摘 要：抽油機長(cháng)期運行可能會(huì )出現各處齒輪嚙合程度不好， 機械部件磨損較大， 造成大量能量消耗。保證抽油機系統高效運行是油田節能降耗的關(guān)鍵。研制一種以STM32處理器和三相電能計量芯片ATT7026為核心的抽油機系統效率分析系統， 實(shí)時(shí)監測抽油機系統運行狀態(tài)， 達到及早發(fā)現、及早處理、降低損耗等效果。本設計用高精度三相電能計量芯片ATT7026對抽油機電機三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無(wú)功功率、功率因數等參數進(jìn)行采集， 用無(wú)線(xiàn)DTU （Data Termanit Unit） 模塊將存儲在分析儀的數據發(fā)送到PC終端上。通過(guò)對抽油機電機運行參數的數據分析實(shí)現對抽油機系統效率的分析。實(shí)際測試表明， 系統具有高精度、良好的穩定性和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
　　
　　關(guān)鍵詞：抽油機； 效率分析； 電能計量； ATT7026; STM32;
　　 　　Abstract:  Long term operation of the pumping unit may result in poor gear meshing and large mechanical parts wear, resulting in a large amount of energy consumption.It is key to ensuring the efficient operation of the pumping unit system to save energy and reduce the consumption of the oil field.This paper develops an efficiency analysis of pumping unit system based on STM32 processor and three-phase power metering chip ATT7026.It can monitor the running state of pumping units in real time, and achieve early detection, early treatment and loss reduction.The design uses high-precision three-phase electric energy metering chip ATT7026 to collect the three phase voltage, three-phase current, three-phase active power, three-phase reactive power, power factor, and other parameters of the motor, The data stored in the analyzer is sent to PC terminal with the wireless DTU （Data Termanit Unit） module.Through the analysis of the data of pumping unit motor operation parameters for pumping unit system efficiency analysis, the actual test shows that the system has the characteristics of high precision, good stability and simple operation.
　　
　　Keyword:  pumping unit; efficiency analysis; electric energy metering; ATT7026; STM32;
　　
　　抽油機系統效率分析儀是在消化和吸收國內外同類(lèi)先進(jìn)產(chǎn)品的基礎上， 根據我國目前油田對抽油機的運行和監控要求而設計， 對抽油機整體系統效率分析提供原始數據支撐。抽油機系統的年耗電量已經(jīng)成為油田生產(chǎn)系統中重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題， 提高抽油機系統效率是節能降耗的關(guān)鍵[1-2].對抽油機電能消耗的檢測分析， 主要是對抽油機電機電壓、電流、功率等參數的檢測， 能及時(shí)發(fā)現抽油機是否工作在正常狀態(tài)， 通過(guò)長(cháng)期對抽油機電機歷史參數數據進(jìn)行分析， 可以反映抽油機傳動(dòng)能量、電動(dòng)機能量的消耗程度。本文將基于STM32和ATT7026實(shí)現抽油機系統效率分析。
　　
　　1、 系統設計
　　
　　抽油機系統效率分析儀的系統整體應用框圖如圖1所示。系統主要由系統效率分析儀和PC終端組成。系統效率分析儀安裝到抽油機設備上， 完成對抽油機電機三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無(wú)功功率、三相有功電能、三相無(wú)功電能等參數測量計算， 并把這些數據存儲在系統效率分析儀的TF卡中[3-4], PC終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)DTU讀取抽油機系統效率分析儀的歷史數據， 也可以實(shí)時(shí)查看當前數據。
　　 　　

　　
　　系統效率分析儀測量參數的準確性是整個(gè)系統的關(guān)鍵指標， 抽油機系統效率分析儀依據測量和如下幾個(gè)公式計算相應參數：
　　電壓有效值：

 

　　
電流有效值：

　　單相有功平均功率：

　　單相無(wú)功平均功率：

　　視載功率：

　　有功能量：

　　無(wú)功能量：

　　式中：u （t） , i （t） , uq （t） 分別是電壓、電流、電壓經(jīng)過(guò)希爾伯特數字濾波器移相90°的采樣值。T為采樣周期[5-6].
　　
　　2、 電路設計
　　
　　2.1、 抽油機系統效率分析儀結構框圖
　　
　　抽油機系統效率分析儀主要由傳感器單元、電能計量單元、AC/DC電源轉換模塊、主控制器STM32、時(shí)鐘電路模塊、存儲器模塊和DTU無(wú)線(xiàn)通信模塊等組成， 其電路原理如圖2所示。其中， 傳感器單元電路主要是電壓互感器和電流互感器， 電能計量單元采用電能計量芯片ATT7026, 該計量芯片通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路和寄存器配置就可完成抽油機主要電能參數的準確測量。主控制器采用ST公司的以Cortex-M3為內核STM32F103系列微處理器， 主要完成讀取ATT7026采集的抽油機參數、實(shí)現DTU模塊和PC終端通信， 并采用FATFS文件系統把測得的數據按時(shí)間存儲在TF卡內。時(shí)鐘模塊采用Maxim公司的DS3232時(shí)鐘芯片。
　　

