專利名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，更具體的說，尤其涉及一種布線方便、通訊費(fèi)低且可自組網(wǎng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類社會(huì)對能源的要求不斷提高。石油在世界能源結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的地位，已成為國家的經(jīng)濟(jì)動(dòng)脈。油田多分布在沼澤、沙漠、盆地和淺海等野外偏遠(yuǎn)區(qū)域，作業(yè)環(huán)境相對惡劣，信息化水平的提升相對困難。與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國石油工業(yè)的生產(chǎn)水平、信息化水平相對落后。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國的油井主要分布在大慶，長慶，勝利，遼河，大港，塔里木，克拉瑪依，吉林，青海等各大油田，油井?dāng)?shù)量近20萬口，但配有數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的油井?dāng)?shù)量還不到10%，且目前安裝的油水井監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線網(wǎng)絡(luò)，不僅布線困難，而且造價(jià)昂貴。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為繼互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的又一重大里程碑，已引起世界各國的高度重視。因此，除強(qiáng)化制度建設(shè)外，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升改造傳統(tǒng)油田企業(yè)的技術(shù)水平，是加快石油工業(yè)發(fā)展的有效途徑之一?；跅U式抽油機(jī)抽油是當(dāng)前石油生產(chǎn)的主要工藝形式。示功圖是分析井下抽油泵運(yùn)行狀況、計(jì)算原油開采量及進(jìn)行故障診斷的重要依據(jù)。電子示功儀是采集抽油井工礦數(shù)據(jù)、獲取抽油井示功圖的主要儀器。當(dāng)前我國大部分油田對示功圖的采集還依賴于人工巡檢和有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測手段，自動(dòng)化程度相對較低?，F(xiàn)有設(shè)備存諸多缺陷，依賴于抽油井自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展變化，電子示功儀的演進(jìn)也經(jīng)歷了傳統(tǒng)示功儀、便攜式示功儀和新一代網(wǎng)絡(luò)化示功儀三個(gè)階段。傳統(tǒng)示功儀多采用拉線式和角位移傳感器測量實(shí)現(xiàn)，儀器笨重，斷頭率高；便攜式示功儀的無繩化設(shè)計(jì)便于攜帶，但要求定期充電且網(wǎng)絡(luò)接入方式單一；隨著新能源技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，研究新一代示功儀，構(gòu)建面向抽油井工礦數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已成為當(dāng)前油田信息化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點(diǎn)，提供了一種布線方便、通訊費(fèi)低且可自組網(wǎng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，包括設(shè)置于抽油桿上的傳感器單元、用于提供電能的電源，其特別之處在于還包括與傳感器單元相連接的用于實(shí)現(xiàn)控制和無線通訊作用的中央單元，該中央單元連接有產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的時(shí)鐘單元、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器以及用于電源管理的電源管理單元；所述中央單元為實(shí)現(xiàn)以ZigBee為基礎(chǔ)的2. 4GHz ISM波段通信的中央控制單元和無線通信單元。傳感器單元設(shè)置于抽油桿上，用于對抽油機(jī)的參數(shù)進(jìn)行采集，以便給出抽油機(jī)的做功數(shù)值；電源用于給整個(gè)示功儀提供電能。中央單元實(shí)現(xiàn)對傳感器單元采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理和存儲(chǔ)，并能實(shí)現(xiàn)無線通信和無線組網(wǎng)，以便將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行上傳。時(shí)鐘單元用于提供中央單元能夠正常工作的始終脈沖，存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，電源管理單元用于對電源進(jìn)行智能管理，以便提供穩(wěn)定的電壓。采用2. 4GHz 微波波段進(jìn)行通信，無需運(yùn)營費(fèi)用。