基于mcs51单片机的油井系统测试仪研究

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摘要
目前，我国油田多为低渗透的低能、低产油田，通常需要向油井内注入大量的水，
! {3 H$ }6 ]9 p( ?$ Y) \再依靠抽油机将石油从地层中采到地上。因此，大部分油田都面临“以水换油"的局面，
; z$ M7 j- G; X' @' c) p这就导致油田耗电量极高，电费开支惊人。因此，节约电能已成为石油行业关注的焦点。
在油井系统工作的过程中，地面的拖动电机起着核心作用，它的利用率的高低直接
关系开采的成本和效益。但据油田现状，对电机功率的利用率很低，平均不超过30％。
因此，抽油机的节能问题成为重中之重。
+ L  d" \7 c  q" E/ }油田野外生产作业，给油井生产管理带来很大困难，而目前所使用的主要手段仍然
是通过人工测试来强化油井管理，局限性较大。针对这一现状，本文以STC89C51单片
机为核心，模数转换芯片ADc0809和串行EEPROM芯片AT24C32为主要外围扩展器
4 z4 n7 K; l" s6 e件，设计了一套初级油井测试系统。
2 P  s, H7 N$ o' K( V本文设计的油井测试系统在硬件结构上由电源模块、振荡电路、复位电路、存储电
% \" c6 z1 c/ D4 G9 q路、数码管显示电路、数据采集电路、串行通讯电路以及其他一些外围电路组成，对于
7 o# p. u* ^0 ~3 }  D这些硬件模块本文给出了详细设计。
2 c" G& q! `( f6 Q在系统软件设计方面，本文详细介绍了单片机作为下位机的数据采集程序、数据存
- |: t  q/ [! v4 h5 x储程序、串行通讯程序及数据显示程序的设计，以及PC机作为上位机的人机界面软件
) C8 H3 ~# X0 N# P% I' a的编写思想及实现方法。
本文设计的油井系统测试仪可以方便测得所需参数，具有精度较高、速度较快和采
集稳定等优点，效果良好，而且数据采集部分具有通用性，可以二次开发应用于其他行
/ D6 Q( {% c6 k% M( R业，前景广阔。
1 ]8 |: E2 M7 E5 z8 F
: |6 L& w, c/ y( Q1．1课题研究背景
第弟一早章日前U言苗
0 Y. ~/ r, B3 p( Z' z5 l" ^目前，我国的油田不具有自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，通常需要向油
井内注入大量的水，再依靠抽油机将石油从地层中采到地上。因此，大部分油田都面临
. F: _8 n4 [" \9 c2 ^: T: y. }& \“以水换油”的局面，这就导致油田耗电量极高，成为不折不扣的“耗能大户"，每年
( l" A$ d! \2 m的电费开支庞大、数目惊人【l】。据统计，我国抽油机的保有量在10万台以上，每年耗电
( D+ u9 p4 r$ H' i2 W6 i量逾百亿千瓦·时，总耗电量超过油田总用电量的80％。由此看来，电费开支在油田的
生产成本中占有相当大的比重，因此，节约电能已成为石油行业关注的焦点【2】。
油田上应用最为广泛的是游梁式竖井抽油机。抽油机工作时，其实是一个能量的不
3 v/ Q3 j4 w2 A0 f* C$ }  u断传递和转化的过程。在能量的传递和转化过程中都会存在一定的损失【31。由地面系统
提供并传入井下的能量，扣除系统自身的各种损耗后，就是系统传给所采液体的有效能
2 |! _! |2 g, ?' x1 c3 I+ b量，系统正是靠这部分能量将油水混合物采到地面上的。在这一过程中，地面的拖动电
- s0 \1 L, F9 w6 Z/ Q; V机起着核心作用【4】，它的利用率的高低直接关系开采的成本和效益。但据油田现状，对
电机功率的利用率很低，平均不超过30％。因此，抽油机的节能问题成为重中之重【5J。
9 N: Q' F+ r" G. _6 u+ W9 O$ Y油田野外生产作业，地域广阔，油井又通常比较分散，井与站、队之间的距离少则
6 v: k# _2 J% y* t9 {  r几公里，多则十几公里，给油井生产管理带来很大困难，而目前所使用的主要手段仍然
是通过人工巡井、手工抄表来强化油井管理【6】。人工巡井就存在着一些无法避免的局限
甚至缺陷：人工操作的稳定性和准确性较差，工作量大，条件差，投入成本过高，对突
' V' W* V+ U! x4 R8 [, K, C) z0 e2 a0 U发事件不能及时处理，数据采集不及时等。因此，需要设计一套油井系统效率的测试系
