譚智（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

GPRS智能集散式抽油機(jī)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)

譚智（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

GPRS監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三個主要的功能模塊組成。監(jiān)控終端中ATT7022A的六路二階∑-△ADC模塊采樣計(jì)算抽油機(jī)運(yùn)行過程中的實(shí)時電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)，對被撬、竊電等異常工況產(chǎn)生實(shí)時報(bào)警信號。這些參數(shù)及信號通過由MC35i模塊建立的經(jīng)由移動通信網(wǎng)關(guān)的無線通信鏈路，以基于TCP/IP和UDP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)形式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)控中心既可以直觀地監(jiān)測抽油機(jī)運(yùn)行狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)程智能故障診斷與報(bào)警，又可以遠(yuǎn)程控制起、停機(jī)，以及節(jié)能運(yùn)行與直接運(yùn)行的切換等，GPRS監(jiān)控系統(tǒng)在油井現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較好的節(jié)電效果。

抽油機(jī) 節(jié)能 GPRS監(jiān)控 故障診斷

油田抽油機(jī)工作遇雷擊及人為破壞等時有發(fā)生，怎樣把油井運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到中心控制室一直是個難題。傳統(tǒng)的油井監(jiān)測多采用人工巡邏方式，采油工人須攜帶笨重的測試儀器對分散在油田中的抽油機(jī)進(jìn)行實(shí)地測量[1]，這種方式效率低而且浪費(fèi)大量人力。油田曾采用微波、數(shù)傳電臺的方式采集數(shù)據(jù)，但實(shí)際使用過程中效果不理想，高成本的投入和頻繁的維護(hù)讓采油單位不堪重負(fù)。

GPRS（通用分組無線服務(wù)）作為移動通信與數(shù)據(jù)通信的二合一技術(shù)，覆蓋面廣，不需要傳輸線，是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)[2]，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

◇實(shí)時在線功能——GPRS只有在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時占用無線信道，其他時間保持和網(wǎng)絡(luò)的一種虛聯(lián)接；

◇傳輸速率高——實(shí)際應(yīng)用中可提供40～100 kbit/s的帶寬；

◇按流量記費(fèi)——GPRS以通信的數(shù)據(jù)流量記費(fèi)，記費(fèi)方式經(jīng)濟(jì)合理；

◇支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議——應(yīng)用GRPS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采油工人在辦公室里輕點(diǎn)鼠標(biāo)就能夠?qū)θ珡S井況一目了然，極大地提高了管理和生產(chǎn)效率。

油田數(shù)字化建設(shè)的同時，生產(chǎn)管理由粗放型向集約型大力推進(jìn)。節(jié)能型抽油機(jī)、電動機(jī)、配電產(chǎn)品大量出現(xiàn)。對于傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)，其節(jié)能手段主要是△-Y變換、可控硅實(shí)時跟蹤調(diào)壓、變頻器電源等[3]。采用△-Y變換線路簡單，維修方便，成本低，在輕載井上節(jié)電明顯。但是當(dāng)井下工況變化而載荷增大時,電動機(jī)實(shí)際工作在過載狀態(tài)，節(jié)能效果不理想，甚至使電動機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)而停機(jī)。變頻器由于體積大、成本高、技術(shù)復(fù)雜，節(jié)電效果并不理想，不適用于抽油機(jī)井場。

GPRS監(jiān)控系統(tǒng)使用了可控硅實(shí)時跟蹤調(diào)壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)電動機(jī)輸入電壓有效值與負(fù)載率動態(tài)的最佳匹配。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

GPRS監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPRS監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場監(jiān)控終端用于采集抽油機(jī)三相電動機(jī)的運(yùn)行信息，分為三相電信息和報(bào)警信息。三相電信息是接受監(jiān)測中心傳來的數(shù)據(jù)采集指令實(shí)時采集并發(fā)送給監(jiān)控中心的，包括三相電壓、三相電流、功率因數(shù)。報(bào)警信息采用立即傳送方式，當(dāng)箱門被撬、人為竊電、電動機(jī)皮帶脫落、停機(jī)、盜油等任何一種或幾種狀況發(fā)生時立即向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號。GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊模塊是監(jiān)控中心與現(xiàn)場監(jiān)控終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，?shù)據(jù)傳輸采用中國移動公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)（或CDMA）。監(jiān)控終端首先通過異步串行方式將數(shù)據(jù)傳送到就地的GPRS通訊模塊，GPRS通訊模塊與監(jiān)測中心的計(jì)算機(jī)IP地址綁定，并借助GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)即時傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件一方面通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場監(jiān)測終端進(jìn)行雙向通信，另一方面為工作人員提供一個可視化人機(jī)界面，讓采油工人足不出戶即可實(shí)時監(jiān)控抽油機(jī)的運(yùn)行。

