鴻寶變頻器及LABVIEW在冀東油田上的應用

【摘要】針對目前河北冀東油田南堡作業(yè)區(qū)油井分散，分布范圍寬，地區(qū)偏遠，不宜管理等特點，本文主要利用變頻器對其電機進行拖動，利用計算機對抽油機進行遠程監(jiān)控。實現(xiàn)無人值守或者少人值守的目的。

【關(guān)鍵詞】LABVIEW；鴻寶；RS485；MODBUS；CRC；無人值守；油田

1.引言

石油開采行業(yè)中抽油機是機械采油的重要設備。保證抽油機的正常、科學運行對提高原油產(chǎn)量和油田節(jié)能都有重要意義。目前我國大部分油田抽油井的現(xiàn)狀是：油井分散，分布范圍寬，地區(qū)偏遠，不宜管理；大部分油井采用人工巡視，抽油機的運行狀態(tài)和參數(shù)不能適時反映到管理中心，在很大程度上影響對油井的合理決策；當抽油機電機發(fā)生短路或缺相故障時，需要及時發(fā)現(xiàn)并停止電機，而這是人工巡井很難做到的。對低滲透率地區(qū)的油井，抽油機運行一段時間后，經(jīng)常會發(fā)生抽空現(xiàn)象，此時抽油機處于輕載或空載狀態(tài)，如繼續(xù)運行，勢必造成電能和機械能的浪費。

針對以上抽油機存在的問題，上海鴻寶生產(chǎn)的高性能矢量變頻器HB-E9作為下位機，上位機軟件使用NI公司的Labview。本系統(tǒng)集合了目前流行的DSP，虛擬儀器等技術(shù)，為解決抽油機目前存在的幾個問題，提高自動化程度，實現(xiàn)無人值守或者少人值守的目的。

2.系統(tǒng)總體設計

抽油機電機采用HB-E9變頻器進行控制，上位機采用Labview軟件。通訊接口為RS485接口，采用標準的MODBUS協(xié)議。

鴻寶HB-E9系列變頻器為矢量變頻器技術(shù)，是基于DQ軸理論而產(chǎn)生的，它的基本思路是把電機的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵磁電流，Q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機的勵磁電流和力矩電流分開控制，使得交流電機具有和直流電機相似的控制特性，是為交流電機設計的一種理想的控制理論，大大提高了交流電機的控制特性.具有低頻力矩大、輸出平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快、穩(wěn)速精度高、減速停車速度快、抗干擾能力強等特點。

基于虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)利用LabVIEW強大網(wǎng)絡功能、完備的圖形控制工具輕松的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的處理及波形的直觀顯示。同時利用LabVIEW的數(shù)據(jù)庫鏈接工具包及強大的數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲和分析，為進一步研究和控制抽油機提供參考。

變頻器通信接口為RS485形式，協(xié)議為標準的MODBUS協(xié)議。Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。

3.通訊下位機

RS485采用的是半雙工工作模式，接口共三根線，公共地，A+，B-。一般工業(yè)現(xiàn)場只用接A+，B-兩根線。計算機端可以采用RS232轉(zhuǎn)RS485設備或者采用USB轉(zhuǎn)RS485設備。

變頻器和計算機能夠正確的通訊上，需要設置相應的通訊參數(shù)，如端口，地址位，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗方式等。

HB-E9系列變頻器的ModBus協(xié)議通信數(shù)據(jù)格式分為RTU（遠程終端單元）模式和ASCII（American Standard Code for Information International Interchange）模式兩種進行通訊。本系統(tǒng)采用RTU模式。具體的協(xié)議請參考《HB-E9系列使用說明書》中通訊協(xié)議部分。

幀的錯誤校驗方式主要包括兩個部分的校驗，即字節(jié)的位校驗（奇/偶校驗）和幀的整個數(shù)據(jù)校驗（CRC校驗或LRC校驗）。

3.1 字節(jié)位校驗

用戶可以根據(jù)需要選擇不同的位校驗方式，也可以選擇無校驗，這將影響每個字節(jié)的校驗位設置。

偶校驗的含義：在數(shù)據(jù)傳輸前附加一位偶校驗位，用來表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，為偶數(shù)時，校驗位置為“0”，否則置為“1”，用以保持數(shù)據(jù)的奇偶性不變。

