（光学专业论文）抽油机智能监控设备的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本课题针对自动化和网络化的需求，设计了一种抽油机智能监控设备，并由 此构建了一个抽油机智能远程监控系统。 为保证抽油机工作的可靠性，本文研制了一种基于c o r t e x m 3 内核的3 2 位微 处理器的抽油机智能监控设备。该设备通过高精度计量芯片a t t 7 0 2 2 b 对抽油机 驱动电动机的三相电压、三相电流、功率、电能等参数进行采集，以微处理器s t m 3 2 为核心进行数据处理，实现对抽油机工作状态的监控，并可在出现故障时自动切 断驱动电动机的电源对抽油机进行保护。该设备还可将出现故障时的工作电压、 三相电流值保存下来，作为日后故障诊断及故障排除的依据。 该设备采用了r s 4 8 5 通讯接口，m o d b u s 通讯协议，通过上位机组态软件， 可实现对终端设备的远程监控。同时，设备具有g p r s 功能，利用手机短消息对 抽油机的起停和运行状态进行检测控制。经现场试验，运行情况良好。 关键字：抽油机远程监控m o d b u s 通讯协议 a b s t r a c t a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so fa u t o m a t i o na n dn e t w o r k i n g ，t h eb u i l d i n go fa no i l e x t r a c t o r i n t e l l i g e n tr e m o t em o n i t o r i n gd e v i c e ，a n da no i l e x t r a c t o ri n t e l l i g e n tr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h eo i l e x t r a c t o r , a ni n t e l l i g e n to i l e x t r a c t o rc o n t r o l l e r b a s e do nc o r t e x m 3m c uh a sb e e nd e v e l o p e d w h i c hd e t e c t st h eo i l e x t r a c t o r m o t o r - d r i v e nt h r e e 。p h a s ev o l t a g e ，t h et h r e e p h a s ec u r r e n ta n do t h e rp a r a m e t e r st h r o u g h h i 曲a c c u r a t em e a s u r e m e n tc h i pa t t t 0 2 2 b ，a n dp r o c e s s e st h ed a t aw i t hs t m 3 2m c u f o rt h ec o r et h r o u g hd e t e c t i n gt h ew o r k i n gv o l t a g ea n dt h et h r e e p h a s ec u r r e n to ft h e d r i v i n gm o t o ra g a i na n da g a i nt od e t e c tt h es t a t u so ft h eo i l e x t r a c t o r , a n dt oc u to f ft h e p o w e ra u t o m a t i c a l l yt op r o t e c tt h eo i l e x t r a c t o rw h e nh a sf a u l t f o rf u t u r ef a u l t d i a g n o s i sa n dt r o u b l e s h o o t i n g ，t h ew o r k i n gv o l t a g ea n dt h et h r e e p h a s ec u r r e n tc a l lb e p r e s e r v e dw h e nt h eo i l e x t r a c t o rh a sf a u l t r s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，m o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew e r eu s e dt or e a l i z et h em o n i t o r i n go fm a c h i n e t o e n dw i r e d r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 i nt h i sd e v i c e ，g p r sm o d u l ew a sa l s ou s e dt oc o n t r o l t h eo i l - e x t r a c t o