2 現(xiàn)場監(jiān)控終端功能及軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控終端功能設(shè)計(jì)

現(xiàn)場監(jiān)控終端是GPRS監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其輸入信號包括三相電壓、三相電流、人為竊電、電動機(jī)皮帶脫落、停機(jī)、盜油以及箱門開啟檢測信號。

其通訊單元采用RS232串口與GPRS模塊通訊。GPR與監(jiān)控中心通訊利用內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議與主站連接，數(shù)據(jù)傳輸采用透明傳輸。監(jiān)控終端軟件采用C語言編寫，并采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。

監(jiān)控終端具體功能如下：

◇控制功能——包括起、停機(jī)，節(jié)能運(yùn)行與直接運(yùn)行切換；

◇報(bào)警功能——包括人為竊電、電動機(jī)皮帶脫落、停機(jī)、盜油以及箱門被撬；

◇數(shù)據(jù)傳輸功能——包括三相電壓、三相電流、三相視在功率、功率因數(shù)及報(bào)警信息。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控終端主要硬件及程序設(shè)計(jì)

現(xiàn)場監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)見圖2。中央處理單元由PIC16F877A單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。MICROCHIP公司的PIC系列單片機(jī)具有高抗電磁干擾、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用的是14位指令寬度的中檔單片機(jī)PIC16F877A，既可以滿足數(shù)據(jù)處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)，又可以適應(yīng)可控硅控制電路的電磁干擾，同時使片上資源得到充分利用，達(dá)到最高性價(jià)比。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)圖

可控硅觸發(fā)控制電路采用TC787DS電路，其特點(diǎn)是線路簡單，工作可靠。其輸出三相觸發(fā)脈沖的觸發(fā)控制角可在0～180°范圍內(nèi)連續(xù)同步改變，并且對零點(diǎn)的識別非?？煽?，同時器件內(nèi)部設(shè)計(jì)有移相控制電壓與同步鋸齒波電壓交點(diǎn)（交相）的鎖定電路，抗干擾能力極強(qiáng)。電路自身具有輸出禁止端，可在過電流、過電壓時進(jìn)行保護(hù)，保證系統(tǒng)安全。

圖3 三相電參數(shù)采集模塊接線圖

觸發(fā)電路的脈沖變壓器采用KMB-472/211脈沖變壓器。這是一種脈沖串觸發(fā)、適用于100A以下的可控硅脈沖變壓器。

監(jiān)控系統(tǒng)中的中央處理單元與三相電數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS模塊之間都采用了RS232串行通訊接口，另外該系統(tǒng)還為擴(kuò)展功能預(yù)留了串行通訊接口。PIC16F877A帶有一個通用同步異步收發(fā)器，即USART口。利用串口擴(kuò)展芯片SP2539采用分時復(fù)用技術(shù)擴(kuò)展成5個完全獨(dú)立的全雙工子串口（各子串口波特率、10位或11位數(shù)據(jù)幀長度等均可由單片機(jī)軟件設(shè)置）。使得中央處理單元可以同時對多路串口擴(kuò)展模塊通訊，為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供方便。

3 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

GPRS為一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它面向用戶提供移動分組的IP連接GPRS撥號上網(wǎng)時，移動GGSN分配手機(jī)模塊一個IP地址。目前中國移動提供的是動態(tài)的IP，監(jiān)控中心需使用綁定網(wǎng)內(nèi)IP的SIM卡撥號上網(wǎng)。所有數(shù)據(jù)采集模塊撥號上網(wǎng)時首先要到管理中心進(jìn)行注冊，只有注冊以后雙方才能建立通信。由于整個數(shù)據(jù)傳輸都是在GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)?，系統(tǒng)的實(shí)時性和安全性都得到了保障。GPRS監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)考慮到數(shù)據(jù)通訊的要求，采用了有限透明傳輸模式，即控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行有限過濾和分析處理，避免冗余和分辨出指令信息。通訊方式采用西門子MC35i模塊建立的經(jīng)由移動通信網(wǎng)關(guān)的無線通信鏈路，可以進(jìn)行基于TCP/IP和UDP/IP的數(shù)據(jù)傳輸。參數(shù)配置處理模塊使用PC機(jī)上的配置軟件對所需參數(shù)進(jìn)行配置，包括服務(wù)器端的IP地址、端口號、傳輸協(xié)議、打包數(shù)據(jù)長度、時延等。通過接收到的短信配置命令對參數(shù)進(jìn)行配置，該模式適合于遠(yuǎn)距離作業(yè)時的配置和處理。

