基于Zigbee的潛油電泵振動測試系統(tǒng)設(shè)計研究

高峰

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163316）

潛油電泵是目前國內(nèi)外各大油田機(jī)械采油的主要設(shè)備之一，具有排量大、揚程高、操作管理方便等特點。然而，潛油電泵機(jī)組的綜合故障率較高，這給油田造成重大損失。實踐證明，振動過大往往是引發(fā)潛油電泵機(jī)組故障的根源之一。

潛油電泵機(jī)組的振動不但與其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣有關(guān)，而且與設(shè)計和制造也有很大關(guān)系。因此，潛油電泵制造廠家在機(jī)組出廠前采用潛油電泵振動測試系統(tǒng)對機(jī)組進(jìn)行振動測試?，F(xiàn)有的潛油電泵振動測試系統(tǒng)振動的采集采用傳統(tǒng)測試方法。數(shù)據(jù)采集和傳輸均采用模擬信號，不但精度低，而且易受到振動、電磁場等惡劣環(huán)境的干擾；采用了6個單軸振動傳感器，所需的6根通信電纜不但增加了維護(hù)成本，而且由于作業(yè)環(huán)境的限制，電纜易發(fā)生物理性損壞，信靠傳輸可靠性差。本文采用了數(shù)字式三軸加速度計進(jìn)行振動信號采集，不但將傳感器數(shù)量降為原有一半，而且提高了數(shù)據(jù)采集的精度，增強(qiáng)抗干擾性；采用Zigbee無線進(jìn)行信號的傳輸，取消了通信電纜，降低維護(hù)成本同時提高測試作業(yè)效率及測試信號傳輸可靠性。

潛油電泵振動測試系統(tǒng)可分三部分：振動數(shù)據(jù)采集終端、無線接收模塊、上位機(jī)。如圖1所示。

圖1 潛油電泵振動檢測與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

振動數(shù)據(jù)采集終端位于井下，分為三層，每層終端由測振架、振動傳感器組成。測振架將振動傳感器緊緊的與被測機(jī)組殼體剛性連接。測試過程中，振動傳感器采集潛油電泵振動狀態(tài)并存儲；當(dāng)測試結(jié)束機(jī)組提升至地面，傳感器通過Zigbee無線信號將振動數(shù)據(jù)發(fā)送到無線接收模塊。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，并通過RS232總線發(fā)送給上位機(jī)。

上位機(jī)對輸入振動數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲、分析。

1.1 振動傳感器

振動傳感器主要由加速度計、CC2530無線微控制器、電源模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于空間體積的限制，傳感器采用集成化設(shè)計，滿足性能要求的同時減少器件，縮小體積。加速度計采用ADI公司的三軸加速度計ADXL345，是基于iMEMS技術(shù)的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器，±2g～±16g可變的測量范圍，內(nèi)帶緩存，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)并降低了系統(tǒng)功耗。具有較高的頻響、分辨率、靈敏度、3mm×5mm×1mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標(biāo)準(zhǔn)的IIC或SPI數(shù)字接口。無線微控制器采用TI公司CC2530F256模塊，具有256kB的Flash閃存，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，支持2.4GHz、IEEE 802.15.4協(xié)議可直接在模塊內(nèi)進(jìn)行編程開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線發(fā)送。電源模塊采用3.7V/80mAh聚合物充電電池，具有體積小、重量輕、可充電的優(yōu)點同時，可直接為加速度計及無線微控制器提供合適電壓，無需電源電路設(shè)計。

1.2 無線接收模塊

無線接收模塊主要由無線收發(fā)模塊、處理器、電源模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線接收模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

處理器采用ST公司STM32F103微控制器，其采用32位Cortex-M3內(nèi)核，512k的Flash ROM，最 高72MHz運算頻率，擁有3個UART接口，滿足大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理與傳輸?shù)男枰?/p>

