强，陈磊，张莉莉.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现［J］.洛阳师范学院学报，2010，29（5）：52－54.

［7］薛海亮，王智，骆吉安，等.基于移动信标和AOA的声阵列网络自定位机制［J］.信息与控制，2011，40（6）：777－784.

［8］肖文生，周小稀，谷玉红，等.直线电机抽油机研制［J］.石油学报，2006，27（5）：112－114.

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