基于ATT7022 芯片的螺杆泵运行参数在线监测系统的设计

齐凤河，熊春宇，夏云波，崔 峰

(大庆师范学院 物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆163712)

0 引言

当前，在螺杆泵工况监测及生产故障判断的方法主要有生产动态参数经验判断法、螺杆泵转子受力测试法、驱动电机电参数检测诊断法等［1］。生产动态参数经验判断法简单易行，生产参数容易采集，缺点是不能做到定量分析，做出的判断不够准确;螺杆泵转子受力测试法，判断比较准确，但扭矩传感器的安装需要停机，影响生产。驱动电机电参数测试诊断法是一种新兴的定量诊断技术，它通过检测驱动螺杆泵电机的各项电参数，并结合电机的工作状况，通过建立数学模型利用微处理器可以得出螺杆泵的各种工况参数，从而对油井的工作状况进行监测。

1 系统原理

在驱动电机电参数测试诊断法基础上，利用TI 工业级微处理器结合ATT7022 电参数计量专用芯片为核心组成检测控制系统，对螺杆泵工作状况进行现场监测，实现对螺杆泵驱动电机的主要电气参数以及螺杆泵采油井的油压、套压、温度等流体参数的实时监测与采集，使监测控制系统能对断杆、卡泵、电源缺相等灾难性故障做出判断，及时断电停机，并通过无线通讯装置发出报警信号，使工作人员及时得到信息，快速处理，将故障损失降到最低。同时微处理器根据采集的驱动电机电参数中的有功功率和无功功率以及功率因数等参数进行计算分析，然后计算出所需补偿电容，驱动补偿电容柜，自动投入所需的补偿电容，提高电机功率因数，降低能耗，提高工作效率，系统原理框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制器的选择

单片机控制器是系统的核心，其主要功能是利用ATT7022 对螺杆泵驱动电机的三相电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参数以及螺杆泵采油井的油压、套压、温度等流体参数的实时监测与采集，并把数据存储在存储器中。控制器通过数据分析，对断杆、卡泵、电源缺相等灾难性故障做出判断，及时断电停机，并发出报警信号。因此需要一款性能稳定、能耗低微、扩展方便、通用性强的处理器，综合考虑各种处理器的利弊后，本系统采用的是美国德州仪器公司生产的MPS430 系列单片机。

2.2 电参数采集电路

电参数采样计量采用珠海力矩三相电能专用计量芯片ATT7022B，其内部框图如图2所示。ATT7022是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。它内部集成了六路二阶的sigma-delta 模数转换器、基准参考电压电路、各种功率检测、消耗能量、交流电有效值、系统功率因数以及频率测量等数字信号处理电路。它不仅能够测量各单相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压的有效值，系统功率因数、相位角、频率等参数，充分满足三相电力系统电气参数检测的需求。另外还支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表;有功、无功电能脉冲输出，提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。可以对基波有功、无功功率进行测量，提供两类视在能量输出，RMS 视在能量以及PQS 视在能量，提供一个标准SPI 接口，方便与外部微处理器之间进行计量参数以及校表参数的传递［2］。

图1 系统原理框图

图2 ATT7022 内部原理图

2.3 数据存储电路

数据存储电路主控芯片选用南京沁恒CH375B。CH375B 是一款基于USB 总线协议的通用接口芯片，支持USB 主机方式和USB-DEVICE 设备方式。在设备方式时CH375B 具有8 位并行数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP 等控制器的系统总线上。在主机方式下，CH375B 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机等相连接，支持12Mbps 全速USB 设备和1.5Mbps 低速设备。CH375B 内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备，最大存储量可达100G。同时它支持5V 电源电压和3.3V 电源电压，有低功耗模式，方便与各种处理器连接。

2.4 无功补偿电路

检测控制系统的MSP430 处理器通过对ATT7022B 传输来的相关数据进行分析、判断并确定是否进行无功补偿，当系统的功率因数小于设定值时，给出指令，通过补偿电容器的投切来提高功率因数。

功率因数补偿电容的投切方式有很多种:普通交流接触器式、晶闸管过零触发式、专用同步开关式等。用交流接触器式有触点开关进行投切补偿时，投切开关动作较频繁，触点易产生电弧烧毁;用专用同步开关可以解决这个问题，但成本太高。晶闸管式成本低、无触点，但由于电容器两端电压不能突变，当电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，必须在晶闸管两端电压为零时刻投切，故本控制器选用的是Motorola 公司的过零触发控制芯片MOC3061［4］，其外部接线如图3所示。

3 系统软件设计

功能主要分为五大部分:螺杆泵运行参数采集、主要参数数据显示、数据存储、硬性故障监测、电机无功补偿。软件的主程序流程图如图4所示。

系统初始化主要是检测控制系统处理器和ATT7022B 的初始化。其中，ATT7022B 初始化实际上是系统校准，过程包括相位补偿设置、功率增益设定、电源相位校正、额定启动电流设置等。

图3 MOC3061 外部接线图

硬性故障判断首先分析电网是否过压和欠压，在保证电压稳定的前提下，分析电机电流参数和油压、套压、温度等流体参数，对断杆、卡泵、电源缺相等灾难性故障及时做出判断，及时断电停机，并发出报警信号。

4 结束语

针对现有的螺杆泵工况监测及生产故障判断的方法，设计了一种基于TI 工业处理器为基础的螺杆泵电机工况监测及故障智能诊断系统。以德州仪器公司MSP430 工业级微处理器和珠海炬力ATT7022 三相电能专用计量芯片为核心组成现场检测监控系统，实现对螺杆泵驱动电机的三相交流电压、各相电流、电网频率、系统有功功率、系统无功功率、功率因数等电参数以及螺杆泵采油井的油压、套压、温度等流体参数的实时监测与采集，然后利用TI 微处理器对采集的数据进行实时分析，判断螺杆泵断杆、卡泵、电源缺相等灾难性故障，及时停机报警;根据无功功率数据的分析自动进行无功功率补偿装置的投切，实现自动无功补偿。该系统可不上作业，不影响生产，快速准确地测出螺杆泵井运行的电参数和热工参数，快速的对极限故障进行停机保护处理并报警;对螺杆泵电机进行无功功率补偿，提高电机工作效率。为螺杆泵井安全长效运行提供了强有力的监测手段，对提高螺杆泵采油系统效率、节能降耗具有重要的理论意义和应用价值。

图4 控制软件流程图

［1］王欢，魏显峰，李云飞，等.螺杆泵井电功法扭矩监测技术研究［J］.油气田地面工程，2008(1):29-30.

［2］徐军，赵飞雪，张飞剑，等.嵌入式螺杆泵工况监测系统［J］.控制工程，2010，17(4):557-560.

［3］翁薇，朱志杰，陈俊杰，等.基于ATmega128 和ATT7022B 的低压无功补偿控制器的设计［J］.低压电器，2009，21:30-33.