摘 要：抽油机长期运行可能会出现各处齿轮啮合程度不好， 机械部件磨损较大， 造成大量能量消耗。保证抽油机系统高效运行是油田节能降耗的关键。研制一种以STM32处理器和三相电能计量芯片ATT7026为核心的抽油机系统效率分析系统， 实时监测抽油机系统运行状态， 达到及早发现、及早处理、降低损耗等效果。本设计用高精度三相电能计量芯片ATT7026对抽油机电机三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、功率因数等参数进行采集， 用无线DTU （Data Termanit Unit） 模块将存储在分析仪的数据发送到PC终端上。通过对抽油机电机运行参数的数据分析实现对抽油机系统效率的分析。实际测试表明， 系统具有高精度、良好的稳定性和操作简单等特点。
关键词：抽油机； 效率分析； 电能计量； ATT7026; STM32;
Abstract: Long term operation of the pumping unit may result in poor gear meshing and large mechanical parts wear, resulting in a large amount of energy consumption.It is key to ensuring the efficient operation of the pumping unit system to save energy and reduce the consumption of the oil field.This paper develops an efficiency analysis of pumping unit system based on STM32 processor and three-phase power metering chip ATT7026.It can monitor the running state of pumping units in real time, and achieve early detection, early treatment and loss reduction.The design uses high-precision three-phase electric energy metering chip ATT7026 to collect the three phase voltage, three-phase current, three-phase active power, three-phase reactive power, power factor, and other parameters of the motor, The data stored in the analyzer is sent to PC terminal with the wireless DTU （Data Termanit Unit） module.Through the analysis of the data of pumping unit motor operation parameters for pumping unit system efficiency analysis, the actual test shows that the system has the characteristics of high precision, good stability and simple operation.
Keyword: pumping unit; efficiency analysis; electric energy metering; ATT7026; STM32;
抽油机系统效率分析仪是在消化和吸收国内外同类先进产品的基础上， 根据我国目前油田对抽油机的运行和监控要求而设计， 对抽油机整体系统效率分析提供原始数据支撑。抽油机系统的年耗电量已经成为油田生产系统中重点关心的问题， 提高抽油机系统效率是节能降耗的关键[1-2].对抽油机电能消耗的检测分析， 主要是对抽油机电机电压、电流、功率等参数的检测， 能及时发现抽油机是否工作在正常状态， 通过长期对抽油机电机历史参数数据进行分析， 可以反映抽油机传动能量、电动机能量的消耗程度。本文将基于STM32和ATT7026实现抽油机系统效率分析。
1、 系统设计
抽油机系统效率分析仪的系统整体应用框图如图1所示。系统主要由系统效率分析仪和PC终端组成。系统效率分析仪安装到抽油机设备上， 完成对抽油机电机三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、三相有功电能、三相无功电能等参数测量计算， 并把这些数据存储在系统效率分析仪的TF卡中[3-4], PC终端通过无线DTU读取抽油机系统效率分析仪的历史数据， 也可以实时查看当前数据。
图1 整体设计方案
系统效率分析仪测量参数的准确性是整个系统的关键指标， 抽油机系统效率分析仪依据测量和如下几个公式计算相应参数：
电压有效值：
电流有效值：
单相有功平均功率：
单相无功平均功率：
视载功率：
有功能量：
无功能量：
式中：u （t） , i （t） , uq （t） 分别是电压、电流、电压经过希尔伯特数字滤波器移相90°的采样值。T为采样周期[5-6].
