一种带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器

技术领域

本发明涉及石油开采装置及安全防护技术领域，特别涉及一种带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器。

背景技术

油田开发后期，开采方式进入机械采油阶段，因此游梁式抽油机在各大油田得到最广泛的应用，随着提高抽油机效率及抽油工况实时监测需求的提出及油田ZIGBEE网络及SCADA系统的日臻完善，无线功图采集器近年逐步取代了老式载荷传感器加拉线位移传感器构成的功图采集器，能够实时采集功图并按照指令上传。

毛辫子作为将驴头的旋转运动转换成抽油光杆直线运动动力的柔性配件，在设备运转过程中起到重要作用。毛辫子长期带动着整个抽油杆柱及抽油泵上液柱做上下往复运动，负荷重且是交替变化的，与驴头之间还有摩擦、弯曲等动作，且长期经受雨雪风霜侵蚀，这些很容易导致毛辫子疲劳、磨损、生锈导致起刺甚至断股。毛辫子断股后会导致悬绳器倾斜，如发现不及时，让抽油机继续运转，会造成光杆拉弯甚至断裂，增加设备维护费用，若光杆断裂，下端会掉入油井中，井口密封失效，则原油会反喷污染环境，且维修还需要捞光杆，大大增加了维护工作量及工作难度。

因此，需要一种能对毛辫子断股进行实时监控，并可在发生断股后，向远程监控中心发出报警的装置，以便及时停抽与维护。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种解决上述技术问题的带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器，将断股监控功能加入无线功图采集器中，实现了毛辫子断股监测与功图采集实时进行，并在判断毛辫子断股后及时通过现场ZIGBEE网络上传断股预警信息，并由采油管理区监控中心确认后，通过ZIGBEE网络下达停抽指令，及时自动切断该事故隐患抽油机工作电源，使得抽油机停止抽油并在隐患排除前，在远程监控屏持续显示断股停机提示，提醒值班人员及时处置与维护。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明实施例提供一种带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器，包括：载荷传感器及监控主机；

其中，所述监控主机包括主控芯片和与所述主控芯片连接的姿态传感模块、ZIGBEE模块、扩展外部存储芯片、载荷信号调理电路、电池及受主控芯片控制的电源转换模块；

所述载荷传感器与所述载荷信号调理电路连接；

所述监控主机整体置于耐候的盒体内并与所述载荷传感器连成一体。

进一步地，所述主控芯片采用

进一步地，所述扩展外部存储芯片包括2KB的I

进一步地，所述姿态传感模块用于输出3个各轴向加速度及3个轴旋转角度；

所述姿态传感模块在悬绳器上安装固定后，有任意2轴处于水平状态，且其中1轴与毛辫子所在平面平行。

进一步地，所述载荷信号调理电路通过接插件S1输入载荷传感器信号并进行放大调理后输入主控芯片进行A/D转换，得到数字化载荷数据便于保存；

所述载荷信号调理电路的放大芯片为AD620。

进一步地，所述电池为7.2V大容量锂电池；

所述电源转换模块采用可程控低功耗管理的低压差稳压器以及低功耗芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器，是对现有无线功图采集器功能的扩展，通过姿态传感模块增加了无线功图采集器水平姿态的监测并上传，从而由主控芯片判断毛辫子断股并报警提示，便于监控人员及时发指令切断该事故隐患抽油机工作电源，使得抽油机停止抽油，有效遏制了生产事故的进一步发展，避免了损失扩大。

附图说明

图1为本发明实施例提供的带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器的结构框图。

图3为实施例1的监控主机的电路原理图。

图4为本发明实施例提供的带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器的电源电路原理图。

图5为实施例2的监控主机的电路原理图。

其中，1、载荷传感器；2、监控主机。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例公开了一种带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器，参见图1所示，由载荷传感器1及监控主机2结合构成。该载荷传感器1为机电一体化传感器，其结构适用于安装与固定整个无线功图采集器在抽油机悬绳器上，承载光杆载荷并输出光杆载荷信号给监控主机2。载荷传感器1在现场安装与固定时，若悬绳器上表面偏离水平面，应采用在载荷传感器偏低一侧底部加钢质垫片方式，使无线功图采集器(更确切地说是监控主机内部陀螺仪芯片)基本处于水平状态，比如：使监测到无线功图采集器与水平面的倾斜角度小于±1°即可。

参见图1与图2，该监控主机2整体置于与载荷传感器1连成一体的耐候塑料盒体内，其电路组成包括主控芯片和与其有信号连接的姿态传感模块、ZIGBEE模块、扩展外部存储芯片、载荷信号调理电路、电池及受主控芯片节能控制的电源转换模块。

