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
技術領域：
本實用新型涉及一種基于物聯(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：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類社會對能源的要求不斷提高。石油在世界能源結構中具有舉足輕重的地位，已成為國家的經(jīng)濟動脈。油田多分布在沼澤、沙漠、盆地和淺海等野外偏遠區(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，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，油井數(shù)量近20萬口，但配有數(shù)據(jù)采集及遠程自動控制系統(tǒng)的油井數(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，不僅布線困難，而且造價昂貴。物聯(lián)網(wǎng)技術作為繼互聯(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，除強化制度建設外，基于物聯(lián)網(wǎng)技術提升改造傳統(tǒng)油田企業(yè)的技術水平，是加快石油工業(yè)發(fā)展的有效途徑之一?；跅U式抽油機抽油是當前石油生產(chǎn)的主要工藝形式。示功圖是分析井下抽油泵運行狀況、計算原油開采量及進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)絡監(jiān)測手段，自動化程度相對較低?，F(xiàn)有設備存諸多缺陷，依賴于抽油井自動化監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展變化，電子示功儀的演進也經(jīng)歷了傳統(tǒng)示功儀、便攜式示功儀和新一代網(wǎng)絡化示功儀三個階段。傳統(tǒng)示功儀多采用拉線式和角位移傳感器測量實現(xiàn)，儀器笨重，斷頭率高；便攜式示功儀的無繩化設計便于攜帶，但要求定期充電且網(wǎng)絡接入方式單一；隨著新能源技術、物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)領域應用的不斷深入，研究新一代示功儀，構建面向抽油井工礦數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已成為當前油田信息化領域研究的熱點問題。
發(fā)明內容本實用新型為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種布線方便、通訊費低且可自組網(wǎng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀。本實用新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，包括設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)生時鐘脈沖的時鐘單元、進行數(shù)據(jù)存儲的存儲器以及用于電源管理的電源管理單元；所述中央單元為實現(xiàn)以ZigBee為基礎的
2.4GHz ISM波段通信的中央控制單元和無線通信單元。傳感器單元設置于抽油桿上，用于對抽油機的參數(shù)進行采集，以便給出抽油機的做功數(shù)值；電源用于給整個示功儀提供電能。中央單元實現(xiàn)對傳感器單元采集數(shù)據(jù)的運算、處理和存儲，并能實現(xiàn)無線通信和無線組網(wǎng)，以便將采集的數(shù)據(jù)實時進行上傳。時鐘單元用于提供中央單元能夠正常工作的始終脈沖，存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，電源管理單元用于對電源進行智能管理，以便提供穩(wěn)定的電壓。采用2. 4GHz微波波段進行通信，無需運營費用。本實用新型的基于物聯(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傳感器和載荷信號傳感器。采用抽油機在工作過程中的加速度和載荷信號來反映其做工狀況，更加符合實際，能得出更精確的數(shù)據(jù)。本實用新型的基于物聯(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化為電能，既可給示功儀提供電能，也可將電能存儲在蓄電池組中，以便保證整個示功儀長期穩(wěn)定運行。本實用新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀，包括與中央單元實現(xiàn)無線通信的多協(xié)議網(wǎng)關以及提供服務和管理的服務器。多協(xié)議網(wǎng)關實現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)通信到骨干網(wǎng)絡通信 的轉換，以便將信息上傳至服務器。本實用新型的基于物聯(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。本實用新型的基于物聯(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芯片構成的充放電控制器。本實用新型的基于物聯(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。本實用新型的有益效果是本實用新型通過設置采集油田抽油機工作參數(shù)的傳感器單元以及可進行自組織網(wǎng)絡和無線通信的中央單元，方便地將抽油機的做功參數(shù)進行無線發(fā)送，方便了信息的采集、運算和分析，為石油的開采提供了寶貴準確的參考信息。通過在傳感器單元中設置加速度信號傳感器和載荷信號傳感器，通過加速度和載荷兩個量來反應抽油機的工作狀況，使實測示功圖的誤差更小，與抽油井的真實工礦更加相符。通過采用光伏太陽能板作提供電能，保證了整個示功儀的長期穩(wěn)定運行。本實用新型還具有如下優(yōu)點(I)由于基于ZigBee無線網(wǎng)絡通信，不需要鋪設電纜，可直接實現(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行供電，解決了充電維護費用高的問題；(3)采用無線自組織組網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_、可靠，網(wǎng)絡接入能力增強、無線傳輸更可靠；(4)采用雙軸加速度傳感器和應變式壓力傳感器實現(xiàn)對位移的計算，開創(chuàng)了示功圖顯示的新方法。

