武瑛

摘要：抽油機(jī)管理工作作為油田生產(chǎn)管理的重要組成部分，抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)融合了抽油機(jī)的生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測以及管理等一系列生產(chǎn)過程自動化控制體系。應(yīng)用該系統(tǒng)，能夠根據(jù)抽油機(jī)作業(yè)信息對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，根據(jù)監(jiān)控的具體情況制定不同的管理方案。研究設(shè)計(jì)抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)管理模式的創(chuàng)新，提升了油井生產(chǎn)管理的效率與水平。就油田抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控在系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了簡單探討。

關(guān)鍵詞：油田抽油機(jī)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、前言

在油田抽油機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中，因?yàn)樗幍牡乩砦恢靡约爸車h(huán)境存在一定的特殊性，加上油田的數(shù)量較多，呈分散分布，因此在抽油機(jī)工作過程中均需要配置一定的通信設(shè)備，但是由于油田所處的位置缺乏規(guī)律性且范圍廣，導(dǎo)致通信設(shè)備的分布也缺乏規(guī)律，再加上各個(gè)井場之間交通不便，測試維護(hù)技術(shù)人員需要完成的工作量較大，導(dǎo)致工作效率偏低，增加了采油成本，降低了油井的產(chǎn)量[1]。為了能夠及時(shí)掌握油井抽油機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀況，需要設(shè)計(jì)出一種高效、科學(xué)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分析抽油機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，全面了解各個(gè)系統(tǒng)組成關(guān)鍵部分的功能，從而提升數(shù)據(jù)采集的效率。相比于傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集的方式，該系統(tǒng)具有安裝簡單、靈活性強(qiáng)、維護(hù)方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

二、項(xiàng)目分析

采油場油井中應(yīng)用的抽油機(jī)主要為游梁式抽油機(jī)，型號為CYJ8-3-37HY型，該抽油機(jī)的沖程共1.8米，沖次為5毫米，減速器的額定輸出扭矩設(shè)置為26kN.m，解構(gòu)不平衡重為-0.3kN，電機(jī)的功率為11kW，型號為Y180L-8。結(jié)合該油場的生產(chǎn)現(xiàn)狀，針對抽油機(jī)設(shè)計(jì)出了一種新型的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，目的是對抽油機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便掌握其實(shí)時(shí)工作狀況。

三、系統(tǒng)功能以及運(yùn)行技術(shù)分析

（一）系統(tǒng)功能分析

在本系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)選用集散式控制結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用高精度的傳感器與高敏感器件對抽油機(jī)的工作參數(shù)（如：電壓、三相電流、荷載、示功圖、沖次、沖程、電流圖參數(shù)等）進(jìn)行檢測，將檢測到的參數(shù)經(jīng)過主機(jī)分析處理后，再通過GPRS通信模塊具備的數(shù)據(jù)分析作用對抽油機(jī)作業(yè)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至總站，再由總站借助PC機(jī)上的相關(guān)軟件根據(jù)獲得的參數(shù)分析抽油機(jī)的作業(yè)現(xiàn)狀。假如抽油機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)異常便會自動發(fā)出報(bào)警信息，并在第一時(shí)間將相關(guān)信息發(fā)送至管理者連接的手機(jī)上，方便立即處理抽油機(jī)的異常情況。而在油田中設(shè)置的采集終端的液晶屏上還能夠?qū)⒊橛蜋C(jī)相關(guān)參數(shù)（例如：電流值、電壓值、工作日期、井上示功圖、報(bào)警信息等）顯示出來，以便管理人員能夠第一時(shí)間了解抽油機(jī)工作狀況以及相關(guān)參數(shù)[2]。