7 Y' l% S6 u/ L, K/ U' E统【『¨，对抽油机电机的电压、电流及功率因数进行数据采集并分析。
1．2发展现状及调研
) d* K8 o/ e4 [! \' H+ J# P/ u% v近年来，我国各油田的工作重心由‘‘产量型"向“经营型”转变嘲，如何降低成本、
4 i% Z/ U8 ^! U, F3 T节能降耗并创造更多的效益成为决策者们信奉的一种理念，各油田部门均在油井系统测
试技术上加大了研究力度。
: {/ C1 l8 Q3 s% j4 l* S: R目前，主要测量仪表有DzY-ⅡI便携式抽油机系统效率测试仪(上海华顺电子仪表
厂)、BCX综合测试仪(北京电子电器仪表厂)及三相有功电能表、动力仪、回声仪、数
字万用表、压力表、秒表等。
第一章前言
据统计，胜利油田和新疆等地油田多使用山东力创科技和北京枫火石油科技两家公
司的产品。据油田负责人介绍：此类产品性能较好、出错率相对较低；但价格昂贵、比
5 f* p  B9 I, k, C较笨重、携带不便。因此，课题组到两家公司进行了调研，据厂家介绍：开发初期，产
2 ^6 A# T$ p2 K" ]品简陋、功能简单、性能不够稳定，但经过多年的不断努力，现在的技术已趋成熟，产
: j2 {( u$ L  J; m% f品性能良好，但价格过高，普通的2到3万元左右，性能好的要10万元左右。
在国外，不断发展的新技术在油井测试中得到了应用，尤其是电子电气技术的迅速
/ G" E+ u5 V1 O* b发展，使油井测试技术呈多样性。
- R5 A4 E( Q. z& p2 r5 _潜油电泵工频控制系统不断融合先进电子电气技术，目前已经非常完善，测量和历
6 }1 s+ \7 @7 ?, Z8 S史记录功能越来越强大，不仅能够进行电压、电流的测量，还能进行功率因数和井下各
; N& r( z, t% Z2 |+ H种数据的测量，并且可实现在一定历史时期内电泵的操作情况和工作参数的历史记录【9J。
6 R' A- D: o5 g% O  K& V系统加装数据通讯接口，通过无线或有线通讯和上端计算机相连，使遥测遥控和集中自
动化管理成为可能。
随着传感技术的发展和用户需求的增加，国外近年出现了先进的多功能传感器，如：
% j7 f7 g! q2 e+ o) PPhoellix MultiSenSor。它能够对吸入口压力、排出口压力、吸入口温度、电机绕组温度、
( M5 P1 i! y. [* a排出口流量、功率因数、振动泄漏电流等参数进行实时测量，并具有很高的精度。传感
器配以功能强大的地面二次仪表，可以对井下机组运行和运转情况、油井参数进行全面
有效地监控，结合其它设备可实现系统闭环控制。在美国休斯敦Halliburcon的技术总部，
可以通过网络实时管理和监督在埃及和委内瑞拉等世界6个不同地区的钻井及测试工
作。实时钻井过程通过网络处理大量的数据，使得测量更加精确，钻井工艺更高效，通
过协同的钻井方案和交互钻井程序来提高钻井效率，从而获得最大的经济效益。采用这
+ n# G5 P  H" c) {+ \4 v3 N# m  J种钻井监控系统，实现多钻机成批的水平井钻井，用m(Loggmg W11ile—Dmlin曲uoJ
2 [! `5 o) q) t2 v, R和测量数据以实时方式接入地质模型，实时监测系统使得较全面地进行钻井决策得到贯
) l! W; l: ]4 v  f彻，地面和井下钻井参数的稳定监测，确保了钻井过程的稳定，钻井操作风险降低。
1 L9 h+ J3 ^6 k2 j3 a1．3研究内容、意义
目前，国内油井的测试工作仍是以人工巡井和手工抄表为主，而这种人工测试存在
8 Q/ j( T5 v7 Z( K以下缺点：随机性大，所测数据误差大；对于突发事件应变能力差；效率低、反馈慢；
工作量大，工作环境恶劣；成本高，效益低。
6 l( C; h6 o/ J/ b: j! f( k为解决上述人工操作的种种弊端，需设计一套油井效率测试系统。目前MCS．51单
9 b. Y: a  f, m* t7 s9 f- }7 L片机技术相对成熟【11】、应用范围广、通用性好、成本低，因此选其作为主控电路的核心
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中国石油大学(华东)硕士学位论文
部件。存储器拟采用大容量设计，以增加存储量。微软的Ⅵs砌B商c6．0语言是一个集
