CN104898580A - 一种具有三相电采集的无线抽油机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，包括处理器模块以及与其连接的I/O输入输出模块、三相电采集模块、本地通信模块、液晶显示模块、电源管理模块、数据远传接口模块和WIA无线通信模块。本发明可支持有线及无线通讯，实现了油田现场的全自动化，不但实现了抽油机运转情况的实时监控，为及时处理故障提供条件，还解放了大量人力，有利于优化人力资源配置，简化了现场设备的布线和设置。

Description

一种具有三相电采集的无线抽油机控制器

技术领域

本发明涉及一种应用于油田现场井口的WIA-PA无线网络通信的抽油机RTU（REMOTE TERMINAL UNIT）控制器。

背景技术

维持原油的高产是各采油厂的首要工作目标，要想维持高产就得在开发新油井的同时，确保每口井时刻都保持在最佳工作状态，所以各采油厂把抽油机的监控做为日常一项重要工作，定期巡视抽油机，监控抽油机工作状态，如有异常或停机损坏，就要调试维修。

目前油田所用的游梁式抽油机，它的控制电路，只有简单的用空气开关或交流接触器控制，对电路的电气参数不能做到实时了解与监控，当电机发生过流、过压等情况不能及时作出相应的技术处理，严重时将会烧毁电机，造成停井的事故。

石油生产中油井一般都是不规则的分布在相对分散的区域内，而且油井间的路况也是很复杂，有些路只是勉强能通过的便道，目前油田一般采用人工巡视，巡视一圈对班组来说也不是一件容易事，特别是雨雪天难度更大，巡视员在一个巡视周期内一口油井只能到达一次，两次间隔一定的时间，这就造成了油井出现异常或故障而班组还不知道，一定要等到下次巡视员到达才能发现，不但影响了产量，还会由于处理不及时故障范围扩大。虽然现在的抽油机数据采集形式多种多样，但大多是依靠巡检工人携带各种模拟、数字表巡检，现场安装测试仪表并测试各种数据。而且老式仪表的精度也已经远远不能满足现在的测试要求。所以这种人工巡视弊端就凸现出来了，需要进一步的技术创新来解放人力，实现自动化控制。

随着自动化、通讯、计算机网络技术的提高，油田生产管理领域出现了在油田自动化检测、管理网络中起着重要作用的抽油机RTU控制器。主要负责抽油井和抽油机的控制。无线技术在油田井口的应用具有广阔的前景。

智能无线网络WIA技术是基于短程无线通信IEEE802.15.4的标准，是用于工业测控的无线网络***，使用自由频带，具有高可靠、超低功耗、很强的抗干扰能力、实时通信的自组织多跳无线传感器网络技术，适合部署在恶劣环境和人不宜到达的区域。WIA解决恶劣环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰，提供能够满足应用需求的高可靠、实时无线通信服务。目前，WIA-PA已经成为与无线Wireless HART被同时承认的两个国际标准文件之一。智能无线网络WIA技术特别适用于工业控制与工厂过程控制领域。WIA无线通信要求使用无线技术与现场设备通信，无线技术简化了现场设备的布线和设置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够自动采集油井内三相电参数的基于WIA-PA无线抽油机RTU控制器。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，包括处理器模块以及与其连接的I/O输入输出模块、三相电采集模块、本地通信模块、液晶显示模块、电源管理模块、数据远传接口模块和WIA无线通信模块。

所述三相电采集模块采用电阻、电流互感器、功率计量IC和信号隔离芯片；三相交流电的每相串联多个电阻后、通过滤波器与功率计量IC的电压输入通道连接，每相还通过压敏电阻接地；三个电流互感器分别穿过三相交流电线，每个电流互感器的正负输出端之间连有一个电阻与串联的两个电阻的并联电路，并联电路的两端之间连有限幅电路，限幅电路的两端通过滤波电路与功率计量IC的电流输入通道连接；功率计量IC的输出端经信号隔离芯片与处理器模块连接。