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，所述傳感器單元包括加速度信號(hào)傳感器和載荷信號(hào)傳感器。采用抽油機(jī)在工作過程中的加速度和載荷信號(hào)來反映其做工狀況，更加符合實(shí)際，能得出更精確的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，所述電源包括光伏太陽能板和蓄電池組。光伏太陽能板用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，既可給示功儀提供電能，也可將電能存儲(chǔ)在蓄電池組中，以便保證整個(gè)示功儀長期穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，包括與中央單元實(shí)現(xiàn)無線通信的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)以及提供服務(wù)和管理的服務(wù)器。多協(xié)議網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)通信到骨干網(wǎng)絡(luò)通信的轉(zhuǎn)換，以便將信息上傳至服務(wù)器。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，所述無線通信單元采用CC2591射頻前端功率放大芯片。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，所述電源管理單元包括穩(wěn)壓模塊以及由 MC3063芯片構(gòu)成的充放電控制器。本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，所述中央控制單元采用CC2530ZigBee芯片。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過設(shè)置采集油田抽油機(jī)工作參數(shù)的傳感器單元以及可進(jìn)行自組織網(wǎng)絡(luò)和無線通信的中央單元，方便地將抽油機(jī)的做功參數(shù)進(jìn)行無線發(fā)送， 方便了信息的采集、運(yùn)算和分析，為石油的開采提供了寶貴準(zhǔn)確的參考信息。通過在傳感器單元中設(shè)置加速度信號(hào)傳感器和載荷信號(hào)傳感器，通過加速度和載荷兩個(gè)量來反應(yīng)抽油機(jī)的工作狀況，使實(shí)測示功圖的誤差更小，與抽油井的真實(shí)工礦更加相符。通過采用光伏太陽能板作提供電能，保證了整個(gè)示功儀的長期穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明還具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)由于基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信，不需要鋪設(shè)電纜，可直接實(shí)現(xiàn)示功圖原始數(shù)據(jù)的采集；(2)由于采用了太陽能電池板進(jìn)行供電，解決了充電維護(hù)費(fèi)用高的問題；(3 )采用無線自組織組網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、可靠，網(wǎng)絡(luò)接入能力增強(qiáng)、無線傳輸更可靠；(4)采用雙軸加速度傳感器和應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對位移的計(jì)算，開創(chuàng)了示功圖顯示的新方法。


圖1為本發(fā)明的示功儀的工作原理圖； 圖2為本發(fā)明的示功儀的電路原理圖3為本發(fā)明的示功儀應(yīng)用在梁式抽油機(jī)上的原理圖。圖中1示功儀，2多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，3服務(wù)器，4傳感器單元，5時(shí)鐘單元，6存儲(chǔ)器，7中央單元，8電源管理單元，9電機(jī)，10四連桿機(jī)構(gòu)，11游梁，12支架，13驢頭，14抽油桿。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1和圖2所示，分別給出了示功儀的工作原理圖以及示功儀的電路原理圖，包括示功儀1、多協(xié)議網(wǎng)關(guān)2、服務(wù)器3、傳感器單元4、時(shí)鐘單元5、存儲(chǔ)器6、中央單元7、電源管理單元8 ；所示的示功儀1設(shè)置在抽油機(jī)上，用于采集抽油機(jī)的工作參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過多協(xié)議網(wǎng)關(guān)2上傳至服務(wù)器3，服務(wù)器3根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對相應(yīng)抽油機(jī)的工作狀況進(jìn)行分析，以便得出抽油機(jī)的示功圖。由電源、傳感器單元4、時(shí)鐘單元5、存儲(chǔ)器6、中央單元 7以及電源管理單元組成了示功儀1。電源用于給整個(gè)示功儀1提供電能，電源采用光伏太陽能板和蓄電池組相組合的形式，既能保證示功儀能有效穩(wěn)定的長期工作，還可避免布設(shè)電源線；電源管理單元8由穩(wěn)壓模塊以及由MC3063芯片構(gòu)成的充放電控制器，以便給示功儀1提供穩(wěn)定的電壓。