基于STM32 的柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

肖紅翼 羅仁宏 張海龍

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 電子信息學(xué)院，荊州 434023；2.武漢商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430000；3.上?？茖W(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 智能制造工程學(xué)院，上海 201899）

柱塞氣舉作為重要的人工舉升方式，在油氣田開(kāi)采中應(yīng)用十分廣泛[1-2]。柱塞上行速度和到達(dá)井口的狀態(tài)與柱塞氣舉工作制度密切相關(guān)，直接影響柱塞氣舉的舉升效率?，F(xiàn)有的柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在功能單一、成本高等問(wèn)題，且多以地磁檢測(cè)手段為主。地磁檢測(cè)傳感器的成本高，需要分析不同軸向的地磁變化，數(shù)據(jù)處理難度大。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以微型處理器STM32 為核心，基于法拉第電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生柱塞運(yùn)動(dòng)與到達(dá)信號(hào)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的濾波整形電路后，由STM32 進(jìn)行采集，并通過(guò)Modbus RTU 協(xié)議將柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)簡(jiǎn)化了外圍電路，具有功耗極低、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)便于觀測(cè)與記錄、柱塞氣舉的舉升效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

當(dāng)一塊磁鐵從某一高度落下，通過(guò)外部繞有線圈的圓柱體時(shí)，會(huì)使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與之相連的電路將獲得磁鐵經(jīng)過(guò)線圈的信號(hào)，依據(jù)這一原理進(jìn)行柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)[3]。通過(guò)在油管上纏繞線圈將磁鐵固定在柱塞上，當(dāng)柱塞經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，線圈上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用設(shè)計(jì)的濾波與放大電路，放大該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)以獲得表征柱塞經(jīng)過(guò)線圈時(shí)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)STM32 微處理器運(yùn)算處理后，得到柱塞運(yùn)動(dòng)速度與到達(dá)信號(hào)。

柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1 所示。將配有磁鐵的柱塞放置在油管底部，油管上纏繞3 個(gè)測(cè)速線圈和1 個(gè)到達(dá)線圈。當(dāng)含有磁鐵的柱塞運(yùn)動(dòng)到線圈位置時(shí)，線圈上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)濾波電路濾除干擾信號(hào)后，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)整形與放大，獲得表征柱塞運(yùn)動(dòng)到線圈位置的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。系列開(kāi)關(guān)量信號(hào)觸發(fā)STM32 定時(shí)器，從而獲得柱塞運(yùn)動(dòng)速度與到達(dá)狀態(tài)。STM32 通過(guò)Modbus RTU 協(xié)議將柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)發(fā)往上位機(jī)進(jìn)行顯示。電源提供5 V 和±3.3 V 電壓。

2 柱塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)原理

將線圈緊貼在鋼管（油管）上，當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)至線圈位置時(shí)，傳感器輸出高電平信號(hào)。當(dāng)柱塞未運(yùn)動(dòng)到傳感器位置時(shí)，傳感器輸出低電平信號(hào)。將4 個(gè)柱塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)傳感器安裝在鋼管上，其中下面3 個(gè)傳感器用來(lái)檢測(cè)柱塞運(yùn)動(dòng)速度，最上面靠近井口的傳感器用來(lái)檢測(cè)柱塞到達(dá)標(biāo)志。在已知傳感器安裝距離的基礎(chǔ)上，通過(guò)捕獲每2 個(gè)傳感器輸出高電平的時(shí)間差，由速度v、距離l與時(shí)間t關(guān)系式v=l/t可求得速度。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

帶有磁鐵的柱塞經(jīng)過(guò)線圈時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但該電壓很低且?guī)в须s波信號(hào)，為了便于微處理器判斷，需要對(duì)該感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行信號(hào)處理[4]。濾波電路采用電阻-電容（Resistor-Capacitance，RC）濾波，濾除電壓信號(hào)中的低頻干擾信號(hào)。硬件電路中設(shè)計(jì)有二級(jí)放大，其中：一級(jí)是通過(guò)儀表放大器對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行抑制的同時(shí)，將感應(yīng)電勢(shì)放大，所選儀表放大器為INA128，電路設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為40；二級(jí)是采用運(yùn)算放大器放大第一級(jí)的輸出，選用TI 公司的OPA2350 運(yùn)算放大器。

該芯片內(nèi)置有2 個(gè)放大器，電路設(shè)計(jì)中一個(gè)用作普通放大，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為8.5。另一個(gè)設(shè)計(jì)為比較器，電路中比較基準(zhǔn)電壓為1.66 V，即將柱塞經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)濾波放大后與1.66 V 進(jìn)行比較。當(dāng)大于該基準(zhǔn)電壓時(shí)，OPA2350 輸出高電平信號(hào)；當(dāng)?shù)陀谠摶鶞?zhǔn)電壓時(shí)，OPA2350 輸出低電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)硬件電路的處理后將柱塞經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)通過(guò)開(kāi)關(guān)量呈現(xiàn)出來(lái)。濾波與整形電路，如圖2 所示。

