基于LabVIEW的潛油電機電流采集和數據存儲研究

王道軍 薛 健 姜建國

(1. 大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163311；2. 東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

潛油電機是一種專門用于機械采油的特種電機，具有排量大、揚程高、地面工藝簡單及管理方便等優點，在油田生產中得到了廣泛應用[1]。潛油電機在實際工作中為變負荷運行，易引起無功需求的變化，當無功損耗增大時，潛油電機的使用壽命受到嚴重影響，同時降低了采油效率[2]。為提高潛油電機的采油效率，對潛油電機的某些物理量進行實時監控和存儲是極其重要的環節。電流是潛油電機運行的重要參數，因此電流數據的采集與存儲系統是其實時數據采集與監控系統的重要組成部分。

對潛油電機電流進行采集和存儲是筆者的主要研究目的。在系統中，電流信號通過傳感器和調理電路經數據采集裝置傳輸到上位機進行計算、處理、顯示和存儲。目前國內一些院校和企業在此方面的研究取得了一定的進展，但國內器件一般很難滿足高溫、低溫及高壓等特殊工況的要求，因此在可靠性和器件選擇方面仍需進一步改進和研究[3]。隨著科技的發展，一些高性能器件和開發平臺已逐步嶄露頭角，比如在數據采集方面，基于PC的數據采集板卡得到了廣泛應用。數據采集板卡分為內插式板卡和外掛式板卡兩類，內插式板卡包括基于ISA、PCI、PXI/Compact PCI及PCMCIA等各類計算機內總線的板卡，其速度快但拔插不方便；外掛式板卡包括USB、IEEE1394、RS-232/RS-485和并口板卡，基于USB接口技術的數據采集板卡具有傳輸速度快、易安裝、易擴展、通用性強及性價比高等優點。

LabVIEW作為一種圖形化編程語言的開發環境，被視為標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協議的硬件和數據采集卡通信的全部功能，利用它實現數據采集和儀器控制時可以提高工作效率[4]。LabVIEW虛擬儀器技術與USB總線技術結合是今后數據采集和測控的發展趨勢，因此在潛油電機數據采集和存儲系統中引進此項技術，能夠更好地監控潛油電機的運行狀態，達到高效采油的目的。結合實際工程，筆者介紹了一種基于LabVIEW和USB-6008數據采集板卡的潛油電機交流側三相電流數據采集和儲存系統模塊的硬件和軟件設計。

1 系統模塊總體結構①

基于LabVIEW的數據采集系統框圖如圖1所示，硬件部分包括傳感器、信號調理電路和數據采集硬件[5]。其中，電流互感器采用LT 208.S7電流傳感器，其原邊和副邊之間是絕緣的，用于測量交流和脈沖電流；信號調理電路將電流信號轉換為滿足采集條件的電壓信號，并送入數據采集板卡；數據采集板卡采用USB-6008，通過上位機程序將信號輸入計算機，完成信號采集。軟件部分的信號采集程序與用戶應用程序由LabVIEW圖形編程軟件開發完成。

圖1 基于LabVIEW的數據采集系統框圖

數據存儲模塊需要通過LabVIEW編寫的上位機程序將采集到的數據保存在硬盤中[6]，LabVIEW支持的文件格式主要有：

a. 文本文件。文本文件可以用字處理軟件或電子表格程序來讀取或處理數據，是最易于整體交互和共享的格式，但由于每個字符都要占用一個字節，存儲數據過程中存在ASCII碼與機器內碼的轉換，因此文本文件存在占用磁盤空間較大及存取速度慢等缺點。

b. 二進制文件。二進制文件是將數據按其在內存中存儲的形式(機器內碼)原樣輸出到磁盤上，存儲速度快，格式緊湊，并且可以隨機訪問其中的某一個數據。由于各類二進制文件之間不是通用的，因此用戶在讀寫二進制文件時，必須明確文件使用的數據類型。

c. 數據記錄文件。數據記錄文件也是一種二進制格式的文件，它能夠簡單、快捷地存儲復雜結構的數據，并且很容易訪問數據，但只有LabVIEW才可以對其進行讀取和處理。

d. 波形數據文件。波形數據文件記錄了波形數據特有的一些信息。

測試數據文件(.lvm)是使用制表符分隔的文本文件，可以在電子表格應用程序或文本編輯應用程序中打開。在.lvm文件中LabVIEW最高可保存6位精度的數據，還包含生成數據的日期及時間等信息。測量文件(.tdm)為二進制文件，包含波形數據，具有精度高、占用磁盤空間小和運行速度比.lvm文件快的優點。二進制TDM流文件(.tdms)比.tdm文件格式的寫入速度快，并且定義屬性界面更簡單。

在實際工程中，計算機上沒有安裝LabVIEW軟件就很難通過編程查看采集到的數據。系統采用LabVIEW與Microsoft通信的方式將文件以Word形式進行保存。

2 硬件設計

2.1 數據采集板卡

本系統采用的USB-6008是基于USB的12位多功能數據采集板卡，最大采樣速率10kS/s，由八路單端(四路差分)模擬輸入、兩路模擬輸出和數字I/O組成，具有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O及計數器/計時器等功能，這些功能由對應的電路實現。該數據采集卡通過USB接口與計算機相連，方便進行操作。

2.2 電流互感器

電流互感器采用LT 208.S7電流傳感器，其參數為：原邊額定電流有效值200A；原邊電流測量范圍-300～300A；測量電流范圍-200～200A時，最大測量電阻RM=50Ω；測量電流范圍-300～300A時，最大測量電阻RM=73Ω；副邊額定電流有效值100mA；轉換率為1∶2 000；電源電壓±12V或±15 V。電流互感器的接線示意圖如圖2所示。