rs t a r t - s t o pt h r o u g hs h o r tm e s s a g e a tt h es a m et i m e ，a no i l e x t r a c t o r i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mp r o c e s s i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dh o s t c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e v e l o p e d ，w h i c hr u n sw e l l k e y w o r d ：o i l - e x t r a c t o r r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m m o d b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 维强 日期2 咝。如上 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 于 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期幽盘奎。生 日期迎z 望。之。玺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 全球经济的发展，使得市场对石油的依赖性与日剧增，面对市场经济中石油 企业之间的激烈竞争，如何采用集中化、自动化的技术手段来管理生产一线的抽 油机井、输油管道、输电线路等生产设备的运行状况，进一步降低生产运行及维 护成本，提高生产和管理的信息化水平，以取得更好的经济效益，是整个油田生 产企业面临的新的挑战。 我国地域广阔，油田种类众多，主要油田地理环境恶劣。油田的自动化水平 还相对落后，有待提高。油田的一个采油区由多口油井、计量间、管汇阀组、转 油站、联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，那么整个采 油区的各种设施的工作状态及采出油品的数据( 主要有温度、压力、流量等) 就直接 关系到油田生产的稳定及原油质量。如果对每口油井的数据了解不够及时，往往 直接影响到单口油井的效益。 抽油机井抽油是目前石油开采过程中最重要的环节之一。抽油机井分布十分 广泛、地处偏远、环境特殊，加之人为破坏严重，传统的人工巡检、巡查或相对 落后的监测手段，往往需要投入大量的人力、物力、财力来维护生产设备的运转。 由于没有一套行之有效的、切实可行的现场生产设备的网络化监控手段，抽油机 井的正常生产秩序得不到有效、安全的保护，其设备维护管理操作混乱，设备故 障得不到及时修复，破坏油井设备、盗取原油、切断输油、输电管线的事件也时 有发生，至使油田现场的生产设备的运行维护管理一直成为油田生产企业的一大 难题。对抽油机井的数据进行人工手工记录，层层传抄、上报，不仅工作量大， 易出现误差，数据易丢失、传递时间慢，而且决策人员根据此上报的数据很可能 做出错误的判断，给出错误的调整方案。由于油井数量多且分布范围广，这种方 式必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准 确性【1 1 。 国内近几年来的油井远程智能监控系统开发及应用得到了飞速的发展，形成 了多处样板油田和成功应用案例，极大地方便了现场油井管理，提高了生产效率。 但从总体而言，目前的油井远程智能监控系统，在性能上还有许多期待完善之处。 我们应该看到，我国远程智能监控系统的研究虽然已有几十年的历史，但真正意 义上的远程监控系统的研究还刚起步，同时国内的石油生产成本与国外大公司相 比存在较大差距，使用现代化电子及通信设备对抽油机进行智能远程监控、及时、 2 抽油机智能监控设备的设计与实现 准确、全面地掌握石油生产情况，进行科学决策有着十分重要的意义。 1 可降低工人劳动强度，提高生产率 传统的数据采集方法，工作量大而繁重，费用高，特别在雨雪天气，有些井无 法采集，严重影响生产，采用远程监测，大大降低工人的劳动强度，同时可减少 冗余人员，利于降本增效。 2 便于及时掌握生产情况，利于科学管理 传统的数据采集方法，通常以人工的方式用报表反映采油情况，难以及时、准 确、全面直观、高效、连续地反映生产动态。实现油井的远程监控，管理人员在 办公室或各个测点上就可以直观地看到所有抽油机的工作情况。随着无线通讯网 的发展，各级管理部门可随时掌握一线的生产情况，真正做到运筹帷幄之中，决 胜千里之外。 3 便于采集生产数据，利于科学决策 人工采集数据，一般每口井每天只测一次工作参数，为了诊断井下工作情况， 一般每口井- n 两周要停机测试一次，费时费力。由于数据量小，很难做数据的 统计分析。实现远程监控可快速测试并长期保存大量工作数据，并以此为依据进 行科学的生产分析，为决策提供可靠论据。 4 便于及时发现问题，提高工作效率 实现抽油机的智能远程监控，可以及时发现油井停电、不正常停机、油管泄漏、 液面过低、配重不平衡等情况，从而有效地防止设备损坏，减少停机时间。