圖I為本實用新型的示功儀的工作原理圖；圖2為本實用新型的示功儀的電路原理圖；圖3為本實用新型的示功儀應用在梁式抽油機上的原理圖。圖中I示功儀，2多協(xié)議網(wǎng)關，3服務器，4傳感器單元，5時鐘單元，6存儲器，7中央單元，8電源管理單元，9電機，10四連桿機構，11游梁，12支架，13驢頭，14抽油桿。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。如圖I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I、多協(xié)議網(wǎng)關2、服務器3、傳感器單元4、時鐘單元5、存儲器6、中央單元7、電源管理單元8 ;所示的示功儀I設置在抽油機上，用于采集抽油機的工作參數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過多協(xié)議網(wǎng)關2上傳至服務器3，服務器3根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對相應抽油機的工作狀況進行分析，以便得出抽油機的示功圖。由電源、傳感器單元4、時鐘單元5、存儲器6、中央單元7以及電源管理單元組成了示功儀I。電源用于給整個示功儀I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，還可避免布設電源線；電源管理單元8由穩(wěn)壓模塊以及由MC3063芯片構成的充放電控制器，以便給示功儀I提供穩(wěn)定的電壓。為了準確反應抽油機的做功狀況，傳感器單元4中設置有加速度信號傳感器和載荷信號傳感器，通過加速度信號和載荷信號來實現(xiàn)對位移的計算，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的采集運算和存儲，無線通信單元實現(xiàn)無線信號的接收和發(fā)送；中央控制單元可采用CC2530ZigBee芯片，以方便地實現(xiàn)以ZigBee為基礎的2. 4GHz ISM波段信號的發(fā)送和接收。時鐘單元5、存儲器6和電源管理單元8均與中央單元相連接，時鐘單元5用于產(chǎn)生時鐘信號，存儲器6實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲。如圖3所示，給出了示功儀應用在梁式抽油機上的原理圖，所示的抽油機包括電機9、四連桿機構10、游梁11、支架12、驢頭13、抽油桿14 ;電機9 通過四連桿機構10帶動游梁11運動，游梁11驅動與驢頭13相連接的抽油桿14做上下運動，示功儀I上的加速度信號傳感器和載荷信號傳感器均設置在抽油桿14上，以便采集抽油桿14運動時的參數(shù)。其中，傳感器單元中設置有信號放大電路和濾波電路，以便實現(xiàn)信號的放大和濾波處理。由于點對點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)，本實用新型的基于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，實現(xiàn)了中央控制和無線通信單元的硬件設計。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換效率較高的單晶硅組件。充放電控制器實現(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。加速度信號傳感器可選用ADXL203型雙軸加速度傳感器實現(xiàn)對抽油桿運動加速度的測量；載荷信號傳感器可選用應變式壓力傳感器對載荷進行測量，該傳感器內部由電阻應變片橋電路組成，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。電壓信號經(jīng)調節(jié)后被送入CC2530的AD引腳進行測量。與現(xiàn)有的示功儀相比，本實用新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的石油生產(chǎn)示功儀具有如下優(yōu)點(1)由于本實用新型采用基于ZigBee網(wǎng)絡的無線通信方式，現(xiàn)場不需要鋪設大量的電纜，該實用新型可直接實現(xiàn)示功圖原始數(shù)據(jù)的采集。(2)針對當前抽油井示功儀普遍存在的充電維護費用高，本實用新型利用太陽能技術實現(xiàn)了新一代一體化示功儀。(3)本實用新型具有無線自組網(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)臏蚀_、可靠，與傳統(tǒng)的示功儀相比，網(wǎng)絡接入能力增強、無線傳輸更加可靠。(4)本實用新型選用雙軸加速度傳感器和應變式壓力傳感器實現(xiàn)對位移的計算，開創(chuàng)了示功圖顯示的新方法。在長慶油田白豹鎮(zhèn)第二采油廠進行了部署和運行，共計在采油廠的游梁式抽油機上部署7臺一體化示功儀，示功儀和網(wǎng)關節(jié)點的距離約500米左右。經(jīng)測量，一體化示功儀在通視條件下與網(wǎng)關的通信距離可達1200米，示功儀每2秒鐘向網(wǎng)關發(fā)送一次數(shù)據(jù)，利用Sniffer分析儀進行持續(xù)抓包監(jiān)測，連續(xù)30天僅監(jiān)測到17幀錯誤數(shù)據(jù)，幾乎做到了 100%的可靠傳輸。對于供電性能的驗證，節(jié)點連續(xù)運行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。為驗證示功儀的位移測量精度，分別在7口抽油井進行了多種井況下的試驗，沖程從I米到4米，沖次從3沖到8沖不等。試驗方法 為，首先由示功儀測得加速度水平分量和垂直分量，在服務器端計算出抽油桿的沖程；然后利用米尺測出真實位移，二者進行比較。針對3號井所做的5次試驗結果，示功儀位移測量的最大誤差O. 09米，符合采油現(xiàn)場的需求，實測示功圖與抽油井的真實工礦相符，載荷實測數(shù)據(jù)變化范圍為20千牛-70千牛。
權利要求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)生時鐘脈沖的時鐘單元(5)、進行數(shù)據(jù)存儲的存儲器(6)以及用于電源管理的電源管理單元(8);所述中央單元為實現(xiàn)以ZigBee為基礎的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)權利要求I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)包括加速度信號傳感器和載荷信號傳感器。
3.根據(jù)權利要求I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)權利要求I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)實現(xiàn)無線通信的多協(xié)議網(wǎng)關以及提供服務和管理的服務器(3)。
5.根據(jù)權利要求I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)權利要求I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芯片構成的充放電控制器。
7.根據(jù)權利要求I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。
專利摘要本實用新型的基于物聯(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)生時鐘脈沖的時鐘單元、進行數(shù)據(jù)存儲的存儲器以及用于電源管理的電源管理單元；所述中央單元為實現(xiàn)以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段通信的中央控制單元和無線通信單元。本實用新型通方便了信息的采集、運算和分析，為石油的開采提供了寶貴準確的信息。通過加速度和載荷兩個量來反應抽油機的工作狀況，與抽油井的真實工礦更加相符。通過采用光伏太陽能板作提供電能，保證了整個示功儀的長期穩(wěn)定運行。還具有不需要鋪設電纜、自組織組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、網(wǎng)絡接入能力增強的優(yōu)點。
文檔編號G05B19/418GK202512421SQ20122003061
公開日2012年10月31日 申請日期2012年1月31日 優(yōu)先權日2012年1月31日
發(fā)明者李貽斌, 裴忠民 申請人:裴忠民