所述滤波器的输入端与地之间连有电阻、两个串联的电容和一个电容的并联电路；电容的两端分别与功率计量IC的电压输入通道连接；电阻接地的一端与两个串联的电容接地的一端之间还连有另一电阻，两个串联的电容之间的结点接地。

所述限幅电路为两个串联的双向瞬态电压抑制器，两个双向瞬态电压抑制器之间的结点接地。

所述滤波电路包括电阻和电容；滤波电路的两个输入端分别通过电阻与功率计量IC的输入端连接，功率计量IC的两个输入端之间连有串联的两个电容和一个电容的并联电路；串联的两个电容之间的结点接地。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可同时支持有线及无线通讯，实现了油田现场的全自动化，不但实现了抽油机运转情况的实时监控，为及时处理故障提供条件，还解放了大量人力，有利于优化人力资源配置。无线技术简化了现场设备的布线和设置，优化了现场布线及安装。

2.本发明的三相电采集模块采用隔离技术，与RTU其他部分实现了隔离，保证了RTU本身的安全性。

3.本发明实现了RTU与电量采集一体化设计，RTU控制器是井口抽油机数据采集、处理、控制设备，对各种输入量的数据进行数据采集、处理和存储并进行转发。

附图说明

图1为本发明的油田油井WIA测控***的架构图；

其中，10、11、12仪表，13、14、15WIA无线RTU控制器，16WIA网关，17中控室；

图2为基于WIA-PA的无线抽油机控制器结构组成框图；

其中，20外壳，21I/O输入输出模块，22三相电采集模块，23本地通信模块，24处理器模块，25液晶显示模块,26电源管理模块,27数据远传接口模块,28WIA-PA无线通信模块,29天线转接线,30天线;

图3为三相电采集模块功能结构框图；

其中，31三相交流电，32电压互感器或者分压电阻，33电流互感器，34信号调理电路,35功率计量IC,36信号隔离芯片，37MCU，38电源隔离模块；

图4为三相电采集模块中单相电压电路示意图；

图5为三相电采集模块中电流前端电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

基于WIA-PA无线抽油机RTU控制器在油田油井WIA测控***中的架构如图1所示。油田井口安装的仪表（10、11、12）包括WIA无线示功仪，WIA无线温度表、WIA无线压力表和WIA无线流量表等仪表，这些仪表将采集到的信息通过WIA无线网络传送到井口的WIA无线抽油机控制器（RTU）中（13、14、15），抽油机RTU控制器将本身采集的三相电参数及仪表的采集信息进行存储、管理并转发到WIA网关16，在由WIA网关16将数据通过以太网上传到中心控制室17。WIA网关16接收到中心控制室17的指令，再通过通讯下达到井口抽油机RTU控制器，进行控制现场抽油机的启停。

基于WIA-PA的无线抽油机RTU控制器基于ARM平台开发，采用32位处理器，并集成电量采集功能，可实现工业现场的数据信息采集及现场设备的远程控制、故障报警等功能，具有可靠性高、处理速度快、通信稳定、维护成本低等特点。

基于WIA-PA的无线抽油机控制器结构组成框图如图2所示，主要包括外壳20及设置于外壳20内的电子器件组成，主要包括I/O输入输出模块21、三相电采集模块22、本地通信模块23、处理器模块24、液晶显示25、电源管理模块26、数据远传接口模块27和WIA-PA无线通信模块28。

I/O输入输出模块21主要包括8路（AI）模拟量输入接口，4路（DI）数字量输入接口，4路（DO）数字量输出接口。

模拟量输入接口支持4-20mA信号输入，用于连接现场有线仪表，输入信号与CPU之间使用隔离芯片进行信号隔离。

数字量输入接口用于采集现场状态信息信号，支持12V/24V输入。

数字量输出接口用于指示灯状态指示及现场控制，现场控制采用继电器输出。每一路输出支持一个常开触点和一个常闭触点，用于控制电机的启停及语音报警开关等。

三相电采集模块22负责采集抽油机的相电流、相电压、有功功率、无功功率、视在功率，功率因素，频率等电参数，互感器将电机的大电流和大电压转变为小电流与小电压，信号调理电路将互感器输出的信号转变为处理器可以接受匹配的信号形式，功率计量IC对输入的电压和电流信号分析处理，计算出相应的结果电参量。