抽油 机运行过程中，油井的机电设备难免会出现一些不正常情况，如缺相、井下受卡 等，有些情况如能及时发现并处理，就可以减少或避免油井故障，减少经济损失。 1 2 抽油机远程监控系统的发展过程及其现状 早在六十年代，我国就开始研究、生产抽油机远程监控系统。三十多年来， 国内先后有近百家企业参与过此类系统的开发，有不少采油厂多次安装过各种制 式的远程监控系统。但由于受各种因素( 性能、成本、通信距离) 的限制，特别是不 能解决在采油基层抽油井数目众多、而且分散范围较广这个问题，因而多数系统 最终没能进入到实用阶段。 九十年代后，迅速发展起来的微波技术，可以很容易将数据传到千里之外， 于是采油科技人员希望利用这一技术来实现抽油井的远程监测。利用微波技术实 现远程通讯具有通讯速度快，传输距离远等优点。但由于在采油基地要实现这一 技术必须利用卫星通道或者构架较大功率微波站，其成本投资非常大，暂不实现 随着小功率微波通讯技术的发展，使得小范围内的抽油井远程监测成为可能， 而且在国内外已经出现利用小功率微波通讯设备进行远程监控的系统。与前面所 第一章绪论 提到的大功率微波通讯相比，小功率微波通讯成本大大降低，在我国内地少数海 上石油平台上已经开始采用这种设备进行监测。但这种技术没有得到广泛的推广 应用，主要是由于抽油机监控系统工作环境恶劣，盗窃破坏严重，产品化程度差 等原因。 目前，在国内外现有两种方案监测抽油机参数：一种是采用电力线载波【2 3 l p l c ( n - 编程逻辑控制器) 通讯方式进行数据通讯，它的优点是投资较少，建设较 快，使用简单，可现场编程，但对使用环境要求较高，不适合野外环境，传输速 率较慢；另一种是采用通用r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) ，r t u 是一种远端测控单元装 置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器p l c 相比， r t u 通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度 环境，提供更多的计算功能。正是由于r t u 完善的功能，使得r t u 产品在数据采集 系统中得到了大量的应用。由于抽油机测控需要测量参数种类较多，有毫伏级弱 电压信号、标准电流信号、开关量输入信号、开关量输出信号、数字频率信号等， 需扩展许多模块。为了更好的满足现场实际情况，我们根据要求研制了抽油机智 能监控设备，它具有功能全、运行可靠、性价比高等优势。 1 3 1 研究内容 1 3 研究内容及论文安排 通过对油田生产设备运行维护管理现状的分析，设计了一种基于 a r m c o t e x m 3 的智能抽油机监控设备。该设备以s t m 3 2 a r m 微处理器为核心， 经由传感器装置，利用高精度计量芯片a t t 7 0 2 2 b 对抽油机驱动电机的工作电压、 三相电流等参数进行采集，实现对抽油机工作状态的监测，并可在出现故障时自 动切断驱动电动机的电源对抽油机进行保护。该控制器除具有过压保护外，还有 欠压保护，且有现场操作方便的数字设定方式，控制器运行中，定时采集并保存 相关三相电流电压数据，抽油机出现故障时，该系统可以自动切断抽油机电源， 将出现故障时的三相电压、三相电流值保存下来，作为故障诊断和排除的依据， 以便缩短故障排除时间，提高生产效率。在此基础上，利用现场分散采集，通过 r s 4 8 5 总线及上位机在遵守m o d b u s 通信协议的情况下进行远程控制和g p r s 模 块在规定的协议下用短信息方式对抽油机的起停进行控制，通过组态软件，实现 了监控机对终端设备的远程监测和控制。构成了抽油机智能远程监控系统，实现 对油田现场设备多种参数的现场测量，远程传输和集中处理。该系统降低了油田 生产设备运行维护成本，提高了油田生产自动化和网络化管理水平，实现了系统 的实时监控、数据自动采集分析、及事件统计分析为一体的油田生产管理新局面。 4 抽油机智能监控设备的设计与实现 1 3 2 论文安排 本文主要工作内容的章节安排如下： 第一章是绪论，阐述了抽油机智能监控系统的研究背景及意义，简述了国内 外的发展过程及现状，并介绍课题主要研究内容和设计的基本构思设计以单片机 为核心的抽油机智能远程监控系统。 第二章系统总体方案设计。本章主要对系统需求做了详细的分析，并总结了 系统设计的基本原则，介绍了系统组成部分的结构，最后对所用芯片进行了选型。 第三章从两种通讯方式进行了介绍，一种是有线方式：介绍了监测系统中的 r s 一4 8 5 串行通信接口技术和m o d b u s 通信协议，本章从m o d b u s 通信协议的基 本概念开始，对m o d b u s 通信协议的主从机制、传输模式、m o d b u s 信息帧的 构成以及校验方法进行了深入的分析和归纳，介绍了m o d b u s 通讯协议的通信模 式和功能，另一种是无线方式：介绍短消息业务特点的基础上，详细分析了短消 息的体系结构，论述了短消息在g s m 网络中的发送和接收过程。由于短消息具有 存储转发、自动传送、费用低廉的特点，使它非常适合于小数据流量的远距离传 输领域。 第四章详细论述了系统的硬件设计，并给出了各组成部分的连接原理图。系 统的硬件部分主要包括以下四个模块，分别为：数据采集模块、数据处理模块、 无线收发模块和电源模块。