^m m m m 2021年第04期(总第220期）
基于电参数转示功图技术系统设计及应用
梁毅1_2，甘庆明“2，赵春1•%雷宇“2
(1.低渗透油气田勘探开发国家工程试验室;2.长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018)
摘要：针对抽油机受周期性交变载荷，容易造成载荷传感器漂移、失真等问题，导致影响工况诊断结果，基于三相电参数 反演示功图深度学习模型，固化在相应的计算模块中，并将其内嵌在设备中，并研发了三相电参采集、功率计算、深度学 习模型系统集成、数据传输功能等模块，设计了一种基于电参数转示功图的设备。现场试验表明，电参数转示功图技术 终端设备提高了示功图预测精度，可以逐步替换载荷传感器，实现无传感器低成本、高效率的油井数字化管理。 关键词：抽油机；载荷传感器；电参数；示功图
氮气压力表中图分类号:TE933.1 文献标识码:B文章编号:2096-9759(2021 )04-0094-04
Design and application of indicator diagram technology system based on electrical parameters
Liang Yi1,2, Gan Qing Mingu, Zhao Chunu, Lei Yuu
(1.National Engineering Laboratory for Exploration and Development o f Low-Penneability O il and Gas Fields Shanxi Xian,
2.Gas Technology Research Institute o f Changqing oilfield company,Shanxi Xian)
Abstract：In view o f the problems o f load sensor d rift and distortion easily caused by pumping unit subjected to periodic alternating load,which w ill affect the working condition diagnosis results,based on the three-phase electrical parameters inverse demonstration power diagram deep learning model,solidified in the corresponding calculation module,and embedded in the equipment,and developed three-phase electrical parameter acquisition,power calculation,deep learning model system integration,data transmission power In this paper,a kind o f device is designed based on the conversion o f electrical parameters to indicator diagram.The field test shows that the terminal equipment o f electric parameter conversion indicator diagram technology improves the accuracy o f indicator diagram prediction,and can gradually replace the load sensor,so as to realize low-cost and high-efficiency digital management o f o il wells w ithout sensors.
Keywords：O il pumping machine;Load cell;Electrical parameters;Indicator diagram
〇引言
通过抽油机示功图可分析油井工作状态，判断油井故障，目前抽油机井示功图通过位移传感器，同电参数据一并传到 后台，后台服务利用数学模型分析计算，这种传统的方法存在 成本高、数据易漂移失真等问题，造成不能准确的分析油井状 况，如何实现后端诊断向前端诊断转移、提高示功图预测精度 与降低成本就显的非常重要。
实现前端诊断功能需要前端强大的数据采集、运算能力 以及对智能算法的高效管理能力。近年来，随着移动互联网 的迅猛发展，嵌入技术日渐普及，在通讯、网络、工控、医疗、电子等领域发挥着越来越重要的作用。电参数是油井最基本的 运行参数，具有普及率高、采集成本低、数据稳定等优点，本文 选择高性能嵌入式平台，实时高速采集电参信号，并通过边缘 计算内的容器管理技术，对电参数据进行诊断分析，通过边缘 计算装置与智能诊断方法，研发出实现低成本、高可靠的电参 数转示功图设备。 1系统设计
