基于PC/104架构的嵌入式电泵井振动检测仪的研制

　　0　引言

　　潜油电泵采油技术在油田开发后期是保证原油高产、稳产的重要技术之一。当前我国电泵井的日常维护工作是由工人定时检查设备运行情况,通过测量、 统计数据来完成的。这些日常生产数据,如电流、电压等,对分析机组的运行状况和故障判断起着极其重要的作用。但是,由于电泵井的分布较为广泛,外界环境较 为复杂,潜油电泵工作电压高(一般为2000V左右)、电流大,使得人工测量较为困难。在实地考察和实验论证的基础上,我们提出了利用电泵井振动信号的特 点,分析研究潜油电泵运行状况的方法。该方法避开了直接测量高电压、大电流,是一种新型、实用的分析方法。为了检测泵井的振动情况,我们设计了基于嵌入式 系统的电泵井振动信号检测仪。

　　1　硬件系统组成

　　检测仪的硬件由三部分组成:传感器、PC104主控制器和操作室的工控机。传感器部分安装在电泵井的上面,负责检测振动信号;PC104完成数 据的采集、计算和处理,最后通过无线模块将电泵井的工作情况传送给操作室工控机,工控机上运行的程序能够进行实时的监测。系统组成框图如图1所示。

　　1.1　PC104应用系统的组成

　　PC104是近年来发展起来的新型嵌入式计算机系统,广泛应用于各种工业控制领域中。它主要包括CPU、内存、串行口、并行口、104总线、硬 盘、光盘接口、CF卡接口以及CRT/LCD显示接口等。它支持通过光盘接口将操作系统(如Windows98)安装在硬盘或者电子盘中,从而既能实现数 据的实时采集,又能同时完成复杂的计算任务,还可以方便的进行高级语言编程[2]。另外,由于PC104特殊的总线连接方式,使其有良好的防尘、防震性能 和低功耗的特点,这对于恶劣环境下的电泵井振动检测是非常重要的。

　　在本系统的设计中, PC104的CPU主频为500MHz,内存256M,在CF卡中安装Windows98操作系统,用来进行数据的采集、处理和计算。外设扩展了一个串行口,与无限模块进行连接,负责与操作室工控机进行通信。

　　数据采集模块选用PM515型专用104总线数据采集卡,它支持32路单端AD输入,32路数字IO接口,内部集成了3路16位计数器 8254。通过合理的设置,可以通过定时方式触发AD转换,从而精确的控制AD的采样间隔,有利于数据的分析计算。AD转换结束后也可以向操作系统出发中 断信号,便于实现实时的数据采集。

　　1.2　三维加速度传感器

　　泵井的振动信号非常近似于弹簧振动,其在三个维度上受到的力分别为:Fx=kx;Fy=ky;Fz=kz(k为弹力系数;x、y、z为振动的位 移;F为受到的弹力)。又因为: Fx=max; Fy=may; Fz=maz。也就是说在某一方向上受到的振动弹力和加速度成正比。因此我们可以通过测量在任意时刻电泵的加速度来(ax、ay、az)来描述电泵的振动 情况(x、y、z)。当加速度传感器与被测对象紧紧固定在一起时,彼此之间不发生相对运动,则传感器的加速度与电泵的振动位移成正比。