数据采集模块采用珠海炬力公司生产的a t t 7 0 2 2 b 作为 测量的核心单元，它完成如电压、电流、功率因数等电力参数的测量。数据处理 模块采用s t m 3 2 f 10 3 v b t 6 作为微处理器。 第五章结合设计方案和硬件设计，完成了抽油机智能监测系统的软件设计， 包括串行通讯协议设计、单片机控制软件设计、无线通讯模块的设计、监控计算 机软件设计等。 最后，总结了本课题的设计成果，并对今后的研究工作进行了展望，探讨了 下一步研究工作的具体目标与方向。 第二章总体方案设计 第二章总体方案设计 2 1 系统需求分析 理解需求信息对系统的开发的成功至关重要，对需求进行详尽的分析、精确 的描述定义可以缩短开发周期、降低后期开发成本，也是设计高质量、高可靠性 系统的首要前提工作。通过对监控系统的软件和硬件进行分析，以保证充分把握 目标，从而达到用户的要求，这对整个体系结构的分析设计来说是很重要的【4 1 。 2 2 1 系统实现的功能 抽油机运行监控系统是监测抽油机是否正常工作的重要设施，它包含以下功 能： 可以自动检测油井现场的抽油机是否正常工作。 可以实时地把抽油机的工作状态报送监控中心。 在发生异常时立即告警，通知相关人员处理。 管理人员可以通过局域网登录监控系统，随时查询抽油机的当前或历史的相 关工作状态记录，并能够发送操作指令到终端，实现远程操作。 监控中心能提供生产管理所需的统计与管理功能。 2 2 2 抽油机井口需求功能 要求达到以下功能1 5 j ： 自动监测抽油机工作电压、电流、实现过压、过流、欠压、欠流、缺相的自 动保护。 实现负荷越限的自动保护。 实时定时测取电流图和电压图。 实现就地手动远程遥控抽油机的起停。 实现抽油机间抽控制。 2 2 3 故障诊断功能 对连续资料进行监控包括井口温度、压力与正常资料对比，如出现较大变化， 则报警。 井口及计量站有非法闯入则报警。 6抽油机智能监控设备的设计与实现 现场设备如出现异常则报警。 其他要求的故障诊断，如继电器的点检，则预警。 2 2 4 监控机功能 数据集中显示功能【6 j ：通过串行口通信端e l 获取各个仪表所采集的数据，并将 所需的一些主要数据实时显示在计算机的屏幕上，直观地表示出各个仪表所在节 点的运行状态，如该节点是否断电、是否正常运行，各项参数是否处于正常范围 之内等。当出现异常情况时还可以发出报警信号，以通知管理员采取必要的措施。 如果需要对某一个抽油机进行重点监控，还可以查看该电表的详细信息。 数据存储及历史数据查询功能：当需要对某一段时间内的抽油机的运行情况 进行分析时，比如统计用电高峰，电压最不稳等，监控计算机将实时得到的参数 进行存储，并能够以图表的形式表示出来，显示出某一段时间内各个参数随时间 变化的曲线图。 控制功能利用仪表上的开关量输入输出端口来控制设备输出端相连的开关 量，监控计算机可以读出每台智能终端的开关量输入信号。管理员可根据当前的 开关输入量以及各个抽油机的运行状态，手工打开或关断各输出端口继电器，也 可以由计算机按照预先的设定自动将输出端口置为预定值，从而实现对抽油机的 远程控制。 2 2 系统设计原则 根据设计要求，按下列原则进行总体设计。 2 2 1 可靠性 抽油机系统作为油田生产过程中的重要环节，监控软件系统和硬件系统要具 有较强的可靠性。软件及硬件的可靠性是指在规定的时间内和规定环境下，计算 机软件和数据采集硬件无故障运行的概率。软件及硬件故障指程序运行的结果偏 离了需求规范，这包括两方面的含义：一方面指没有正确执行规定的功能：另一方 面指出现不符合要求的额外操作。软件及硬件故障主要来源于开发阶段的设计错 误，因而提高软件及硬件的可靠性，从根本上实现软件及硬件工程化，尽可能减 少软件及硬件开发过程中产生的故障。 2 2 2 可扩充性 为方便以后系统的扩展，系统留有扩展余地。 第二章总体方案设计 7 2 2 3 调试和维护方便 故障诊断预警及维护措施提示。 2 2 4 模块化结构设计 模块化结构的硬件产品使系统配置灵活、紧凑简便，易于升级、维护方便。 2 2 5 易管理性和易操作性 后台软件采用提示、查看、口令等人机对话方式以及操作权限f 7 1 分级方式。 2 3 系统结构 厂宁专! _ 抽油机智能监控设备的设计与实现 转换为电信号【9 1 ，通讯接口电路提供r s 4 8 5 和g p r s 两种通讯方式，可以根据不同 需求灵活配置，电源管理模块提供了装置所需的各种电源。 下面将对数据处理芯片和采集芯片的选择进行分析，第四章将对硬件设计与 实现进行详细深入的阐述。 2 4 1 c p u 选型 2 4 芯片选型 单片机系统主要用来完成抽油机驱动电动机的工作电压、电流检测、载荷位 移等数据的处理，根据结果判断抽油机的工作状态是否正常，此外，还可以通过 人机对话键盘显示器进行参数的上下限设定、工作状态的参数的显示与存储、故 障保护及报警、控制故障参数的远程串行通信等。为了实现这些功能，经过比较 分析，我们设计了以单片机s t m 3 2 为核心的控制系统。 s t m 3 2 系列产品是意法半导体基于c o r t e x - - m 3 内核的3 2 位微处理器i l ，可 以满足结合高性能、低功耗帮低成本特性的嵌入式应用。