基于嵌入式處理器STM32的抽油機井實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

抽油機井大多都分布在地理位置偏遠、環(huán)境惡劣的地區(qū)，給工作人員對抽油機井的管理與維護工作造成困難。隨著信息技術(shù)在石油工業(yè)領(lǐng)域的大量應用，抽油機井的實時監(jiān)控系統(tǒng)大大改善了這一現(xiàn)狀。采用低成本、高性能、低功耗的微控制器以及無線傳感技術(shù)來研制抽油機井實時監(jiān)控系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)具有更佳的性能。該系統(tǒng)能夠讓原油的開采更加便捷安全和穩(wěn)定高效。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r地反應抽油機井的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)并解決抽油機井在工作中出現(xiàn)的故障。采用該系統(tǒng)，可以有效提高設備的可靠性、減輕工作人員的工作量、降低采油成本，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 總體方案設計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由6部分組成：現(xiàn)場傳感器(壓力傳感器、溫度傳感器等)、傳感器信號采集板、互感器模塊、電量參數(shù)采集板、示功圖采集模塊、ZigBee通信模塊和上位機。

油壓、油溫、示功圖以及電機的電力參數(shù)是抽油機井工作的重要參數(shù)，是抽油機井工況判斷的依據(jù)?，F(xiàn)場傳感器將油溫、油壓等物理量轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號后，輸出給傳感器信號采集板。示功圖采集模塊內(nèi)部有加速度傳感器和負荷傳感器，采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線方式，發(fā)送到傳感器信號采集板。信號采集板通過繼電器來控制抽油機啟停。三相電壓電流經(jīng)過電壓互感器模塊后，由電量采集模塊來采集。上位機使用Modbus通信協(xié)議，采用RS485總線與電量采集板和傳感器信號采集板進行通信，以獲取采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。Modbus是工業(yè)控制系統(tǒng)通信中最普遍的協(xié)議，它具有兼容性好，可靠性高等優(yōu)勢。上位機軟件能夠顯示電量參數(shù)、各個傳感器的數(shù)據(jù)以及示功圖;更改采集參數(shù)和控制抽油機的啟停。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片選型

主控芯片選擇嵌入式處理器STM32F103RC，這是一款Cortex M3內(nèi)核的32位單片機，有48KB SRAM、256KBFLASH，片上集成6個定時器、3個12位ADC、3個SPI、2個IIC、5個串口等豐富的外設，主頻最快可以達到72 MHz。相比于其他的單片機，STM32系列具有更強大的運算處理能力，更快的速度，使用起來更加靈活方便。

2.2 傳感器信號采集板

圖2為傳感器信號采集板框圖，由電源電路、信號調(diào)理電路、STM32及其外圍電路、繼電器及其驅(qū)動電路、RS485以及RS232通信接口電路組成。

由于現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，在傳感器調(diào)理電路前端增加了起限流保護作用的保險絲，以及起靜電保護作用的TVS管。采樣電阻將傳感器輸出的4～20 mA的標準電流信號轉(zhuǎn)換成STM32內(nèi)部AD可以采集的電壓信號。

開關(guān)信號的調(diào)理電路與電流信號調(diào)理電路相似，采用光耦隔離進行電壓隔離保護，同時將外部開關(guān)信號的電壓轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部可以測量的電壓。

圖3為STM32電路原理圖，包括：復位電路、供電電路、啟動模式選擇電路、濾波電容等。PA4(20)、PA5(21)為引腳為內(nèi)部ADC的輸人通道。PC10(51)、PC11(52)引腳為內(nèi)部USART4的輸入輸出通道，用來實現(xiàn)RS485通信。PC12(53)、PD2(54)引腳為內(nèi)部USART5的輸入輸出通道，用來實現(xiàn)與ZigBee通信模塊之間的RS232通信。PC14(3)、PC15(4)引腳用來輸出開關(guān)信號。

采用繼電器來控制抽油機啟停，其驅(qū)動電路如圖4所示。STM32的IO引腳與PNP型三極管的集電極相連。以增加STM32的電流驅(qū)動能力。

2.3 三相電壓電流轉(zhuǎn)換板

電壓電流轉(zhuǎn)換板由電壓互感器與電流采樣電路組成。電流采樣電路通過一個采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。互感器能夠起到降壓以及隔離保護的作用。電機的交流電信號通過它的初級輸入，進行電壓變換后，由次級輸出芯片能夠測量的電壓。電流則通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號。

2.4 電量參數(shù)采集板

電量采集板同樣采用STM32作為主控芯片，使用CS5463專用電量測量芯片分別測量三相的電量參數(shù)，使用RS485通信接口與上位機通信。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

CS5463是美國CirrusLogic公司新近推出的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片?？梢詼y量瞬時的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等。其電路原理圖如圖6所示。

電量參數(shù)采集板上配備了三塊CS5463，分別來采集三相電壓電流。通過SPI方式與STM32通信，一個CS5463內(nèi)部包含有兩個ADC，分別采集電壓與電流。

2.5 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊由CC2430及其外圍電路、RS232通信接口電路、收發(fā)天線組成。該模塊由兩節(jié)5 V電池供電。具有小巧靈活等特點。CC24 30是一款TI公司生產(chǎn)的SOC芯片，CC2430芯片內(nèi)部包含了一個DSSS無線射頻前端，用于發(fā)送和接收無線射頻信號。為了更加方便的實現(xiàn)Z-Sta ck協(xié)議棧，在片內(nèi)集成了一個8位的8051內(nèi)核。

2.6 示功圖采集模塊

示功圖采集模塊采用電池供電，安裝在抽油機連接桿上。內(nèi)部包含一個加速度傳感器和一個負荷傳感器，將加速度信號進行二次積分得到位移，負荷傳感器的信號即為載荷，定時將測得的數(shù)據(jù)通過ZigBee方式發(fā)送出去。

3 系統(tǒng)軟件設計