（二）系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)分析

設(shè)計(jì)系統(tǒng)之前，應(yīng)當(dāng)提高系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的重視程度，確保該系統(tǒng)除了具備基本的集散式功能需求外，還應(yīng)該優(yōu)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。在操作該系統(tǒng)時(shí)，考慮到傳感器裝置對精度的要求非常高，針對這一需求，需要對傳感器的質(zhì)量進(jìn)行分析，目的是重點(diǎn)關(guān)注抽油機(jī)中的一些敏感部分，全面提升抽油機(jī)控制的水平。按照抽油機(jī)裝置荷載的差異，需要對其配備的電機(jī)進(jìn)行深入研究，以提升電機(jī)電流控制的水平。不僅如此，系統(tǒng)管理人員還應(yīng)該提升對沖程的重視程度，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行流程進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)示功圖不斷趨于完善，提高系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量。在處理該系統(tǒng)之前，還需要深入分析本系統(tǒng)涉及的各項(xiàng)技術(shù)，深入調(diào)研處理流程，保證在系統(tǒng)中在對應(yīng)模塊的輔助下通信系統(tǒng)及時(shí)處理相關(guān)數(shù)據(jù)。除了符合上述技術(shù)要求外，還應(yīng)該確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有信息報(bào)警的功能。提高處理系統(tǒng)信息的能力，不僅可以為系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供硬件支撐，還能夠及時(shí)且規(guī)范地對各類系統(tǒng)信息進(jìn)行處理，在保障抽油機(jī)工作效率方面發(fā)揮重要作用。

四、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

由于本次擬設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的主機(jī)型號為ATmega16-16MI，該主機(jī)由于是在AVR RISC低功耗8位CMOS微控制器基礎(chǔ)上增強(qiáng)而來，因此該型號的主機(jī)指令集比較先進(jìn)，再加上采用的是單時(shí)鐘周期指令作為執(zhí)行時(shí)間，因此ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，通過這種方式能夠在一定程度上減少系統(tǒng)在功耗與處理速度二者之間存在的矛盾，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出：抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)主要包括傳感器及信號處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘校準(zhǔn)輸入模塊、液晶顯示模塊、I/O擴(kuò)展模塊（包含鍵盤輸入與微型打印輸出）、GPRS通信模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、聲光報(bào)警模塊以及電機(jī)控制模塊。接下來就主要的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析：

（一）傳感器及信號處理模塊選擇與設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，傳感器主要有四類，分別是負(fù)荷傳感器、角位傳感器、流量傳感器、電流電壓互感器。在本次設(shè)計(jì)中，井口儀表采用LoRa協(xié)議的無線儀表，傳感器選擇一體化抽油機(jī)電控箱。選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱?，再將其安裝于抽油機(jī)的平衡鐵位置上，只需監(jiān)測抽油桿加速度值，再采用二次積分處理獲得數(shù)據(jù)便可以獲得原理測量位移值。此外，抽油桿工作信號應(yīng)用433MHZ無線信號還可以成功傳遞給無線傳輸模塊，該模塊接下來將自身接收到的示工圖數(shù)據(jù)通過RS232接口傳輸至GPRS模塊上，最終達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控示功圖的目的。在保證抽油機(jī)安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上還能發(fā)揮節(jié)能減排的目的。本次系統(tǒng)中傳感器為霍爾電流傳感器，安裝位置為電機(jī)主回路，其主要用于對電機(jī)定子線圈的輸入電流信號進(jìn)行采集，對電流進(jìn)行分析，最終掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。將確定好型號的電壓傳感器安裝于電機(jī)的主回路上，如此便可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電機(jī)電壓缺相檢測的功能。采用LC型橢圓齒輪流量計(jì)對儲油罐上的流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果測量出液體的黏度范圍為1～200mPa，輸出的波形為矩形波[3]。

（二）A/D以及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器芯片選用的是8路輸入ADC0809芯片，待獲得抽油機(jī)采油的各種工作信息與參數(shù)后，在傳感器的作用下將其轉(zhuǎn)變成能夠被單片機(jī)識別的信號，完成傳輸。該系統(tǒng)通過檢測并記錄抽油機(jī)工作過程中的各項(xiàng)參數(shù)，在對這些參數(shù)記錄的同時(shí)，還應(yīng)該對涉及時(shí)間的信息進(jìn)行保存，目的是方便用戶逐一分析這些數(shù)據(jù)并提出相應(yīng)的措施。不僅如此，還通過擴(kuò)展了一片XI205為該系統(tǒng)的運(yùn)行提供時(shí)間基準(zhǔn)。

