CN102541026A - 基于物联网的石油生产示功仪 - Google Patents

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Abstract

本发明的基于物联网的石油生产示功仪，包括传感器单元和电源，其特征在于：包括与传感器单元相连接的用于实现控制和无线通信作用的中央单元，该中央单元连接有产生时钟脉冲的时钟单元、进行数据存储的存储器以及用于电源管理的电源管理单元；所述中央单元为实现以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段通信的中央控制单元和无线通信单元。本发明通方便了信息的采集、运算和分析，为石油的开采提供了宝贵准确的信息。通过加速度和载荷两个量来反应抽油机的工作状况，与抽油井的真实工矿更加相符。通过采用光伏太阳能板作提供电能，保证了整个示功仪的长期稳定运行。还具有不需要铺设电缆、自组织组网、数据传输的可靠、网络接入能力增强的优点。

Description

基于物联网的石油生产示功仪
技术领域
 本发明涉及一种基于物联网的石油生产示功仪，更具体的说，尤其涉及一种布线方便、通讯费低且可自组网的基于物联网的石油生产示功仪。
背景技术
随着现代工业的发展，人类社会对能源的要求不断提高。石油在世界能源结构中具有举足轻重的地位，已成为国家的经济动脉。油田多分布在沼泽、沙漠、盆地和浅海等野外偏远区域，作业环境相对恶劣，信息化水平的提升相对困难。与西方发达国家相比，我国石油工业的生产水平、信息化水平相对落后。据统计，目前我国的油井主要分布在大庆，长庆，胜利，辽河，大港，塔里木，克拉玛依，吉林，青海等各大油田，油井数量近20万口，但配有数据采集及远程自动控制***的油井数量还不到10%，且目前安装的油水井监控***多采用有线网络，不仅布线困难，而且造价昂贵。物联网技术作为继互联网之后信息产业发展史上的又一重大里程碑，已引起世界各国的高度重视。因此，除强化制度建设外，基于物联网技术提升改造传统油田企业的技术水平，是加快石油工业发展的有效途径之一。基于杆式抽油机抽油是当前石油生产的主要工艺形式。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。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。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。
现有设备存诸多缺陷，依赖于抽油井自动化监测***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三个阶段。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；便携式示功仪的无绳化设计便于携带，但要求定期充电且网络接入方式单一；随着新能源技术、物联网技术在工业领域应用的不断深入，研究新一代示功仪，构建面向抽油井工矿数据实时监测的物联网***已成为当前油田信息化领域研究的热点问题。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种布线方便、通讯费低且可自组网的基于物联网的石油生产示功仪。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，包括设置于抽油杆上的传感器单元、用于提供电能的电源，其特别之处在于：还包括与传感器单元相连接的用于实现控制和无线通讯作用的中央单元，该中央单元连接有产生时钟脉冲的时钟单元、进行数据存储的存储器以及用于电源管理的电源管理单元；所述中央单元为实现以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段通信的中央控制单元和无线通信单元。传感器单元设置于抽油杆上，用于对抽油机的参数进行采集，以便给出抽油机的做功数值；电源用于给整个示功仪提供电能。中央单元实现对传感器单元采集数据的运算、处理和存储，并能实现无线通信和无线组网，以便将采集的数据实时进行上传。时钟单元用于提供中央单元能够正常工作的始终脉冲，存储器实现数据的存储，电源管理单元用于对电源进行智能管理，以便提供稳定的电压。采用2.4GHz微波波段进行通信，无需运营费用。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，所述传感器单元包括加速度信号传感器和载荷信号传感器。采用抽油机在工作过程中的加速度和载荷信号来反映其做工状况，更加符合实际，能得出更精确的数据。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，所述电源包括光伏太阳能板和蓄电池组。光伏太阳能板用于将太阳能转化为电能，既可给示功仪提供电能，也可将电能存储在蓄电池组中，以便保证整个示功仪长期稳定运行。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，包括与中央单元实现无线通信的多协议网关以及提供服务和管理的服务器。多协议网关实现无线物联网通信到骨干网络通信的转换，以便将信息上传至服务器。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，所述无线通信单元采用CC2591射频前端功率放大芯片。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，所述电源管理单元包括稳压模块以及由MC3063芯片构成的充放电控制器。
本发明的基于物联网的石油生产示功仪，所述中央控制单元采用CC2530ZigBee芯片。