奇校驗的含義：在數(shù)據(jù)傳輸前附加一位奇校驗位，用來表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，為奇數(shù)時，校驗位置為“0”，否則置為“1”，用以保持數(shù)據(jù)的奇偶性不變。

例如，需要傳輸“11001110”，數(shù)據(jù)中含5個“1”，如果用偶校驗，其偶校驗位為“1”，如果用奇校驗，其奇校驗位為“0”，傳輸數(shù)據(jù)時，奇偶校驗位經(jīng)過計算放在幀的校驗位的位置，接收設備也要進行奇偶校驗，如果發(fā)現(xiàn)接受的數(shù)據(jù)的奇偶性與預置的不一致，就認為通訊發(fā)生了錯誤。

3.2 CRC校驗方式——CRC（Cyclical Redun-dancy check）

使用RTU幀格式，幀包括了基于CRC方法計算的幀錯誤檢測域。CRC域檢測了整個幀的內(nèi)容。CRC域是兩個字節(jié)，包含16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到幀中。接收設備重新計算收到幀的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩個CRC值不相等，則說明傳輸有錯誤。

CRC是先存入0xFFFF，然后調(diào)用一個過程將幀中連續(xù)的6個以上字節(jié)與當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內(nèi)容相異或（XOR），結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值相異或，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節(jié)又單獨和寄存器的當前值相異或。最終寄存器中的值，是幀中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC的這種計算方法，采用的是國際標準的CRC校驗法則，用戶在編輯CRC算法時，可以參考相關(guān)標準的CRC算法，編寫出真正符合要求的CRC計算程序。

4.通訊上位機軟件

Labview語言是美國NI公司為適應計算機和軟件技術(shù)的發(fā)展、加快儀器的開發(fā)和完善其功能而退出的。它使用圖形化的編程語言，執(zhí)行程序的順序是由塊之間的數(shù)據(jù)流決定的。而不是傳統(tǒng)文本語言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行。Labview語言具有界面友好、易學易懂、開發(fā)周期短等優(yōu)點，廣泛應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。

4.1 Labview 2009串口通訊編程

在Labview中進行串口通訊主要利用Serial compatibility VIS，包括端口初始化，設定端口號，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗等，從串口讀取數(shù)據(jù)，向串口寫數(shù)據(jù)等。最后不需要串口時，可以將串口關(guān)閉，端口留給別的程序。

4.2 通訊程序?qū)崿F(xiàn)的功能

通過計算機可以對變頻器進行遠程啟停電機，設置運行頻率，讀取變頻器的運行參數(shù)，如變頻器的直流母線電流，輸出電流，輸出電壓，輸出力矩，故障信息等。其中涉及到CRC校驗碼的求取和校驗，其程序如下：

求CRC校驗碼：

判斷CRC校驗碼是否正確程序：

部分界面如下：

5.結(jié)論

本文主要利用Labview實現(xiàn)計算機與變頻器進行通訊，通過計算機的串行端口來控制變頻器，可以方便、直觀地控制變頻器的運行、監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)、設置變頻器的參數(shù)、監(jiān)控變頻器的故障狀態(tài)。實現(xiàn)變頻器的聯(lián)網(wǎng)及遠程監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守或者少人值守。希望本文能給同行提供一種解決問題的思路，能有更多的同仁一起共同努力來提高實現(xiàn)油田等艱苦行業(yè)的遠程控制自動化水平。

參考文獻

[1]陳樹學，劉宣編著.Labview寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社[M]2011，3.

[2]北京：中科泛華測控技術(shù)有限公司.計算機虛擬儀器圖形化編程LabVIEW實驗教材，2003.

[3]蘇奎峰，呂強，等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]劉和平.TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

作者簡介：

陳國平（1981—），男，研究生，現(xiàn)供職于上海鴻寶企業(yè)發(fā)展有限公司，主要負責變頻器的軟硬件開發(fā)，變頻器自動化測試平臺的研發(fā)及相應監(jiān)控軟件的開發(fā)。

王成起（1962—），男，大學專科，現(xiàn)供職于中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，主要負責低壓配電系統(tǒng)運行、電氣維修、電工管理。

白廣潮（1988—），男，大學本科，現(xiàn)供職于中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，主要負責低壓配電系統(tǒng)運行、電氣維修、電工管理。