U系统架构
整个系统的控制功能整体边缘计算架构由高速采集单片 机与高性能A R M平台，以及用于数据交互的总线部分组成。系统中单片机负责电参采集的及计算并将数据存储，数据总 线数模隔离避免电源、电磁之间的相互干扰与影响，高性能A R M提供A I计算能力构建容器与数据库A I能力，实现弹性 管理、
诊断分析等功能，以及边缘计算平台的运维管理服务。
1.1.1边缘计算
边缘计算指以网络的“边缘”为界的算法，比如在智能网 关和摄像机内部进行计算。不过将这些设备收集的全部数权 据进行存储或是用于计算并不现实，其中的干扰信息或者冗 余信息太多，倘若处理不当还会使处理效果适得其反。边缘 计算能很好地处理感兴趣的目标数据。另外，与云计算相比，边缘计算还可以减少对网络流量的阻塞，为更多关键任务的 执行“留有余地”。边缘计算一体机具备连接前端各种传感器, 适配各种通信协议、在本地做数据A I分析计算、绘制功图等 功能。同时提供了对数据采集模块的远程控制、远程配置、远 程算法更新下发等服务。边缘计算一体机既可以支持典型的 应用架构，也提供了标准的本地A P I服务，支持特殊场景。1.1.2模拟数字电路相互独立设计架构
模拟电路是指用来对模拟信号进行传输、变换、处理、放 大、测量和显示等工作的电路，模拟信号是指连续变化的电信 号。模拟电路是电子电路的基础，它主要包括放大电路、信号 运算和处理电路、振荡电路、调制和解调电路及电源等。
模拟信号是在时间和取值上具有连续性的信号，自然界 中的信号一般都是模拟信号，数字信号是在取值上离散的信 号。早期我们的信息处理技术和电子科学技术都是利用电路 对自然界的模拟信号直接进行处理，自然界中本身存在的符
收稿日期=2021-02-23
作者简介：梁毅(1982-)，男，四川自贡人，硕士研宄生，现为长庆油田油气工艺研宄院采油高级工程师，主要研宄方向为采油工程。
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合定义的数字信号是极少的。护的高效、方便。
1.1.3基于边缘计算技术设计软件架构
边缘计算前面已经介绍了，下面是边缘计算在软件方面的架构。边缘计算的核心是在靠近数据源或物的一侧提供计算、存储和应用服务。边缘计算最终实现可以是设备本身，也可以是临界点网关、路由器等，可以把边缘计算称之为物理世界与虛拟世界的连接枢纽站。因此，如何在动态的网络拓扑中对计算任务进行分配和调度是值得研究的问题。边缘计算层通过合理部署和调配网络边缘侧的计算和存储能力，实现基础服务响应。
在应用层软件设计，目的是实现各功能APP模块。在框架层软件设计是为了完成各框架软件的构建与优化软件设计。弹性管理软件设计是基于容器技术实现嵌入资源的弹性管理。而边缘计算支撑软件设则是总线通信接口方面的软件设计。
该系统架构由三部分组成：采集采集单元、边缘计算数据处理单元、适配性通信单元。左侧的髙速数据采集单元完成三相电参数的采集，中间部分为边缘计算数据处理单元，主要完成智能算法的运算、数据存储资源的弹性管理等功能，右侧部分适配性通信单元完成数据与手机、后台、服务主站之间的数据通信。
图1电参数转示功图系统架构设计
1.2软件架构
胶囊模具1.2.1离线模型模块
离线模型是由训练平台根据电参与功图历史数据训练出 来的分析诊断模型。该模块实时将电参数据抽样处理后交给 算法模型，实时解算井况与分析结果。该模块还负责模型的 管理，包括参数优化、版本升级以及运维管理等功能。
1.2.2应用层模块
应用层包括包括数据采集、预处理、本地数据库存储，以及相关交互与传输。
1.2.3人工智能框架模块
嵌入式人工智能框架模块为智能模型的运算提供运行环 境，在该方案中，A R M上移植剪裁并优化了 Tensorflow深度学 习框架，使其适合嵌入式板卡资源以及保持运行环境的轻量化，并且该模块还根据运算效果对深度学习模型做了优化，保证其 在设备顶亍更加高效，更适合核心脇也更节约性能。
1.2.4虚拟化管理层模块
虚拟化管理技术是边缘计算的核心，通过该技术实现各 个具体应用功能的相对独立性与资源共享性。再该方案中，移植64位多任务L in u x操作系统，并在上开发移植了嵌入式 容器资源。通过容器管理技术实现数据总线共享，每个功能 独立成为APP,A P P间通过总线技术共享资源与数据。这种 虚拟化设计技术实现了应用功能的稳定可靠以及软件升级维1.2.5感知组件与AP热点模块
感知组件主要用于采集实时电压与电流，以及获取有功功率等数据信息，包括三相电压的高精度采集、三相电流的互感采集，以及功率等电能计量值的采集；髙速A P热点支持w m无线传输功能，传输速度可达到io〇Mbps。
1.2.6高性能核心模块