本发明的有益效果是：本发明通过设置采集油田抽油机工作参数的传感器单元以及可进行自组织网络和无线通信的中央单元，方便地将抽油机的做功参数进行无线发送，方便了信息的采集、运算和分析，为石油的开采提供了宝贵准确的参考信息。通过在传感器单元中设置加速度信号传感器和载荷信号传感器，通过加速度和载荷两个量来反应抽油机的工作状况，使实测示功图的误差更小，与抽油井的真实工矿更加相符。通过采用光伏太阳能板作提供电能，保证了整个示功仪的长期稳定运行。本发明还具有如下优点：（1）由于基于ZigBee无线网络通信，不需要铺设电缆，可直接实现示功图原始数据的采集；（2）由于采用了太阳能电池板进行供电，解决了充电维护费用高的问题；（3）采用无线自组织组网，保证数据传输的准确、可靠，网络接入能力增强、无线传输更可靠；（4）采用双轴加速度传感器和应变式压力传感器实现对位移的计算，开创了示功图显示的新方法。
附图说明
图1为本发明的示功仪的工作原理图；
图2为本发明的示功仪的电路原理图；
图3为本发明的示功仪应用在梁式抽油机上的原理图。
图中：1示功仪，2多协议网关，3服务器，4传感器单元，5时钟单元，6存储器，7中央单元，8电源管理单元，9电机，10四连杆机构，11游梁，12支架，13驴头，14抽油杆。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，分别给出了示功仪的工作原理图以及示功仪的电路原理图，包括示功仪1、多协议网关2、服务器3、传感器单元4、时钟单元5、存储器6、中央单元7、电源管理单元8；所示的示功仪1设置在抽油机上，用于采集抽油机的工作参数，并将采集的数据通过多协议网关2上传至服务器3，服务器3根据采集的数据对相应抽油机的工作状况进行分析，以便得出抽油机的示功图。由电源、传感器单元4、时钟单元5、存储器6、中央单元7以及电源管理单元组成了示功仪1。电源用于给整个示功仪1提供电能，电源采用光伏太阳能板和蓄电池组相组合的形式，既能保证示功仪能有效稳定的长期工作，还可避免布设电源线；电源管理单元8由稳压模块以及由MC3063芯片构成的充放电控制器，以便给示功仪1提供稳定的电压。
为了准确反应抽油机的做功状况，传感器单元4中设置有加速度信号传感器和载荷信号传感器，通过加速度信号和载荷信号来实现对位移的计算，开创了示功图显示的新方法。中央单元7由中央控制单元和无线通信单元组成，中央控制单元用于传感器信号的采集运算和存储，无线通信单元实现无线信号的接收和发送；中央控制单元可采用CC2530ZigBee芯片，以方便地实现以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段信号的发送和接收。时钟单元5、存储器6和电源管理单元8均与中央单元相连接，时钟单元5用于产生时钟信号，存储器6实现采集数据的存储。如图3所示，给出了示功仪应用在梁式抽油机上的原理图，所示的抽油机包括电机9、四连杆机构10、游梁11、支架12、驴头13、抽油杆14；电机9通过四连杆机构10带动游梁11运动，游梁11驱动与驴头13相连接的抽油杆14做上下运动，示功仪1上的加速度信号传感器和载荷信号传感器均设置在抽油杆14上，以便采集抽油杆14运动时的参数。
其中，传感器单元中设置有信号放大电路和滤波电路，以便实现信号的放大和滤波处理。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物联网，本发明的基于ZigBee自组网协议的示功仪有效地解决了这一问题，中央单元7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。蓄电池组可以采用磷酸铁锂电池，蓄电池组通过放电电路向外界提供电能，光伏太阳能板通过充电电路给蓄电池充电。电源管理单元8可光伏太阳能板、充放电控制器、蓄电池组和稳压模块四部分组成，光伏太阳能板选用光电转换效率较高的单晶硅组件。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，可用MC3063芯片实现。稳压模块可为CC2530提供稳定的3.3V工作电压，以确保无线通信的稳定，可选用带有升压和降压功能的LTC3440稳压模块来搭建稳压电路。加速度信号传感器可选用ADXL203型双轴加速度传感器实现对抽油杆运动加速度的测量；载荷信号传感器可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片桥电路组成，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。电压信号经调节后被送入CC2530的AD引脚进行测量。
与现有的示功仪相比，本发明的基于物联网的石油生产示功仪具有如下优点：（1）由于本发明采用基于ZigBee网络的无线通信方式，现场不需要铺设大量的电缆，该发明可直接实现示功图原始数据的采集。（2）针对当前抽油井示功仪普遍存在的充电维护费用高，本发明利用太阳能技术实现了新一代一体化示功仪。（3）本发明具有无线自组网功能，数据传输中采用多层次握手，保证数据传输的准确、可靠，与传统的示功仪相比，网络接入能力增强、无线传输更加可靠。（4）本发明选用双轴加速度传感器和应变式压力传感器实现对位移的计算，开创了示功图显示的新方法。
在长庆油田白豹镇第二采油厂进行了部署和运行，共计在采油厂的游梁式抽油机上部署7台一体化示功仪，示功仪和网关节点的距离约500米左右。经测量，一体化示功仪在通视条件下与网关的通信距离可达1200米，示功仪每2秒钟向网关发送一次数据，利用Sniffer分析仪进行持续抓包监测，连续30天仅监测到17帧错误数据，几乎做到了100%的可靠传输。对于供电性能的验证，节点连续运行7天，没有出现断电失效现象。一体化示功仪位移量程为0-4米，载荷量程为0-150千牛。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，冲程从1米到4米，冲次从3冲到8冲不等。试验方法为，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。针对3号井所做的5次试验结果，示功仪位移测量的最大误差0.09米，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20千牛-70千牛。