圖2 濾波與整形電路

將柱塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)傳感器的輸出端與STM32微處理器相連接，由STM32 進(jìn)行采集與處理。STM32在輸入端的硬件上通過(guò)PC7、PC6、PB8 這3 個(gè)通用輸入/輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）端口與傳感器輸出相連接，用以捕捉開(kāi)關(guān)量信號(hào)。STM32 的串口與232-485 芯片相連接，實(shí)現(xiàn)232 V到485 V 的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)格式上采用Modbus RTU 協(xié)議與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)到開(kāi)關(guān)量的轉(zhuǎn)換，軟件部分主要根據(jù)柱塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)原理進(jìn)行柱塞運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算、到達(dá)時(shí)間計(jì)算以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳，在工控機(jī)端查看柱塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)[5]。當(dāng)STM32 檢測(cè)到1 號(hào)線圈輸出的高電平信號(hào)時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器1。當(dāng)STM32 檢測(cè)到2 號(hào)線圈輸出的高電平信號(hào)時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器1，讀取時(shí)間t1，并開(kāi)啟定時(shí)器2。當(dāng)STM32 檢測(cè)到3 號(hào)線圈輸出高電平信號(hào)時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器2，讀取時(shí)間t2。STM32 獲取時(shí)間序列數(shù)據(jù)后，計(jì)算得到速度，然后將速度值存入Modbus 寄存器下的緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)向工控機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)執(zhí)行開(kāi)井操作后，STM32 控制定時(shí)器3 開(kāi)始計(jì)時(shí)。STM32 檢測(cè)到到達(dá)線圈輸出高電平時(shí)，讀取定時(shí)器3 的計(jì)數(shù)值，并關(guān)閉定時(shí)器3，即可獲得柱塞到達(dá)時(shí)間，同時(shí)將該值存入Modbus 寄存器。

4 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在中石油氣舉實(shí)驗(yàn)基地多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和氣井動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能進(jìn)行油、氣、水等多種流體實(shí)驗(yàn)，在0 ～90°傾角、常溫至90 ℃、常壓至3.5 MPa、液流量0 ～500 m3·d-1、流體黏度0 ～1 000 mPa·s、 氣流量0 ～50 000 m3·d-1的條件下開(kāi)展多相流動(dòng)態(tài)研究。為了分析不同柱塞在0 ～90°傾角的運(yùn)動(dòng)特性，測(cè)試不同傾角條件、不同壓強(qiáng)條件下柱塞的運(yùn)動(dòng)速度。

實(shí)驗(yàn)步驟：打開(kāi)出口閥釋放管內(nèi)殘余氣體；當(dāng)油管壓強(qiáng)達(dá)到0 MPa、套管壓強(qiáng)達(dá)到10 kPa 時(shí)，打開(kāi)入口閥以小氣量進(jìn)氣，其中氣動(dòng)閥開(kāi)度在3%；當(dāng)套管壓強(qiáng)為30 ～40 kPa 時(shí)，關(guān)閉出口閥，打開(kāi)進(jìn)液閥和入口閥，同時(shí)進(jìn)氣液；當(dāng)液段達(dá)到目標(biāo)高度時(shí)，關(guān)閉液泵停止供液，靜置等待壓強(qiáng)穩(wěn)定；待壓強(qiáng)穩(wěn)定后，打開(kāi)出口閥；當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到柱塞到達(dá)時(shí)，關(guān)閉出口閥。該實(shí)驗(yàn)研究了不同井底壓強(qiáng)、不同傾角下柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)采集。柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表中，速度1 表示柱塞從1 號(hào)線圈到達(dá)2 號(hào)線圈的快慢程度，速度2 表示柱塞從2 號(hào)線圈到達(dá)3 號(hào)線圈的快慢程度。測(cè)試結(jié)果表明，在不同工況下，本次設(shè)計(jì)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效檢測(cè)柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可精確測(cè)量柱塞運(yùn)動(dòng)速度，準(zhǔn)確捕捉柱塞到達(dá)狀態(tài)。基于STM32 的柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為后續(xù)開(kāi)展柱塞氣舉物理模擬實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步探索柱塞氣舉的舉升效率問(wèn)題提供了有力支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

柱塞氣舉研究多采用軟件模擬的方法，缺乏實(shí)際柱塞運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的支撐。提高柱塞氣舉的舉升效率，良好控制柱塞運(yùn)行的前提條件是對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，設(shè)計(jì)了基于STM32 微處理器的柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以法拉第電磁感應(yīng)定律為理論基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)計(jì)的濾波與整形電路實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電勢(shì)到開(kāi)關(guān)量的轉(zhuǎn)換，便于STM32 微處理器進(jìn)行捕捉。柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)感應(yīng)線圈產(chǎn)生開(kāi)關(guān)量信號(hào)，觸發(fā)STM32外部中斷，從而檢測(cè)柱塞運(yùn)動(dòng)速度與到達(dá)井口的狀態(tài)，并在工控機(jī)端顯示柱塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了柱塞氣舉工作環(huán)境，完成了柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了基于STM32 的柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性與實(shí)時(shí)性，為后續(xù)開(kāi)展柱塞氣舉漏失量、柱塞運(yùn)動(dòng)速度與摩擦系數(shù)關(guān)系研究提供了較好的硬件支持。