本地通信模块23支持1个RS232、1个RS485、1个10M/100M以太网接口，以上接口均支持升级RTU程序，本地显示，以及本地配置维护RTU。

处理器模块24包括处理器（MCU）和存储器，负责控制整个现场设备的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他现场设备发来的数据。

液晶显示模块25将所测信号变为一种能为人们所理解的形式，包括数据显示、曲线、图表等，以供人们现场观测和分析。

电源管理模块26为抽油机RTU控制器提供运行所需的能量。电源管理模块使现场设备具有电源状态实时监测/故障报警功能，便于及时维护。电源管理模块的供电通常为24V供电，通过内部电源转换芯片为每个模块提供各自需要的供电电压。内用各单元之间采用隔离电源形式，防止各个单元之间的相互干扰。

数据远传接口模块27包括支持WIA-PA无线网络选带模块，为后续扩展设计的支持GPRS的GPRS远传接口模块，支持WIFI的远传接口模块。

WIA无线通信模块28负责与井口其他仪表、其他井口抽油机RTU控制器、WIA网关进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。处理器模块24和WIA无线通信模块28通过串口进行双向通信。WIA无线通信模块包含射频通信电路，部分天线迹线包括在印制电路板上，射频信号通过PCB天线座、同轴电缆天线转接线29和天线30将射频信号进行传输。

本发明将电量采集功能与RTU实现了一体化设计，电量及与RTU一体化设计关联架构如图3所示。

31为检测的三相交流电，油田上即为抽油机的供电线路，三相电采集模块采集三相交流电电压，电流信号，电压经过分压电阻或者电压互感器32，电流经过高精度电流互感器33，把大信号转换为小信号，然后通过信号调理电路34进行信号的调理，功率计量IC35实时采样处理调理后的信号，得出单相相电压，相电流有效值，视在功率，有功功率，无功功率，功率因数，线频率等信息，MCU通过SPI总线读取计量IC转换后的数据。本实施例中功率计量IC采用cirrus logic单相功率IC芯片，利用三片分别用于交流电的A、B、C相、组合成三相功率采集，隔离芯片采用光耦和数字隔离器，信号调理电路包括电阻、滤波器、限幅电路和滤波电路。

图4、5为三相电采集模块中的单相电压和电流前端电路示意图，UA为三相电的A相，RV5为压敏电阻，形成电力线上的浪涌保护，达到防雷击的目的。R115,R153，R154,R155,R103为分压电阻，通过分压使VIN+与VIN-的输入信号限伏在功率计量IC要求的最大输入电压以下，这里不限于5个电阻，可以采用多个电阻，增加***的稳定性。同时，R103，R104，C60,C61，C66形成滤波器，对信号进行滤波。

如图5所示，U23为电流互感器，将大电流变换为小电流，R118将电流变换为电压，通过选择电阻值，将IINA+与IINA-的电压限伏在功率计量IC要求的最大输入电压以下。同时R119与R120使信号变换为差分信号，双向瞬态电压抑制器D27,D28组成电压限幅电路，将大电压限幅在芯片可接受的最大电压以下。R121与R122为限流电阻，同时，R121,R122,C69,C70,C71组成滤波电路，对信号进行滤波。

本发明设计为三相交流电参数测量，通过三片单相功率计量IC芯片组合为三相电的测量，对三相电分别进行计量，通过合相相加，计算出三相合相电参数。具有三相三线制与三相四线制自适应识别功能，无状态指示，可直接从接线方式判断，三线制不连接N线，四线制连接N线。具有电流图采集，功率图采集，三相电不平衡告警，三相电缺相告警等电量采集功能。