Claims (7)

1.一种基于物联网的石油生产示功仪，包括设置于抽油杆（14）上的传感器单元（4）、用于提供电能的电源，其特征在于：还包括与传感器单元相连接的用于实现控制和无线通讯作用的中央单元（7），该中央单元（7）连接有产生时钟脉冲的时钟单元（5）、进行数据存储的存储器（6）以及用于电源管理的电源管理单元（8）；所述中央单元为实现以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段通信的中央控制单元和无线通信单元。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的石油生产示功仪，其特征在于：所述传感器单元（4）包括加速度信号传感器和载荷信号传感器。
3.根据权利要求1或2所述的基于物联网的石油生产示功仪，其特征在于：所述电源包括光伏太阳能板和蓄电池组。
4.根据权利要求1或2所述的基于物联网的石油生产示功仪，其特征在于：包括与中央单元（7）实现无线通信的多协议网关以及提供服务和管理的服务器（3）。
5.根据权利要求1或2所述的基于物联网的石油生产示功仪，其特征在于：所述无线通信单元采用CC2591射频前端功率放大芯片。
6.根据权利要求1或2所述的基于物联网的石油生产示功仪，其特征在于：所述电源管理单元（8）包括稳压模块以及由MC3063芯片构成的充放电控制器。
7.根据权利要求1或2所述的基于物联网的石油生产示功仪，其特征在于：所述中央控制单元采用CC2530ZigBee芯片。
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