s t m 3 2 f 1 0 3 是s t m 3 2 系列的增强型芯片，具备7 2 m h z 时钟频率，拥有丰富的外设装置，包括1 2 8 k b 嵌入式闪存、2 0 k b 的s r a m 、嵌套的向量式中断控制器( n v i c ) 、两个a d c 接口、 三个u a r t 、两个s p i 、两个s p i 、三个1 6 位定时器、一个专用6 一p w m 定时器、 支持u s b 、c a n 和七个d m a 通道，专f - jj t a g 调试接口。系统结构如图2 2 ： 2 4 2 计量芯片的选择 图2 2s t m 3 2 芯片系统结构 电力参数的测量在早期的时候，主要是以模拟测量为主，2 0 世纪5 0 年代，数 第二章总体方案设计9 字电子技术和微计算机技术的引入，使电测与仪表技术的发展加快，模拟式电测 仪表开始逐渐在越来越多的应用场合被数字式电测仪表所取代。数字式电测仪表 大多采用微处理器加专用算法的方法，在将采集信号转换成数字信号后，由微处 理器完成一些信号处理的算法，如均方根算法，快速傅立叶变换等，将各种电力 参数提取出来。这种方法虽然实时性好，相位失真小，但其算法一般非常复杂， 并且对a d 转换的速度要求非常高。随着半导体技术的发展，专用集成芯片的运用 越来越广泛，采用专用集成芯片来测量电力参数具有抗干扰性强，使用方便，便 于维护的特点。目前，在三相电力参数测量方案中，采用专用集成电路的方案所 占的比重越来越大，而原先采用a d 转换+ 微处理器+ 专用算法的方案由于成本以及 m c u 本身缺陷的原因将逐步退出市场。 目前在市场比较流行的专用集成芯片主要有a d 7 7 5 4 和a t t 7 0 2 2 b 。采用 c s 5 4 6 0 时需采用双c p u ，其中一个用于计量，另外一个用于运行系统的管理程序， 这无疑增加了系统的成本。s a 9 9 0 4 和a d 7 7 5 4 由于没有直接提供合相参数，提供的 电力参数较少，也不能很好的满足电网监测的要求。a 1 v r 7 0 2 2 b 则提供了几乎所有 的电力参数，而且它的内部本身就有一个d s p ，所有的参数都是内部d s p 直接运算的 结果，外部无需进行任何辅助的运算，只需要完成所需的管理和通讯协议程序即 可。因此本文采用先进电能芯片a t t 7 0 2 2 b 作为测量的核心，满足了系统的要求， 同时也简化了系统的设计。 a t t 7 0 2 2 b i 坦，1 3 】是一颗精度高且功能强的多功能防窃电基波谐波三相电能专 用计量芯片，它集成了七路二阶s i g m e l t aa d c ，其中三路用于三相电压采样，三 路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流参数的采样，输出采样数据和有 效值，使用十分方便。该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和 全波( 基波十谐波，以下简称全波) 的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测 量各相及合相包括基波、谐波和全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量 以及无功能量，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等 参数，提供两种视在电能( p q s ，r m s ) ，充分满足电力参数监测的要求。芯片的内 部结构如图2 3 所示。 1 0 抽油机智能监控设备的设计与实现 图2 3a t t 7 0 2 2 b 内部结构框图 芯片的主要引脚介绍如下： v i p i n ，v 3 p v 3 n ，v 5 p v 5 n - 分别为a ，b ，c 三相电流通道的模拟输入引 脚。 v 2 p v 2 n ，v 4 p v 4 n ，v 6 p v 6 n ：分别为a ，b ，c 三相电压通道的模拟输入 引脚。 r e f g u t ：基准电压输出引脚，用作外部信号的直流偏置。 a v c c - 该引脚提供a t t 7 0 2 2 b 模拟电路的电源，正常工作电源电压应保持在 5 v + 5 的范围内。 a g n d - 模拟电路的接地参考点。 c f l - 有功电能脉冲输出，其频率反映合相平均有功功率的大小， 电能的计量。 c f 2 ：无功电能脉冲输出，其频率反映合相平均无功功率的大小， 电能计量。 常用作有功 常用作无功 c f 3 ：基波有功电能脉冲输出，常用作基波有功电能计量。 c f 4 ：基波无功电能脉冲输出，常用作基波无功电能计量。 s i g ：a 1 阿7 0 2 2 b 上电复位或者因异常而重新启动时，s i g 将变为低电平，当外 部m c u 通过s p i 写入数据后，s i g 将立即变为高电平。 对电网测量的所有参数如电压有效值、电流有效值、功率因数等都可以从 a t t 7 0 2 2 b 的计量参数寄存器中读取出来，不用再进行额外的处理。下面介绍具体 一些参数的测量方法： 第二章总体方案设计 1 电压、电流有效值的测量 a t t 7 0 2 2 提供基波、谐波和全波的各分相电压有效值和三相的电压矢量有效 值，以及全波电流有效值，三相电流矢量和有效值。电网电压信号经过a t t 7 0 2 2 b 内部的模数转换器转换后，经过对采样值的平方、开方以及数字滤波等一系列运 算之后可以得到测量的有效值。