為了準(zhǔn)確反應(yīng)抽油機(jī)的做功狀況，傳感器單元4中設(shè)置有加速度信號(hào)傳感器和載荷信號(hào)傳感器，通過加速度信號(hào)和載荷信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對位移的計(jì)算，開創(chuàng)了示功圖顯示的新方法。中央單元7由中央控制單元和無線通信單元組成，中央控制單元用于傳感器信號(hào)的采集運(yùn)算和存儲(chǔ)，無線通信單元實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的接收和發(fā)送；中央控制單元可采用 CC2530ZigBee芯片，以方便地實(shí)現(xiàn)以ZigBee為基礎(chǔ)的2. 4GHz ISM波段信號(hào)的發(fā)送和接收。 時(shí)鐘單元5、存儲(chǔ)器6和電源管理單元8均與中央單元相連接，時(shí)鐘單元5用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，存儲(chǔ)器6實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。如圖3所示，給出了示功儀應(yīng)用在梁式抽油機(jī)上的原理圖，所示的抽油機(jī)包括電機(jī)9、四連桿機(jī)構(gòu)10、游梁11、支架12、驢頭13、抽油桿14 ；電機(jī)9 通過四連桿機(jī)構(gòu)10帶動(dòng)游梁11運(yùn)動(dòng)，游梁11驅(qū)動(dòng)與驢頭13相連接的抽油桿14做上下運(yùn)動(dòng)，示功儀1上的加速度信號(hào)傳感器和載荷信號(hào)傳感器均設(shè)置在抽油桿14上，以便采集抽油桿14運(yùn)動(dòng)時(shí)的參數(shù)。其中，傳感器單元中設(shè)置有信號(hào)放大電路和濾波電路，以便實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和濾波處理。由于點(diǎn)對點(diǎn)無線通信已無法滿足抽油井工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可靠傳輸要求，為構(gòu)建支持多徑傳輸和具有自愈能力的抽油井工礦監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，本發(fā)明的基于ZigBee自組網(wǎng)協(xié)議的示功儀有效地解決了這一問題，中央單元7選用TI公司CC2530核心芯片和CC2591射頻前端功率放大芯片，實(shí)現(xiàn)了中央控制和無線通信單元的硬件設(shè)計(jì)。蓄電池組可以采用磷酸鐵鋰電池，蓄電池組通過放電電路向外界提供電能，光伏太陽能板通過充電電路給蓄電池充電。電源管理單元8可光伏太陽能板、充放電控制器、蓄電池組和穩(wěn)壓模塊四部分組成，光伏太陽能板選用光電轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅組件。充放電控制器實(shí)現(xiàn)對蓄電池組充放電的控制，防止蓄電池組過充或過放，可用MC3063芯片實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)壓模塊可為CC2530提供穩(wěn)定的3. 3V工作電壓，以確保無線通信的穩(wěn)定，可選用帶有升壓和降壓功能的LTC3440穩(wěn)壓模塊來搭建穩(wěn)壓電路。加速度信號(hào)傳感器可選用ADXL203型雙軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對抽油桿運(yùn)動(dòng)加速度的測量；載荷信號(hào)傳感器可選用應(yīng)變式壓力傳感器對載荷進(jìn)行測量，該傳感器內(nèi)部由電阻應(yīng)變片橋電路組成，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變， 使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)后被送入 CC2530的AD引腳進(jìn)行測量。與現(xiàn)有的示功儀相比，本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀具有如下優(yōu)點(diǎn) (1)由于本發(fā)明采用基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線通信方式，現(xiàn)場不需要鋪設(shè)大量的電纜，該發(fā)明可直接實(shí)現(xiàn)示功圖原始數(shù)據(jù)的采集。(2)針對當(dāng)前抽油井示功儀普遍存在的充電維護(hù)費(fèi)用高，本發(fā)明利用太陽能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新一代一體化示功儀。(3)本發(fā)明具有無線自組網(wǎng)功能，數(shù)據(jù)傳輸中采用多層次握手，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、可靠，與傳統(tǒng)的示功儀相比，網(wǎng)絡(luò)接入能力增強(qiáng)、無線傳輸更加可靠。(4)本發(fā)明選用雙軸加速度傳感器和應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對位移的計(jì)算，開創(chuàng)了示功圖顯示的新方法。 