上述监控主机2则承担悬绳器加速度与倾斜角度的采集、载荷信号的A/D转换、位移的计算、断股的预警以及数据的存储、联网通信等功能。

进一步地，参见图3，上述主控芯片所用MCU为

图3中，姿态传感模块，选用可输出3个正交轴向加速度值及3个正交轴旋转角度的已市场化的模块，优选但不限于JY60姿态角度传感器模块，该模块自带解算模块，可直接与MCU连接按固定波特率的进行串行通信，输出X、Y、Z轴加速度及X、Y、Z轴角度，采用该模块可简化开发过程。本实施例中，设计与安装保证该模块处于水平状态，由于抽油杆是垂直运动，故只需要利用Z轴加速度数据及X轴或Y轴倾角数据即可。具体地，该姿态传感器模块在无线功图采集器安装固定在悬绳器上时，有2个轴比如X与Y轴处于水平状态，且其中1个轴比如X轴与毛辫子所在平面平行。计算时：主控芯片利用Z轴加速度采用双重积分算法可得出个采样点的位移，角度则直接读取即可。主控芯片通过姿态传感器模块不仅采集竖直方向加速度，还采集悬绳器的水平倾角，并通过倾角的显著变化判定毛辫子是否断股；具体的判定过程，通过倾角阈值进行判断，本公开实施例对此不做限定。

如图3所示，JY60姿态角度传感器的VCC端接VCC，Rx端接主控芯片的PB6引脚，Tx端接主控芯片的PB7引脚。

上述扩展外部存储芯片包括2KB的I

参见图3，信号调理电路通过接插件S1输入载荷传感器信号并进行放大调理后输入MCU进行A/D转换，得到数字化载荷数据便于保存，该电路放大芯片优选但不限于AD620。该信号调理电路与主控芯片的AD2引脚23连接。

参见图4，展示了三种低压差稳压器电路，分别为U6(TC1017)、U7(MCP1702-50)和U8(MCP1702)。本无线功图采集器采用7.2V大容量锂电池供电，采用可程控低功耗管理的低压差稳压器以及低功耗芯片，只有需要该模块工作时，才开启稳压器，以达到省电目的，保证一副电池正常使用寿命在6个月以上。

需要说明的是，按照用户要求，由于功图数据采集上传是收到上传指令才进行的，且由于载荷大小周期性变化的毛辫子伸缩难免有晃动，为了保证毛辫子断股预警的及时性及避免误预警，在手机调试软件开发时，在安装好后，比如，开启抽油机运行至少5个周期，每个周期抽取10点的个水平倾角α，进行α平均值与标准偏差计算，以α平均值加减3倍标准差得到报警上下阈值。

本无线功图采集器可设计为，在抽油过程中，当偶然采集到的倾角大于报警阈值时，再经过一个周期验证，才确认倾角异常及时唤醒ZIGBEE模块来上传倾角数据及预警标志。远程监控发出预警，经监控人员确认后，通过油田已有的SCADA系统远程下达对应油井抽油机停抽指令，使抽油机断电停抽。

作为另外一种实施例，本发明也可以直接采用适当的运动处理传感器来取代前述实施例中的JY60姿态传感器模块，优选但不限于MPU6050(6轴运动处理传感器)。MPU6050内部集成了3轴微机电系统(MEMS)陀螺仪、3轴微机电系统加速度计，数字运动处理器(DMP)及3个16位A/D转换器等，MCU可通过I

本发明提供的一种带有毛辫子断股监控功能的无线功图采集器，可与相应的单片机软件结合(为现有技术)，并通过开发的手机调试软件以及对远程监控软件的功能模块扩展，可实现以下功能：(其中，涉及的软件程序皆可采用现有技术中的相关软件)

一、在抽油过程中，定时与定频采集绘制抽油机示功图所需时间序列的瞬时载荷、姿态传感模块的加速度数据，对加速度双重积分得出每一载荷所对应位移，储存各载荷与位移数据对。

二、在现场安装调试无线功图采集器时，可用装有调试软件的智能手机通过携带的ZIGBEE/WIFI转换器接收并显示当前倾角，可方便现场安装时的静态水平倾角调校。调好后，开启抽油机运行至少5个周期，每个周期抽取10点的个水平倾角α，进行α平均值与标准偏差计算，以α平均值加减3倍标准差得到报警上下阈值。在抽油过程中，当偶然采集到的倾角大于报警阈值时，再经过一个周期验证后，及时传送角度数据并发出断股报警提示，在监控人员确认后，通过油田已有的SCADA系统远程下达对应油井抽油机停抽指令，使抽油机断电停抽。

三、无线功图采集器接收监控软件(SCADA系统)下达的上传数据指令后，将最新已采集到的一个周期的载荷、位移数据及当前倾角数据打包，通过ZIGBEE网络上传到服务器。

为了远程实时监控毛辫子断股，需要对SCADA系统监控软件进行扩展，在显示界面添加每台抽油机悬绳器角度显示窗口，并在毛辫子断股后，窗口变红并让监控器发出声音预警。通过对无线功图采集器水平倾角监测，实现了毛辫子断股预警，并在远程监控人员确认后，发出停抽命令，因而，扩展了无线功图采集器的功能，增强采油作业设备安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。