该模块是系统的支承层，由髙性能ARM芯片、数据采集单元组成。数据采集髙速、同步采集输出电参数据，髙性能ARM通过数据总线实时对数据做后继处理与管理工作。
2主要功能模块
2.1三相电参采集模块
实现三相电压、电流同步采集、信号放大以及低通滤波等信号处理功能。采集前端采用电压、电流互感器实现电气隔离接入，防止强电信号对设备的电气干扰，保证设备的稳定性和可靠性。互感器接口符合模块化设计思想，可根据实际油井的电压及电流情况选择合适的量程的互感器进行测量。2.1.1基于单片机与AD转换技术完成电参采集
A/D转换器是用来通过一定b a i的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位、14位和16位等。A/D转换器的工作原理有多种逐次逼近法是A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，如它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法。2.1.2滤波消除嗓音及系统干扰
滤波本质就是使用具有频率选择特性的器件让一些频率成分通过，另一些成分压制。硬件滤波中分离
元件电容和电感都具有频率选择特性’因此都可以作为滤波器组成部件使用，常用的是电容。电阻和电容组合构成最基本的一阶滤波器，电容具有通髙频阻低频作用。电阻，电容和运放结合可以构成二，三，髙阶滤波器。
按其工作频率的范围的不同，滤波电略可分为低通滤波器、髙通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。仅由电阻、电容、电感这些无源器件组成的滤波电路称为无源滤波器。如果滤波电路中含有有源元件，如集成运放等，则称为有源滤波器。与无源滤波器相比，有源滤波器具有体积小、效率髙、带负载能力强、频率特性好，而且在滤波的同时还可以将有用信号放大等一系列特点而得到广泛应用。
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硬件滤波技术相互独立共地的数模隔离设计避免了有些 传感器接地后带来的系统干扰；滤波电路设计根据信号特点，调整阻容大小，去除带外噪音。
滑动窗口滤波法是通过在TCP通讯中的一种流量控制协 议。先握手确定每次发2条记录，在网络拥堵时，接收方反馈 调整接收大小，发送方按照新调整的大小来发数据。滑动(递 推)平均算法维护一定长队列，每在队尾插入一个元素就在队 列头部删除一个元素，然后对其求出均值。
2.1.3基于异步框架计算技术完成三相电有效功率计算功能
异常处理服务根据消息处理日志就能够区分出哪些是需 要重新计算的，因为有一些数据是己经计算成功过的，这样可 以避免重复计算。同样由于M S M Q可选用磁盘化的存储，所 以即使计算服务当时不在线，这些消息也会在服务正常启动 后再次发送给机器，避免数据的丢失。
2.2研发数据处理与算法内嵌模块
该模块依据三相电参同步采集模块采集的电压、电流数 据，实时计算有功功率为智能算法模块提供数据输入。其中 三相电参同步计算仿真如下所示。
单板层积材
voltage=sqrt(2)*220*sin(2*p i*P t);
current=sqrt(2)*5*sin(2*p i*f|1t);
%current= sqrt(2)*5*sin(2*p i*P t-pi/6+pi/2);
U= zeros(l，128);贴片共模电感
I= zeros(l,128);
U= voltage;
I= current;
disp(U);
disp(I);
fo ri=1 : 128
p=p+ (U(i)*I(i));
sum=sum+ U(i)A2;
end;
Vrms=sqrt(sum/128);
P= p/128;
电参数采集指标：
(1) 采样频率>=12Hz
(2) 温度范围-40-85 °C
(3) 测量量程：电流量程100A，电压量程800V
(4) 精度：精度±0.5%FS，线性度:±0.5%FS
TensorFlow Lite是TensorFlow针对移动和嵌入式设备的轻量级解决方案。它允许您在低延迟的移动设备上运行机器 学习模型，因此您可以利用它进行分类，回归或获取你想要的 任何东西，而无需与服务器交互。
TensorFlow L ite包含一个运行时环境，我们可以在其上运 行预先存在的模型，并且它还提供了一套工具，可以为移动和 嵌入式设备准备模型。
T ensorF low Lite目前尚未支持训练模型。我们可以在高 性能的机器上训练模型，然后将该模型转换为T F L IT E格式，最终将其加载到解释器中。
2.3边缘计算功能
边缘计算是油田嵌入式处理发展的最新形式，该部分功 能除了具备传统嵌入式设备功能外，还具备强大的运算性能, 支撑近端智能化能力、具备资源的虚拟化管理能力，支撑设备 平台化服务形式，实现软件定义硬件功能。除此之外，边缘计算还支持多种通信协议，满足近场、远程等不同场景下的通信 需求，在该设计方案中主要实现以下功能。
