基于嵌入式處理器STM32的抽油機井實(shí)時(shí)監控系統設計

抽油機井大多都分布在地理位置偏遠、環(huán)境惡劣的地區，給工作人員對抽油機井的管理與維護工作造成困難。隨著(zhù)信息技術(shù)在石油工業(yè)領(lǐng)域的大量應用，抽油機井的實(shí)時(shí)監控系統大大改善了這一現狀。采用低成本、高性能、低功耗的微控制器以及無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)來(lái)研制抽油機井實(shí)時(shí)監控系統，可以使系統具有更佳的性能。該系統能夠讓原油的開(kāi)采更加便捷安全和穩定高效。本系統能夠實(shí)時(shí)地反應抽油機井的工作狀況，及時(shí)發(fā)現并解決抽油機井在工作中出現的故障。采用該系統，可以有效提高設備的可靠性、減輕工作人員的工作量、降低采油成本，極大地提高了生產(chǎn)效率。

1 總體方案設計

系統總體結構如圖1所示，由6部分組成：現場(chǎng)傳感器(壓力傳感器、溫度傳感器等)、傳感器信號采集板、互感器模塊、電量參數采集板、示功圖采集模塊、ZigBee通信模塊和上位機。

油壓、油溫、示功圖以及電機的電力參數是抽油機井工作的重要參數，是抽油機井工況判斷的依據?，F場(chǎng)傳感器將油溫、油壓等物理量轉換成4～20 mA的電流信號后，輸出給傳感器信號采集板。示功圖采集模塊內部有加速度傳感器和負荷傳感器，采集的數據通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)方式，發(fā)送到傳感器信號采集板。信號采集板通過(guò)繼電器來(lái)控制抽油機啟停。三相電壓電流經(jīng)過(guò)電壓互感器模塊后，由電量采集模塊來(lái)采集。上位機使用Modbus通信協(xié)議，采用RS485總線(xiàn)與電量采集板和傳感器信號采集板進(jìn)行通信，以獲取采集的數據和發(fā)送控制命令。Modbus是工業(yè)控制系統通信中最普遍的協(xié)議，它具有兼容性好，可靠性高等優(yōu)勢。上位機軟件能夠顯示電量參數、各個(gè)傳感器的數據以及示功圖;更改采集參數和控制抽油機的啟停。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片選型

主控芯片選擇嵌入式處理器STM32F103RC，這是一款Cortex M3內核的32位單片機，有48KB SRAM、256KBFLASH，片上集成6個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位ADC、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口等豐富的外設，主頻最快可以達到72 MHz。相比于其他的單片機，STM32系列具有更強大的運算處理能力，更快的速度，使用起來(lái)更加靈活方便。

2.2 傳感器信號采集板

圖2為傳感器信號采集板框圖，由電源電路、信號調理電路、STM32及其外圍電路、繼電器及其驅動(dòng)電路、RS485以及RS232通信接口電路組成。

由于現場(chǎng)的環(huán)境惡劣，在傳感器調理電路前端增加了起限流保護作用的保險絲，以及起靜電保護作用的TVS管。采樣電阻將傳感器輸出的4～20 mA的標準電流信號轉換成STM32內部AD可以采集的電壓信號。

開(kāi)關(guān)信號的調理電路與電流信號調理電路相似，采用光耦隔離進(jìn)行電壓隔離保護，同時(shí)將外部開(kāi)關(guān)信號的電壓轉換為芯片內部可以測量的電壓。

圖3為STM32電路原理圖，包括：復位電路、供電電路、啟動(dòng)模式選擇電路、濾波電容等。PA4(20)、PA5(21)為引腳為內部ADC的輸人通道。PC10(51)、PC11(52)引腳為內部USART4的輸入輸出通道，用來(lái)實(shí)現RS485通信。PC12(53)、PD2(54)引腳為內部USART5的輸入輸出通道，用來(lái)實(shí)現與ZigBee通信模塊之間的RS232通信。PC14(3)、PC15(4)引腳用來(lái)輸出開(kāi)關(guān)信號。

采用繼電器來(lái)控制抽油機啟停，其驅動(dòng)電路如圖4所示。STM32的IO引腳與PNP型三極管的集電極相連。以增加STM32的電流驅動(dòng)能力。

2.3 三相電壓電流轉換板

電壓電流轉換板由電壓互感器與電流采樣電路組成。電流采樣電路通過(guò)一個(gè)采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號?；ジ衅髂軌蚱鸬浇祲阂约案綦x保護的作用。電機的交流電信號通過(guò)它的初級輸入，進(jìn)行電壓變換后，由次級輸出芯片能夠測量的電壓。電流則通過(guò)采樣電阻轉換成電壓信號。

2.4 電量參數采集板

電量采集板同樣采用STM32作為主控芯片，使用CS5463專(zhuān)用電量測量芯片分別測量三相的電量參數，使用RS485通信接口與上位機通信。其結構框圖如圖5所示。

CS5463是美國CirrusLogic公司新近推出的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片?？梢詼y量瞬時(shí)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因數等。其電路原理圖如圖6所示。

電量參數采集板上配備了三塊CS5463，分別來(lái)采集三相電壓電流。通過(guò)SPI方式與STM32通信，一個(gè)CS5463內部包含有兩個(gè)ADC，分別采集電壓與電流。

2.5 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊由CC2430及其外圍電路、RS232通信接口電路、收發(fā)天線(xiàn)組成。該模塊由兩節5 V電池供電。具有小巧靈活等特點(diǎn)。CC24 30是一款TI公司生產(chǎn)的SOC芯片，CC2430芯片內部包含了一個(gè)DSSS無(wú)線(xiàn)射頻前端，用于發(fā)送和接收無(wú)線(xiàn)射頻信號。為了更加方便的實(shí)現Z-Sta ck協(xié)議棧，在片內集成了一個(gè)8位的8051內核。

2.6 示功圖采集模塊

示功圖采集模塊采用電池供電，安裝在抽油機連接桿上。內部包含一個(gè)加速度傳感器和一個(gè)負荷傳感器，將加速度信號進(jìn)行二次積分得到位移，負荷傳感器的信號即為載荷，定時(shí)將測得的數據通過(guò)ZigBee方式發(fā)送出去。

3 系統軟件設計