圖2 電流互感器接線示意圖

2.3 電流信號監測和調理電路

電流信號監測和調理電路如圖3所示。電流調理電路由兩級組成：第一級為電流取樣轉換電路，它將電流信號轉換為電壓信號；第二級為電流調理電路[7]。電流傳感器輸出電流信號；R是精密電阻，將電流信號線性地轉換為電壓信號；電壓信號由電壓跟隨器進行隔離，輸出阻抗降低；運放LM324組成了一個比例環節和一個加法器電路，將電平的中心點由0.0V抬高到1.5V。

電流互感器電壓采用±15V，其可測電流為±200A，最大可接入電阻為73Ω。在該設計中，取樣電阻為5Ω，電流互感器變比為1∶2 000，潛油電機的負載電流峰值一般不會超過100A，因此100A/2000=50mA，50mA×5Ω=0.25V，再經放大環節進行兩倍放大得到0.5V的有效電壓，算得其峰值為0.5×1.414=0.707V，這時為交流信號。為使有效電壓峰值能在0.3V左右，再經過同相加法運算，與一個1.8V的直流電壓相加，即可滿足條件送入數據采集卡進行采樣。

圖3 電流信號監測和調理電路

3 軟件設計

將電流監測電路和調理電路采集的電流信號輸入到數據采集板卡USB-6008中；該數據采集板卡通過USB接口與計算機相連，通過LabVIEW里的DAQmx把信號傳輸至計算機。在使用LabVIEW對其進行程序設計時，可以省略底層驅動程序的編寫，從而提高系統模塊開發的效率。軟件設計主要是將采集到的電流信號進行實時顯示，以便監測潛油電機的運行狀態；并對數據進行有效保存，方便日后對電機運行參數進行分析。軟件設計實現過程如圖4所示。

圖4 軟件設計實現過程

3.1 電流信號采集模塊

電流信號采集模塊程序如圖5所示。進行電流信號采集時通過創建虛擬通道函數為任務添加一個或多個虛擬通道，通過VI主程序配置好數據采集卡的物理通道。定時函數用于對模擬輸入DAQmx Timing.vi的采樣時鐘源和采樣速率進行設置，其中系統將定時函數設置為連續采樣。啟動任務函數實時地將任務轉換成運行狀態，完成特定的采集或生成任務。讀取函數從緩存中讀取采集到的數據，讀取的數據通過Waveform Graph控件和表格控件以波形圖和表格的形式實時顯示在前面板，從而實現數據采集。最后為程序添加清除任務函數，以避免分配不必要的內存。

圖5 電流信號采集模塊程序

3.2 數據存儲模塊

數據存儲模塊程序如圖6所示。進行數據存儲時，利用新建報表函數創建一個新的報表，報表類型選擇Word。Word Easy Title函數用來給報表添加標題。利用Word Easy Text函數給Word報表添加文本，其中一個為添加日期時間文本，設置背景為灰色，對齊方式為居中；另一個為報表添加說明文本。利用Word Easy Table函數給報表添加表格，表格的數據來自采集模塊，表格的首行通過首行屬性進行設置。利用Word Easy Graph函數給報表添加圖表，圖表數據同樣來自采集模塊，設置圖形格式為xlRadar，通過雷達形圖表顯示電流數據，能夠更直觀地體現一次采樣周期內潛油電機在特定時間的運行狀態。保存報表函數將報表保存至報表文件路徑中指定的文件。處置報表函數用來關閉報表并釋放其界面，以節省內存。

圖6 數據存儲模塊程序

4 實驗結果

系統用戶應用程序界面如圖7所示，啟動狀態連續運行時，Waveform Graph控件實時顯示采集到的三相電流信號波形；三相電流表格實時顯示采集到的三相電流有效值；最大值、最小值是為保護數據采集板卡而設置的；通過采樣頻率控件可以設置任務的采樣頻率；在表格標題和標簽說明控件中可以分別設置Word報表中相應內容；通過保存路徑可設置保存文件路徑。當按下右下角的停止按鈕時，系統關閉。

圖7 系統用戶應用程序界面

數據以Word表格和圖形的形式，并帶有生成數據的時間和日期保存到硬盤指定文件中，可用于后續潛油電機運行狀態的分析。

5 結束語

通過系統模塊在實現潛油電機電流的自動采集、實時顯示和數據保存方面所做的可靠實驗，形成了運行穩定且具有直觀、簡便的用戶操作界面的潛油電機電流采集和數據存儲系統。本系統能夠在上位機上以表格和圖形的形式動態顯示采集到的電流數據，還可根據需要將采集到的數據以表格、文本及波形等形式保存下來，并且在測量潛油電機的其他運行特征時可以很方便地進行擴充。另外，在其他涉及電流的工業和測控領域，本系統也有較大的應用價值。

[1] 梅思杰，邵永實，劉軍，等.潛油電泵技術[M].北京：石油工業出版社，2004.

[2] 董振剛.潛油電泵機組狀態監測與辨識方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[3] 沈利榮.潛油電泵井數據采集與控制系統研究[D].西安：西安石油大學，2013.

[4] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5] 程學慶，房曉溪，韓薪莘，等.LabVIEW圖形化編程與實例應用[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] 楊建偉，鄭瓊華，沈昱明.基于LabVIEW的數據保存[C].第八屆工業儀表與自動化學術會議.上海：上海理工大學，2007.

[7] 鄭耀天，吳浚浩.信號調理電路的設計與研究[J].中國科技信息，2006，(2)：122.