2.3.1高性能运算功能
诊断预测功能是基于大数据深度学习模型实现，该模型 对运算资源与性能有较高要求，常规嵌入式设备不能满足大 吞吐量运算。该方案集成了 A R M与GPU专用芯片，通过GPU 解决智能诊断算力问题。
2.3.2容器化管理能力
采用嵌入式容器管理技术体系实现对资源、模型等智能 算法的弹性管理功能。让每个功能(APP)相对独立，功能之间 通过总线共享数据与资源，该方案架构图如下所示。容器化 管理能力方便用户远程对智能服务的灵活部署、迭代升级，以及新功能的部署等运维管理功能。
2.3.3扩展功能
扩展功能复合油田新型数据化升级要求，边缘计算具备 平台属性，用户可根据现场实际需求，硬件上
通过丰富接口搭 配不同的外设模块；软件上通过新增应用模块(APP)就能相对 方便、低成本的扩展新的功能。
2.3.4多场景通信功能
根据现场实际需求，搭配不同的通信模块，可支持5G\4G、Lora，以及ZigBee、W iF i等传输方式，其指标：
(1) 内存 1GBLPDDR2
(2) 存储 FLASH4GB
(3) CPU:Broadcom BCM2837 ,Cortex-A53 64 位 4 核s o c
(4) 主频 1.2GHz
(5) 温度范围-25-80°C
2.3.5数据传输功能
(1) W iF i数据传输功能
提供A P热点，供手机连接，实时与手机通信，完成数据及 状态上传。通过W iF i与手机A PP通信，完成油井智能分析设 备的现场参数配置、电参展示及功图展示等功能。传输速度 可达到100M bps。基于W iF i热点的近场通信功能。支持手 持终端跟边缘计算终端的近场通信，实现就近的数据展示功 能。支持手机A PP访问、支持手机W eb访问、支持手持端动 态实时显示曲线、支持手持端配置。
(2) Zigbee通信传输功能
扩展S gbee模块，功能可配置。既可以作为终端与 通信，实现本地数据上传；又可作为协调器与井口其他采集模 块通信，例如油温/油压/载荷/位移等，完成井口数据的无线采 集。Z igbee的结构分为4层：分别是物理层,M A C层，网络/安 全层和应用/支持层。其中应用/支持层与网络/安全层由Zigbee 联盟定义，而M A C层和物理层由IEE802.15.4协议定义，以下 为各层在Zigbee结构中的作用：
物理层：作为Sgbee协议结构的最低层，提供了最基础的 服务，为上一层M A C层提供了服务，如数据的接口等等。同时也起到了与现实(物理)世界交互的作用；
M A C层：负责不同设备之间无线数据链路的建立，维护，结束，确认的数据传送和接收；
网络/安全层：保证了数据的传输和完整性，同时可对数据 进行加密；
应用/支持层：根据设计目的和需求使多个器件之间进行 通信。汽车储物箱
(3M G/5G通信传输功能
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跟后台服务器通过无线4G/5G通信，实现电参数据上传、智 能算法分析结果上传(功图等)、程序远程更新、校时等功能。相 关网络架构主要是EPO N组网结构一共由三个部分组成，在用 户和通信供应商之间分别有终端设备、交换设备和电网局端设 备。在传输线路中一共有64个传输帧，而每个传输帧又包括24 个字节，也就是192个b it数据，这个传输结构最大的传输距离 可以达到20公里。而EPO N传输线路又分为上下两层，上层线 路是应用时分复用方式进行传输，交换设备会在不同的传输时 间将不同的信息传输到终端设备，以避免各种信息发生馄淆；而下层线路则是采用广播传输的方式实时传输，终端设备对不同 信息进行甄别，选择实时需要的信息进行接收。通过扩展5G实 现最髙达7G bps的下载速度和最高达3G bps的上传速率，同时 支持多种V P N协议(€^11¥?队11>册<]、？?1?、121'?等)来保证 数据传输的安全性。
3现场试验
在长庆油田开展了 10 口井现场试验，成功录取了抽油机井 电流、电压、有功功率等电参数。以柳X井为例，与数字化采集 相比，研发的采集分析设备预测的地面示功图，精度达到90.5%。
图2电参数转示功图设备显示界面
清肺排毒颗粒的功效与作用
示功图
0.000,50 1. (ja1-502,002,50 3. 〇〇 a. s o
位移in
图3研发设备采集地面示功图曲线(柳X)
图4数字化采集地面示功图曲线(柳X)4结语
(1) 设计了基于电参数转示功图设备电参数采集、深度学 习、处理和传输等模块功能，研制了基于电参数转示功图技术
的系统，实现了抽油机井电参数的高精度采集及电参数转示
功图的功能。
(2) 通过长庆油田现场应用表明，基于电参数转示功图设 备成功录取了电参数，并转换成示功图，与数字化采集相比，
研发的设备符合率达到90.5%，可取代载荷传感器，降低油田
开发成本。
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