读取相应的在寄存器后将值右移1 3 位即可得到所 需的测量值。测量的框图如图 图2 4 电压有效值测量 图2 5 电压有效值 2 有功功率、无功功率的测量 各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流电压信号进行乘法、加法、数 字滤波等一系列数字信号处理后得到的。电压、电流的采样数据中包含高达2 1 次 的谐波信息，所以依据公式( 2 1 ) ： p = 二o u ( 刀) 坳) ( 2 - 1 ) 计算得到的有功功率也至少包含2 1 次谐波信息。有功功率的测量原理图如图，合相 有功功率p t = p a + p b + p c 。无功功率计量算法与有功功率类似，只是在采样电压信号 移相9 0 度之后再进行计算，测量的带宽主要受数字移相滤波器带宽的限制，一般 也能达到2 1 次谐波。 图2 6 功率测量 1 2 抽油机智能监控设备的设计与实现 3 功率因数 功率因数是有符号的值，在寄存器里以补码的形式存放，数据的最高位表示 功率因数的方向，0 表示正，l 表示负。将功率因数寄存器的读数还原为原码后再 右移2 3 位就得到了功率因数的值。 4 电压及电流相序的检测 在三相四线制的应用中，通过检测电压、电流信号的过零点的顺序来判断电 压、电流的相序是否正常。只要有一相电压失压，电压逆相序标志就会置位：同样 只要有一相电流为零，电流逆相序标志就置位。在三相三线制的应用中，电压相 序是通过电压夹角的大小来判断的，这时不提供电流相序的判断功能。在计量参 数寄存器o x 2 c 中，b i t 3 ，b i t 4 给出了电压逆相序和电流逆相序的状态标志。 5 失压检测 a t t 7 0 2 2 b 有一个断相阐值寄存器，当检测到电压有效值寄存器的值低于断相 阐值寄存器的值时，在计量参数寄存器的o x 2 c 中的b i t 0 ，b i t l ，b i t 2 就给出了a 、b 、 c 各相失压的状态标志。 2 5e d a 设计工具a l t i u m d e s i g n e r 软件介绍 电路设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) e d a 指的就是将电路设计中各 种工作交由电脑来协助完成。如电路 羽( s c h e m a t i c ) 的绘制，印刷电路板( p c b ) 的制 作，执行电路仿真( s i m u l a t i o n ) 等设计。随着电子工业的发展，大规模、超大规模 电路的使用使电路板走线愈加精密和复杂。电子线路c a d 软件产生了，p r o t e l 是突 出的代表，它操作简单、易学易用、功能强大【1 4 6 1 。 1 p r o t e l 的产生及发展 1 9 8 5 年诞生d o s 版p r o t e l 。 19 9 1 年p r o t e lf o rw i d o w s 。 1 9 9 8 年p r o t e l 9 8 这个3 2 位产品是第一个包含5 个核心组件的e d a i 具。 1 9 9 9 年p r o t e l 9 9 既有原理图的逻辑功能验证的混合信号仿真，又有了p c b 信号 完整性分析的板级仿真，构成从电路设计到真实板分析的完整体系。 2 0 0 0 年p r o t e l 9 9 s e 性能造一步提高，可以对设计过程有更大控制力。 2 0 0 2 年p r o t e ld x p 集成了更多工具，使用方便，功能更强大。 2 0 0 3 年p r o t e l 2 0 0 4 对d x p 进行了完善。 2 0 0 6 年a l t i u m d e s i g n e r 6 0 集成了更多的工具，使用方便，功能更强大，特别在 p c b 设计这一块性能大大提高。 2 a l t i u m d e s i g n e r 6 0 的主要特点 ( 1 ) 通过设计档包的方式，将原理图编辑、电路仿真、p c b 设计、f p g a 设 第二章总体方案设计 计及打印这些功能有机的结合起来，提供了一个集成开发环境。 ( 2 ) 提供了混合电路仿真功能，为设计实验原理图电路中某些功能模块的正 确与否提供了方 ( 3 ) 提供了丰富的原理图组件库茅i p c b 封装库，并且为设计新的器件提供了 封装向导程序，简化了封装设计过程。 ( 4 ) 提供了层次原理图设计方法，支持“自上而下 的设计思想，使大型电 路的设计的工作组开发方式成为可能。 ( 5 ) 提供了强大的查错功能，原理图中的e r c ( 电气法则检查) 工具和p c b 中 的d r c ( 设计规则检查) 工具能帮助设计者更快的查出和更正错误。 ( 6 ) 全面兼容t p r o t e l 前版本的设计文件，并且提供了o r c a d 格式文件的 转换功能。 ( 7 ) 提供了全新的f p g a 的设计功能，这好似以前的版本所没有提供的功能。 3 p c b 板的设计的工作流程 ( 1 ) 方案分析 决定电路原理图如何设计，同时也影响p c b 板如何规划。根据设计要求进行方 案比较、选择元器件的选择等，是开发项目最重要的环节。 ( 2 ) 电路仿真 在设计电路原理图之前，有时候会对某一部分电路设计并不十分确定，因此 需要通过电路仿真来验证。