7 c9 o' b: [* x1 M应用程序开发、测试和纠错等功能于一体的开发系统，适合开发监测、监控系统，因此
单片机与计算机的通讯部分用VB编写。而系统所测数据，即油井系统效率是标明整个
抽油系统工况的重要参数，其中有功功率、无功功率和功率因数则说明所测抽油机系统
  ?! K6 }5 {* @% C& s7 {对整个供电系统的影响，对功率因数进行研究对提高抽油机井效率具有重要的现实意
义。提高功率因数，意义如下：提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常
条件下工作，有利于安全生产；可节约用电，降低生产成本，减少企业的电费开支；能
提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力；可减少线路的功率损失，提高
* u2 ~1 l( Y2 f  O/ c电网的输电效率【121。
1．4基本思路
/ w* d, h3 ~' `+ C& y- v系统基本设计思路：首先选择合适的电子芯片及相关元件；然后进行控制系统电路
设计和外围硬件电路设计；第三步采用汇编语言进行控制软件部分的程序编制；第四步
采用Visual BaLsic6．0语言编写人机界面；第五步利用protel99SE绘制电路原理图并购买
+ I# |/ m5 ], O/ x/ m% o元器件焊接电路板；第六步进行实验并调试。
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; ]) R+ b$ _) ^( ]第二章数据采集方案设计
2．1测试系统概述
第二章数据采集方案设计
. k) x% P; X( N‘ 测试系统由三个部分组成，分别是：数据采集部分、单片机控制电路部分、计算机
# p5 ]1 J8 V5 E. K" G9 v人机界面部分。
; B5 I& @+ P+ l8 ?" i' G其中单片机控制电路部分为整个测试仪的核心部分，单片机要实现对硬件电路的控
$ w! o" \- s! z6 R制。在主控电路板上，所有元件在允许范围内要排列紧密，减小电路板的面积，以期减
小测试仪的体积，使测试系统尽可能小型化。
; }% {% ~1 c2 ?( h单片机与计算机连接是通过串行通讯实现的。单片机和计算机两部分的串口是通过
/ N& A4 ]/ ^/ v9 d  w标准串行通讯协议连接起来，以供数据传输，而在计算机终端需要编写一个人机界面来
实现这一连接，这一界面用Ⅵs砌BaSic6．O程序语言来编写，最终的数据处理以及图形
显示都在这一界面里完成。
; D! j( R' J& Y  B2 O& ^数据采集部分负责将模拟信号采入，转换成较小模拟信号传送给控制电路。由于单
. j' H! y5 Z, t# Y片机需要的是数字信号，因此，所采数据还需经过A／D转换芯片的转换才能送给单片机。
# u* U% N8 V! m( a2．2数据采集方案
三相电路的功率计算与单相电路一样，分有功功率、无功功率和视在功率。三相有
功功率等于各相有功功率之和。对于不对称负载，需要分别计算出各相的电压、电流、
- y& V! B) I9 h! X* {6 c功率因数，方可得出总的有功功率。在对抽油机电机功率因数的测量中，一般认为电动
机为三相平衡对称负载，此时任意一相的功率因数就相当于三相的功率因数ll引。
; n/ r+ q" Y4 @  j+ D由于便携式仪器所使用的钳型传感器通常造价昂贵，本文以直流恒定电压源和直流
恒定电流源提供数据采集所需模拟电压和模拟电流信号，由于51单片机自身不提供～，D
转换功能，因此需扩展一片模数转换芯片，本文采用National Semiconductor公司的
ADC0809模数转换芯片，其参考信号为电压信号，所以采集电压时可以直接将信号送
: Y) d, W8 D" O4 I5 t给ADC0809的模拟输入通道【141，但电流信号不可以直接采集，需要将其转换为电压信
/ N6 B8 {, ?  G; t. ]" g5 N, A号采集。再由单片机控制ADC0809芯片将模拟电压、电流转换为数字量，并存入外部
% y3 Y/ C, T& c$ K0 Y$ I数据存储器中；将采集到的数据送入上位机，由VB6．O编写的数据处理软件进行处理，
0 @1 C3 v/ Y/ h2 q: k& K3 s绘制电压、电流曲线。
* U$ Z5 \. e, G) O7 k' A+ v* A* i- t
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