2、 电路设计
2.1、 抽油机系统效率分析仪结构框图
抽油机系统效率分析仪主要由传感器单元、电能计量单元、AC/DC电源转换模块、主控制器STM32、时钟电路模块、存储器模块和DTU无线通信模块等组成， 其电路原理如图2所示。其中， 传感器单元电路主要是电压互感器和电流互感器， 电能计量单元采用电能计量芯片ATT7026, 该计量芯片通过简单的外围电路和寄存器配置就可完成抽油机主要电能参数的准确测量。主控制器采用ST公司的以Cortex-M3为内核STM32F103系列微处理器， 主要完成读取ATT7026采集的抽油机参数、实现DTU模块和PC终端通信， 并采用FATFS文件系统把测得的数据按时间存储在TF卡内。时钟模块采用Maxim公司的DS3232时钟芯片。
图2 电路原理
2.2、 抽油机电能测量单元电路设计
抽油机电能测量电路主要应用电能计量芯片ATT7026, 加上电流、电压模拟转换电路完成设计。ATT7026是一个高精度的三相电能计量芯片， 可以适用于三相三线制和三相四线制应用， 其内部集成了6路二阶sigma-delta ADC、模拟参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数、频率信号处理等电路。电能测量电路原理如图3所示。
ATT7026内部集成的6路ADC采用双端差分信号输入， 最大输入电压范围为±1.0 V.在通常应用中， 电压测量通道的输入电压控制在0.5V, 电流测量通道控制在0.1V.为了满足ATT7026模拟测量电路的电压输入范围， 必须先将抽油机电力信号经过电压互感器和电流互感器隔离转换成低电压、微电流， 在经过抗混叠滤波器滤波处理后接入ATT7026中。ATT7026通过串行通信接口SPI和微控制器通信， ATT7026的SPI接口工作在从机模式， 为了提高通信的抗干扰能力， 可在SPI信号线上串联10~100Ω的电阻[7-13].
2.3、 抽油机系统效率分析仪时钟电路设计
为了使抽油机系统效率分析仪能够长期准确地记录历史数据， 时钟模块采用Maxim公司的超高精度DS3232带温度补偿的时钟芯片。内置精度极高的温度补偿实时时钟RTC以及256字节的电池备份SRAM.内置的集成晶振即能保证时钟长期精度， 又能减少外围的器件数量， DS3232时钟芯片工业级温度范围为-40°~+85°， 使抽油机系统效率分析仪在室外恶劣条件下能保证时间长期准确。DS3232除了记录基本的计数秒、分、时、星期、日期、月份和年份信息， 还能对少于31d的月份、月末日期自动调整， 同时对闰年有修正功能。其外围电路如图4所示。
图3 电能测量电路原理
图4 时钟电路
3、 软件设计
3.1、 应用FATFS文件系统实现数据存储
抽油机系统效率分析仪利用FATFS文件系统实现了历史数据的存储和管理， 由于抽油机系统效率分析仪需要长时间稳定工作， 存储的数据又非常多， 利用常规的Flash储存芯片直接存储会给以后的数据查看和数据分析带来很大麻烦。FATFS是一款易于移植和使用， 并且占用硬件资源相对较小的FAT开源文件系统， 非常适合运行在资源相对很小的微处理器中。对FATFS的使用和移植， 只需要关心FATFS的应用层和底层IO驱动。对于底层IO驱动， 抽油机系统效率分析仪的TF卡和微处理器通过SPI接口通信， 简单修改FATFS与硬件I/O的接口diskio.c文件即可完成移植[14-15].
3.2、 抽油机系统效率分析仪系统软件设计
抽油机系统效率分析仪采用ARM公司的Real View MDK集成开发环境进行软件设计， 主要采用C语言进行模块化设计， 程序首先对ATT7026初始化， 完成ATT7026数字校表和配置， 之后循环查询是否有DTU无线数据命令请求， 若有命令请求， 进入数据传输模式， 否则进行参数采样和存储。整体流程如图5所示。
图5 软件整体流程
4、 结束语
本设计从硬件和软件两个方面， 介绍以STM32为微控制器核心， 利用电能计量芯片ATT7026进行电机参数采集的抽油机系统效率分析仪应用解决方案。基于上述系统设计， 解决了常规模拟电路可靠性差、软件计算工作量大等问题， 同时又能保证超高的精度， 提高采样速度， 实现对抽油机工作状态的实时监测和分析， 实际运行切实可行。
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