在長慶油田白豹鎮(zhèn)第二采油廠進(jìn)行了部署和運(yùn)行，共計(jì)在采油廠的游梁式抽油機(jī)上部署7臺(tái)一體化示功儀，示功儀和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離約500米左右。經(jīng)測量，一體化示功儀在通視條件下與網(wǎng)關(guān)的通信距離可達(dá)1200米，示功儀每2秒鐘向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，利用 Sniffer分析儀進(jìn)行持續(xù)抓包監(jiān)測，連續(xù)30天僅監(jiān)測到17幀錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，幾乎做到了 100% 的可靠傳輸。對于供電性能的驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行7天，沒有出現(xiàn)斷電失效現(xiàn)象。一體化示功儀位移量程為0-4米，載荷量程為0-150千牛。為驗(yàn)證示功儀的位移測量精度，分別在7 口抽油井進(jìn)行了多種井況下的試驗(yàn)，沖程從1米到4米，沖次從3沖到8沖不等。試驗(yàn)方法為，首先由示功儀測得加速度水平分量和垂直分量，在服務(wù)器端計(jì)算出抽油桿的沖程；然后利用米尺測出真實(shí)位移，二者進(jìn)行比較。針對3號(hào)井所做的5次試驗(yàn)結(jié)果，示功儀位移測量的最大誤差0. 09米，符合采油現(xiàn)場的需求，實(shí)測示功圖與抽油井的真實(shí)工礦相符，載荷實(shí)測數(shù)據(jù)變化范圍為20千牛-70千牛。
權(quán)利要求
1.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，包括設(shè)置于抽油桿(14)上的傳感器單元(4)、 用于提供電能的電源，其特征在于還包括與傳感器單元相連接的用于實(shí)現(xiàn)控制和無線通訊作用的中央單元(7)，該中央單元(7)連接有產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的時(shí)鐘單元(5)、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器(6)以及用于電源管理的電源管理單元(8)；所述中央單元為實(shí)現(xiàn)以ZigBee為基礎(chǔ)的2. 4GHz ISM波段通信的中央控制單元和無線通信單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，其特征在于所述傳感器單元(4)包括加速度信號(hào)傳感器和載荷信號(hào)傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，其特征在于所述電源包括光伏太陽能板和蓄電池組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，其特征在于包括與中央單元(7)實(shí)現(xiàn)無線通信的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)以及提供服務(wù)和管理的服務(wù)器(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，其特征在于所述無線通信單元采用CC2591射頻前端功率放大芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，其特征在于所述電源管理單元(8)包括穩(wěn)壓模塊以及由MC3063芯片構(gòu)成的充放電控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，其特征在于所述中央控制單元采用CC2530ZigBee芯片。
全文摘要
本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，包括傳感器單元和電源，其特征在于包括與傳感器單元相連接的用于實(shí)現(xiàn)控制和無線通信作用的中央單元，該中央單元連接有產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的時(shí)鐘單元、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器以及用于電源管理的電源管理單元；所述中央單元為實(shí)現(xiàn)以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段通信的中央控制單元和無線通信單元。本發(fā)明通方便了信息的采集、運(yùn)算和分析，為石油的開采提供了寶貴準(zhǔn)確的信息。通過加速度和載荷兩個(gè)量來反應(yīng)抽油機(jī)的工作狀況，與抽油井的真實(shí)工礦更加相符。通過采用光伏太陽能板作提供電能，保證了整個(gè)示功儀的長期穩(wěn)定運(yùn)行。還具有不需要鋪設(shè)電纜、自組織組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、網(wǎng)絡(luò)接入能力增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102541026SQ20121002137
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者李貽斌, 裴忠民 申請人:裴忠民