MC35I GPRS模塊集合了語音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、簡訊服務(wù)及FAX等功能，最大傳輸速率可達(dá)85.6 kbit/s，并集成了天線、射頻、基帶、快閃內(nèi)存等組件，有豐富的AT指令，功能強(qiáng)大，操作靈活方便，并以40個pin腳外接，支持RS-232等。MC35I是繼GPRS手機(jī)外又一非常重要的終端設(shè)備，它是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GPRS無線移動通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備，因此，也叫無線調(diào)制解調(diào)器。它的出現(xiàn)給GPRS的發(fā)展注入了新的活力。

4 監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)庫管理報(bào)警信息處理、電壓與負(fù)荷曲線顯示、用戶電表檔案管理等5個模塊。

圖4 單點(diǎn)實(shí)時電流電壓曲線

數(shù)據(jù)通訊模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)測終端進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，并把監(jiān)控終端GPRS通訊模塊傳送來的原始二進(jìn)制加密數(shù)據(jù)進(jìn)行破解。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要是數(shù)據(jù)訪問控制和數(shù)據(jù)庫安全管理。報(bào)警信息處理模塊進(jìn)行報(bào)警信息處理和顯示。數(shù)據(jù)曲線顯示模塊用以直觀地顯示實(shí)時的三相電壓、電流曲線。控制命令發(fā)送模塊為工人提供控制命令發(fā)送接口，工人可在計(jì)算機(jī)終端對抽油機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)送起、停機(jī)，節(jié)能運(yùn)行與直接切換命令。監(jiān)控中心應(yīng)用軟件的不同模塊之間即互相獨(dú)立，又共享同一個數(shù)據(jù)庫。

圖4為單點(diǎn)實(shí)時電流電壓曲線，A、B、C相電流電壓分別用紅、綠、藍(lán)色曲線表示。圖中所顯示的曲線是37 kW抽油機(jī)三相平衡時的電流電壓曲線。采油工人可以通過曲線直觀地了解抽油機(jī)工作狀態(tài)。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

現(xiàn)場應(yīng)用70口井，跟蹤測試37口井，平均日節(jié)電20.4 kW·h，平均有功節(jié)電率13.58%，綜合節(jié)電率20.43%，70口井年可節(jié)電4.998×105kW·h，應(yīng)用效果見表1。

表1 應(yīng)用效果對比

6 結(jié)論

（1）GPRS監(jiān)控系統(tǒng)將抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與節(jié)能控制相結(jié)合，既完成了對離散式分布的抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)采集、故障報(bào)警，又完成了負(fù)載跟蹤、智能節(jié)電。

（2）GPRS監(jiān)控系統(tǒng)總體采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，總體功能強(qiáng)大，同時又可分立工作，任何一個模塊故障不會影響系統(tǒng)其他部分的正常運(yùn)行。

（3）數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)同時用于智能負(fù)載跟蹤調(diào)壓和遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)了硬件資源的充分利用，避免了重復(fù)投資，節(jié)約了總成本。

（4）監(jiān)控終端下位機(jī)系統(tǒng)預(yù)留了多個串行通訊接口，為GPRS監(jiān)控系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了方便。

［1］閆敬東,徐紅梅,陳軍,等.抽油機(jī)節(jié)能控制柜節(jié)電效果測試及評價(jià)［J］.石油機(jī)械,2002（2）．

［2］呂捷．GPRS技術(shù)［M］.北京:郵電大學(xué)出版社,2001．

［3］任志國,林立.基于MCU的抽油機(jī)節(jié)能控制儀表與控制技術(shù)［J］.儀表技術(shù),2005(4).

［4］王毅,趙凱歧,許殿國．電機(jī)軟起動控制系統(tǒng)中功率因數(shù)角的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002（41）．

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.011

2010-11-08)

譚智，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，助理工程師，現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠技術(shù)發(fā)展部從事節(jié)能管理工作。