还可以用于确定电路中某些重要器件参数。 ( 3 ) 设计原理图组件 a l t i u m d e s i g n e r 6 0 提供了丰富的原理图组件库，但不可能包括所有组件，必要 时需动手设计原理图组件，建立自己的组件库。 ( 4 ) 绘制原理图 找到所有需要的原理组件后，开始原理图绘制。根据电路复杂程度决定是否 需要使用层次原理图。完成原理图后，用e r c ( 电气法则检查) - c 具查错。找到出错 原因并修改原理图电路，重新查错到没有原则性错误为止。 ( 5 ) 设计组件封装 和原理图组件库一样，a l t i u m d e s i g n e r 6 0 不可能提供所有组件的封装。需要时 自行设计并建立新的组件封装库。 ( 6 ) 设计p c b 板一 确认原理图没有错误之后，开始p c b 板的绘制。首先绘出p c b 板的轮廓，确定 工艺要求( 使用几层板等) ，然后将原理图传输至i j p c b 中来，在网格表( 简单介绍来历 功能) 、设计规则和原理图的引导下布线和布局。设计规则检查工具查错，电路设 计是另一个关键环节，它将决定该产品的使用性能，需要考虑的因素很多，不同 的电路右不同的要求。 1 4 抽油机智能监控没备的设计与实现 ( 7 ) 文档整体 对原理图、p c b 图及器件清单等文件予以保存，以便以后维护、修改。 2 6 本章小结 本章详细的从系统的需求分析、设计原则、芯片选型和原理图p c b 设计工具四 个方面介绍了抽油机智能监控系统的整体设计方案。 第三章抽油机智能控制系统的远程通信的实现 1 5 第三章抽油机智能控制系统的远程通信的实现 本课题设计的抽油机智能控制系统是通过两种方式与监控中心进行通讯。一 种是有线通讯方式：是通过r s 4 8 5 总线及上位机在遵守通信协议的情况下进行遥 信、遥测、遥控，另一种是无线通讯方式：是通过g p r s 模块和规定的协议用短 信息方式对抽油机的起停进行遥控。本章分别对两种通讯方式进行介绍。 3 1 r s 4 8 5 通讯 通过r s 4 8 5 接口与上位机进行通讯遵循m o d b u s 协议，必须解决通讯方式、 通讯接口、通讯参数的设定、校验方式等问题。 3 1 1 通讯方式 常用的数字式通讯方式分为并行通讯和串行通讯两种。 并行通讯：适用于高速和近距离设备之间的通讯。每一位数据都要有一根专 用的传输线，还有“时钟”或“选通”线，导线根数多，价格也贵，可靠性也比 较差。如距离增加，每一位都要加放大或调制解调措施。因此远距离通讯多用串 行方式。 串行通讯：适用于远距离设备之间的通讯。字符的每一位二进制码，都是按 顺序一位一位地在一条线路中传送。一般是由发信设备把并行数据变成串行信号 加在传输线上，接收设备再把它变成并行信号，然后再进行相应的处理。它的可 靠性较高，便于校验。为了区别，还必须加一分割标志，以便把一串信息分成若 干个“报文”。 串行通讯方式又分为同步方式和异步方式。同步方式对收发双方要求有严格 的时序关系，数据之间有一个固定的时间问隔。同步传输时，不需要起始位和停 止位，不留空隔，也不用停顿，可以将整个字符组作为一个单位传送，传输效率 较高。异步方式允许发送设备和接收设备的时钟有一定的误差，在发出的信息中 包含有数据或字符之间的分割标志，每个报文内部字符的位数、停止位、奇偶校 验、波特率等，都是事先约定好的。异步方式相对同步方式而言，传输效率较低。 但异步方式可随时发送字符，使用十分方便，故异步通讯方式在计算机通信系统 中应用非常普遍。 按信息的传输方向和时间关系又可分为：单向通讯方式、半双工通讯方式、 全双工通讯方式。 1 6抽油机智能监控设备的设计与实现 单向通讯方式：数据传输是单方向的，信道传输方向不能改变。经常用于数 据采集系统中。 半双工通讯方式：数据传输是双方向的，但在同一时刻只能进行一个方向的 通讯，此方式适用于会话式终端之间通信，一般计算机与终端之间采用这种通讯 方式。 全双工通讯方式：可同时进行双方向的通讯。采用四线制传输方式。适用于 计算机与计算机之间的通信。此方式通信效率高，控制简单，但造价较高。 不管是全双工方式还是半双工方式，都是把传输信息分成组，再加入相应的 校验码一同传送，对方可以用同样的方法进行校验，这样就提高了通信的可靠性。 本系统与上位机的通讯采用串行异步、半双工通讯方式。 3 1 2 r s 4 8 5 通讯接口 r s 2 3 2 c 接口标准出现较早，存在以下的缺剧1 。7 】 1 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与t t l 电平不兼容 故需使用电平转换电路方能与1 v r l 电路连接。 2 传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 k b p s 。 3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传 输，容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4 传输距离有限，最大传输距离标准值为5 0 英尺，实际上也只能用在5 0 米左右。 因此在本系统中选用了r s 4 8 5 接口作为m o d b u s 的物理层。