　　 　　
　　2.2、 抽油機電能測量單元電路設計
　　
　　抽油機電能測量電路主要應用電能計量芯片ATT7026, 加上電流、電壓模擬轉換電路完成設計。ATT7026是一個(gè)高精度的三相電能計量芯片， 可以適用于三相三線(xiàn)制和三相四線(xiàn)制應用， 其內部集成了6路二階sigma-delta ADC、模擬參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數、頻率信號處理等電路。電能測量電路原理如圖3所示。
　　
　　ATT7026內部集成的6路ADC采用雙端差分信號輸入， 最大輸入電壓范圍為±1.0 V.在通常應用中， 電壓測量通道的輸入電壓控制在0.5V, 電流測量通道控制在0.1V.為了滿(mǎn)足ATT7026模擬測量電路的電壓輸入范圍， 必須先將抽油機電力信號經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器隔離轉換成低電壓、微電流， 在經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器濾波處理后接入ATT7026中。ATT7026通過(guò)串行通信接口SPI和微控制器通信， ATT7026的SPI接口工作在從機模式， 為了提高通信的抗干擾能力， 可在SPI信號線(xiàn)上串聯(lián)10~100Ω的電阻[7-13].
　　
　　2.3、 抽油機系統效率分析儀時(shí)鐘電路設計
　　
　　為了使抽油機系統效率分析儀能夠長(cháng)期準確地記錄歷史數據， 時(shí)鐘模塊采用Maxim公司的超高精度DS3232帶溫度補償的時(shí)鐘芯片。內置精度極高的溫度補償實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC以及256字節的電池備份SRAM.內置的集成晶振即能保證時(shí)鐘長(cháng)期精度， 又能減少外圍的器件數量， DS3232時(shí)鐘芯片工業(yè)級溫度范圍為-40°~+85°， 使抽油機系統效率分析儀在室外惡劣條件下能保證時(shí)間長(cháng)期準確。DS3232除了記錄基本的計數秒、分、時(shí)、星期、日期、月份和年份信息， 還能對少于31d的月份、月末日期自動(dòng)調整， 同時(shí)對閏年有修正功能。其外圍電路如圖4所示。
　　 　　 　　 　　 　　
　　3、 軟件設計
　　
　　3.1、 應用FATFS文件系統實(shí)現數據存儲
　　
　　抽油機系統效率分析儀利用FATFS文件系統實(shí)現了歷史數據的存儲和管理， 由于抽油機系統效率分析儀需要長(cháng)時(shí)間穩定工作， 存儲的數據又非常多， 利用常規的Flash儲存芯片直接存儲會(huì )給以后的數據查看和數據分析帶來(lái)很大麻煩。FATFS是一款易于移植和使用， 并且占用硬件資源相對較小的FAT開(kāi)源文件系統， 非常適合運行在資源相對很小的微處理器中。對FATFS的使用和移植， 只需要關(guān)心FATFS的應用層和底層IO驅動(dòng)。對于底層IO驅動(dòng)， 抽油機系統效率分析儀的TF卡和微處理器通過(guò)SPI接口通信， 簡(jiǎn)單修改FATFS與硬件I/O的接口diskio.c文件即可完成移植[14-15].
　　
　　3.2、 抽油機系統效率分析儀系統軟件設計
　　
　　抽油機系統效率分析儀采用ARM公司的Real View MDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設計， 主要采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化設計， 程序首先對ATT7026初始化， 完成ATT7026數字校表和配置， 之后循環(huán)查詢(xún)是否有DTU無(wú)線(xiàn)數據命令請求， 若有命令請求， 進(jìn)入數據傳輸模式， 否則進(jìn)行參數采樣和存儲。整體流程如圖5所示。
　　
　　圖5 軟件整體流程
　　 　　
　　4、 結束語(yǔ)
　　
　　本設計從硬件和軟件兩個(gè)方面， 介紹以STM32為微控制器核心， 利用電能計量芯片ATT7026進(jìn)行電機參數采集的抽油機系統效率分析儀應用解決方案。基于上述系統設計， 解決了常規模擬電路可靠性差、軟件計算工作量大等問(wèn)題， 同時(shí)又能保證超高的精度， 提高采樣速度， 實(shí)現對抽油機工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測和分析， 實(shí)際運行切實(shí)可行。
　　
　　參考文獻：
　　
　　[1]姚春東。提高抽油機井系統效率的計算機仿真分析[J].石油學(xué)報， 2005 （7） :106-110.
　　[2]張偉， 范登洲。提高抽油機井系統效率措施研究[J].石油工業(yè)技術(shù)監督， 2004 （5） :16-17.
　　[3]邱關(guān)源。電路[M].北京：高等教育出版社， 2006:302-312.
　　[4]劉海成。AVR單片機原理及測控工程應用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2008.
　　[5]崔娟， 李平舟， 孫磊， 等。基于A(yíng)TT7022B高精度智能電表的設計[J].電子科技， 2010 （2） :46-48.
　　[6]鉅泉光電科技 （上海） 股份有限公司。ATT7026 User Manual[M].上海：鉅泉光電， 2014.
　　[7]王根潮， 王慶如， 朱建華。抽油機井實(shí)時(shí)遠程遙測技術(shù)[J].油氣井測試， 2004, 13:56-57.
　　[8]杜瓊。電子式電能表技術(shù)研發(fā)以及應用[J].電子質(zhì)量， 2004 （6） :17-19.
　　[9]李紹銘， 紀萍， 劉紅銳。諧波下的電能計量研究及功率因數分析[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置， 2009 （6） :3-5.
　　[10]李靜， 楊以涵， 于文斌， 等。電能計量系統發(fā)展綜述[J].電力系統保護與控制， 2009 （6） :130-134.
　　[11]廖宏， 李光文。交直流采樣測量方法的分析及其應用條件[J].大眾用電， 2003 （9） :21-22.
　　[12]王慶娟。諧波對電能計量的影響分析[J].電子世界， 2013 （10） :130-132.
　　[13]洪耀鵬。計量用電流互感器的選擇與使用[J].電力標準化與計量， 2004 （2） :42-44.
　　[14]閆銀發(fā)。基于A(yíng)RM的嵌入式網(wǎng)絡(luò )電能計量系統[D].濟南：山東科技大學(xué)， 2005.
　　[15]時(shí)研。抽油機電機參數的檢測與數據遠傳[D].山東：中國石油大學(xué)， 2008.