2 軟件設(shè)計

2.1 振動傳感器程序設(shè)計

潛油電泵機(jī)組在振動測試時，整個機(jī)組浸沒于水下，采集數(shù)據(jù)無法通過Zigbee無線信號實時傳輸，因此振動傳感器采用“異步工作方式”，即數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸分時進(jìn)行。在機(jī)組測試時，傳感器先采集并記錄振動數(shù)據(jù)，待測試結(jié)束機(jī)組提出測試井后，傳感器再將采集到的振動數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)。振動傳感器程序流程如圖4所示。CC2530F256有五種工作模式。分別為主動模式、空閑模式、PM1、PM2、PM3。為了減少能耗，傳感器采用PM3外部中斷喚醒模式。在硬件設(shè)計上設(shè)有微動開關(guān)，當(dāng)振動數(shù)據(jù)采集終端夾緊潛油電機(jī)外殼時，微動開關(guān)動作，發(fā)出外部中斷喚醒信號，實現(xiàn)無線微控制器功能喚醒。

圖4 振動傳感器程序流程圖

2.2 無線接收模塊程序設(shè)計

無線接收模塊程序流程如圖5所示。整個無線網(wǎng)絡(luò)采用“星型網(wǎng)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，無線接收模塊會在周圍空間建立無線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳感器掃描到無線網(wǎng)絡(luò)后，向協(xié)調(diào)器提出連接請求，協(xié)調(diào)器會根據(jù)情況決定是否允許其連接。節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會分配給節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址，發(fā)送數(shù)據(jù)傳送命令，節(jié)點接收到傳送命令后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。協(xié)調(diào)器將接收到的信息整理后，通過RS232總線接口上傳至上位機(jī)，從而實現(xiàn)上位機(jī)對振動數(shù)據(jù)的存儲、顯示及分析。

圖5 無線接收模塊程序流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

整個系統(tǒng)在大慶市某試驗井進(jìn)行測試。檢測機(jī)組為全新QN130型潛油電泵、YQY138-140D型潛油電機(jī)。振動數(shù)據(jù)采集終端如圖1所示卡在電機(jī)表面上，測試電機(jī)振動情況。電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。電機(jī)在穩(wěn)定運行的情況下進(jìn)行測試，測試時間為15min，測試結(jié)果如圖6所示。測試結(jié)果表明：基于CC2530設(shè)計的無線振動傳感器能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集潛油電泵機(jī)組振動狀態(tài)，并自動與無線接收模塊進(jìn)行組網(wǎng)，快速、準(zhǔn)確的將采集到的振動數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實現(xiàn)對潛油電泵機(jī)組振動狀態(tài)的顯示、存儲與評價。此外，在測試過程中，對數(shù)據(jù)采集終端的安裝、下井、測試結(jié)束后的起井，數(shù)據(jù)采集終端的拆卸等過程中，無需考慮對信號電纜進(jìn)行整理和保護(hù)的問題，大大提高了作業(yè)效率，避免由于信號電纜損壞等情況造成的系統(tǒng)故障，提高可靠性。該系統(tǒng)在容量擴(kuò)展方面也具有很大的靈活性和方便性。

表1 YQY143-140D型潛油電機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖6 潛油電機(jī)振動測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文論述了基于Zigbee的潛油電泵機(jī)組振動測試系統(tǒng)設(shè)計，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計布局，振動數(shù)據(jù)采集終端、無線接收模塊的硬件及軟件設(shè)計。試驗證明：該系統(tǒng)能夠有效的對潛油電泵機(jī)組振動狀態(tài)進(jìn)行信息采集、傳輸、顯示與數(shù)據(jù)分析。與傳統(tǒng)振動測試系統(tǒng)相比，提高了測試數(shù)據(jù)精度，測試作業(yè)效率及測試系統(tǒng)可靠性，同時系統(tǒng)在容量擴(kuò)展方面也更加靈活和方便。