电流转换通过电流互感器来实现，电压转换可以通过电压互感器，也可以通过大电阻分压。电流互感器的精度会影响计量的精确性，因此，电流互感器选择高精度电流互感器，使用电压互感器会影响电压的相角，本设计采用电阻分压的方法，在变换为小信号的电阻必须选择高精度、功率大、温度稳定性好的电阻，并且多个电阻串联，来保证测量转换信号的精度。整个单元引入电力***的强电，考虑到动力线及负载的电源波动及***安全，采用压敏电阻来防护因为电力供应***的瞬时电压突变所可能对电路的伤害，当高压到来时，压敏电阻的电阻降低而将电流予以分流，防止受到大的瞬时电压破坏和干扰，而且保护了敏感的电子组件。***也采用TVS保护电流输入端口进行过电压保护。

三相电采集模块部分供电电源通过电源隔离模块38与其他电源（电源管理模块26）隔离开来，用于给功率计量IC、信号隔离芯片供电，本实施例采用电源隔离芯片。串行接口采用高速(25M)隔离器件隔离。其他I/O接口采用普通光耦隔离，将引入的强电与RTU其他部分完全隔离开来，完全保护了RTU单板的安全性。

RTU支持远程启停井控制功能，工作流程为：RTU通过三相电电压，电流检测抽油机运行状态，若当前状态为运行，则启井命令不执行；启井，RTU接收中控室启井命令后，通过DO0数字量输出至语音报警器，语音报警器发出1min语音告警，之后通过DO1开启抽油机；停井，RTU接收中控室停井命令后，通过DO2关闭抽油机。

控制功能实现依托于数字量输入输出端口及三相电采集单元设计，硬件设计上端口输入通过专用光电隔离芯片实现2500V隔离防护，且采用CPU中断输入以提升响应时间；输出端口同样通过光电隔离芯片实现隔离防护，输出端口形式为继电器输出。

启井操作时，RTU接收启井命令后，检测当前抽油机运行状态，若当前状态为运行，则不执行启井命令，上报当前状态为启井信息；若当前状态为停机，则上报1分钟后启井信息。执行完成后检测当前状态是否已启动，启动则上报启井完成信息，未启动则上报启井故障信息。

停井操作时，RTU接收停井命令后，执行停井命令。检测当前状态是否已停机，停机上报停井完成信息，未停机则上报停井故障信息。

Claims (5)

1.一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，其特征在于：包括处理器模块（24）以及与其连接的I/O输入输出模块（21）、三相电采集模块（22）、本地通信模块（23）、液晶显示模块（25）、电源管理模块（26）、数据远传接口模块（27）和WIA无线通信模块（28）。

2.根据权利要求1所述的一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，其特征在于：所述三相电采集模块（22）采用电阻、电流互感器（33）、功率计量IC（35）和信号隔离芯片（36）；三相交流电的每相串联多个电阻后、通过滤波器与功率计量IC（35）的电压输入通道连接，每相还通过压敏电阻接地；三个电流互感器（33）分别穿过三相交流电线，每个电流互感器（33）的正负输出端之间连有一个电阻（R118）与串联的两个电阻（R119、R120）的并联电路，并联电路的两端之间连有限幅电路，限幅电路的两端通过滤波电路与功率计量IC（35）的电流输入通道连接；功率计量IC（35）的输出端经信号隔离芯片（36）与处理器模块（24）连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，其特征在于：所述滤波器的输入端与地之间连有电阻（R103）、两个串联的电容（C60、C61）和一个电容（C66）的并联电路；电容（C66）的两端分别与功率计量IC（35）的电压输入通道连接；电阻（R103）接地的一端与两个串联的电容（C60、C61）接地的一端之间还连有另一电阻（R104），两个串联的电容（C60、C61）之间的结点接地。

4.根据权利要求2所述的一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，其特征在于：所述限幅电路为两个串联的双向瞬态电压抑制器，两个双向瞬态电压抑制器之间的结点接地。

5.根据权利要求2所述的一种具有三相电采集的无线抽油机控制器，其特征在于：所述滤波电路包括电阻和电容；滤波电路的两个输入端分别通过电阻与功率计量IC（35）的输入端连接，功率计量IC（35）的两个输入端之间连有串联的两个电容（C69、C70）和一个电容(C71)的并联电路；串联的两个电容（C69、C70）之间的结点接地。