r s 4 8 5 采用差分信号 进行传输，抗噪声干扰性好，最大传输距离可以达到1 2 k m ，最多可连接3 2 个驱动 器和收发器，接收器最小灵敏度可2 0 0 m v ，最大传输速率可达2 5 m b p s 。由此 可见，r s 4 8 5 接口专门是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。 由于r s 一4 2 2 4 8 5 标准在电气特性上非常相近，在传输方式上有所区别。为便于 理解，下面将主要介绍应用比较普遍的r s 4 8 5 标准。 r s 4 8 5 标准与r s 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式( d i f f e r e n t i a ld r i v e r m o d e ) ，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义 为b ，如图所示3 1 。 第三章抽油机智能控制系统的远程通信的实现 1 7 气 e n b l e 使能 一? 一+ 6 容许范围 + 2 a b 电压范围 - 2 对r s q 2 2 是可选 对r s 一4 8 5 是必选一- 6 容许范围 图3 ir s 一4 8 5 发送器的示意 通常情况下，发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态， 负电平在2 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，在r s 4 8 5 中还有二“使 能 端，而在r s 4 2 2 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传 输线的切断与连接。当“使能端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第 三态 ，即它是有别于逻辑“1 与“o ”的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应 相连，当在收端a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于。2 0 0 m v 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至6 v 之间。 参见图。 图3 2r s 4 8 5 接收器的示意 定义逻辑l ( 正逻辑电平) 为b a 的状态，逻辑0 ( 负逻辑电平) 为a b 的状态，a 、 b 之间的压差不小于2 0 0 m v 。 t i a 肥i a - 4 8 5 串行通讯标准的性能如所示： 表3 1t i a e i a - 4 8 5 通讯方式的性能 规格t l 觚i a 4 8 5 传输模式平衡 电缆长度 9 0 k b p s 4 0 0 0 t 置( 12 0 0 r e ) 电缆长度 1 0 m b p s 5 0 f i ( 15 m ) 数据传输速度 1 0 m b p s 抽油机智能监控设备的设计与实现 最大差动输出 4 - 6 v 最小差动输出 士1 5 v 接受器敏感度 i - 0 2 v 发送器负载( 欧姆) 6 0 q 最大发送器数量3 2 单位负载 最大接收器数量3 2 单位负载 r s 4 8 5 标准的最大传输距离约为1 2 0 0 米，最大传输速率为1 0 m b p s 。通常， r s 4 8 5 网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比， 只有在2 0 k b p s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才 能获得最高速率传输。一般来说，1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为1 m b p s 。 注意：并不是所有的r s 4 8 5 收发器都能够支持高达1 0 m b p s 的通讯速率。如果 采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。 r s 一4 8 5 网络采用直线拓朴结构，需要安装2 个终端匹配电阻，其阻值要求等于 传输电缆的特性阻抗( 一般取值为1 2 0q ) 。在矩距离、或低波特率波数据传输时 可不需终端匹配电阻，即一般在3 0 0 米以下、1 9 2 0 0 b p s 不需终端匹配电阻。终端匹 配电阻安装在r s 一4 8 5 传输网络的两个端点，并联连接在a b 引脚之间。 在过去的十多年中，建议性标准r s 4 8 5 作为一种多点差分数据传输的电气规 范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网 络中，r s 4 8 5 半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。 但是基于在r s 4 8 5 总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中 控制枢纽与分散控制单元之间。 3 1 3 通讯参数的设定 下位机