（三）顯示電路設(shè)計(jì)以及I/O擴(kuò)展

本系統(tǒng)應(yīng)用的液晶顯示器型號為MZI02-12864，該顯示器中控制模塊的構(gòu)成包含22個(gè)指令，通過在控制模塊中輸入不同的控制字，完成液晶顯示器初始條件的設(shè)置，選擇好想要的運(yùn)行條件，液晶顯示器便可以將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和模式顯示出來。系統(tǒng)中I/O擴(kuò)展應(yīng)用的是8255A芯片。

（四）GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的GRPS通信模塊設(shè)計(jì)選用的是MD-609G，其分別具備RS232、485、422以及TTL四種類型的數(shù)據(jù)接口，方便迅速連接至現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集設(shè)備?？梢栽O(shè)置數(shù)據(jù)接口的波特率，并發(fā)揮支持串口硬流控的目的，而且該系統(tǒng)還具備支持標(biāo)志TCP/IP協(xié)議的功能[4]。

（五）無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線傳輸模塊選擇型號為PTR2000無線收發(fā)一體數(shù)據(jù)傳Modem模塊，其主要用于接收無線傳輸載荷位移。該模塊應(yīng)用的FSK調(diào)制/解調(diào)模式，擁有較高的抗干擾能力，不僅工作頻率可靠、發(fā)射功率較低以及靈敏度較高，能夠較好地滿足無線管制的要求，而且該模式無需應(yīng)用許可證，實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)的傳輸距離可達(dá)1000米。

五、抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控在系統(tǒng)工作中的原理分析

（一）采集抽油機(jī)電參數(shù)

該系統(tǒng)能夠結(jié)合抽油機(jī)的負(fù)荷大小以及電壓等級的差異，在系統(tǒng)安裝的電流或電壓互感器的輔助下，準(zhǔn)確采集到抽油機(jī)的工作參數(shù)。在抽油機(jī)橫梁位置處安裝一個(gè)控制開關(guān)，從而對一個(gè)周期內(nèi)的上沖程電流與下沖程電流，通過調(diào)理信號的方式有效去除干擾信號，而且還能把該信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，將參數(shù)輸入至專門的數(shù)據(jù)采集芯片內(nèi)進(jìn)行存儲，最后再由通信模塊讀取儲存在采集芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將上述信息傳輸至后臺服務(wù)器上，完成對應(yīng)的處理。

（二）采集抽油機(jī)的示功圖

如果要利用該系統(tǒng)獲得抽油機(jī)的荷載和位移等重要參數(shù)，就需要在抽油機(jī)的光桿位置安裝荷載傳感器或位移傳感器，并形成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號，將其送至數(shù)據(jù)采集芯片內(nèi)，將信號整合成一段代碼，完成存儲，最后再經(jīng)過通信模塊將存儲在數(shù)據(jù)采集芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)完成讀取，在GRPS網(wǎng)絡(luò)作用傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器上完成相應(yīng)的處理。

（三）采集抽油機(jī)原油流量

關(guān)于原油采集的方式主要選擇觸發(fā)式，即只需打開長儲油罐位置上的抽油閥門或者將排水閥門打開，便可以對原油流量與排水量進(jìn)行采集。

六、油田抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）油田抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)具備的主要功能是將油井現(xiàn)場采集到的抽油機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)MD-609G模塊傳輸至監(jiān)控中心，通過顯示屏將電流電壓值、井上示功圖、日期時(shí)間、報(bào)警信息等顯示出來，與此同時(shí)還能及時(shí)接收監(jiān)控中心上下傳達(dá)的各類指令并產(chǎn)生相應(yīng)的控制動作，例如：該系統(tǒng)能夠?qū)?shí)現(xiàn)抽油機(jī)開機(jī)或關(guān)機(jī)、系統(tǒng)報(bào)警以及系統(tǒng)遠(yuǎn)程復(fù)位等操作的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)首先完成系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)的初始化，內(nèi)容包含中斷入口地址的設(shè)置、工作區(qū)單元的清零、堆棧指針的設(shè)置、時(shí)鐘芯片的啟動、液晶顯示器以及初始化解釋器和串口的啟動等等。而設(shè)置串口的初始值的關(guān)鍵是設(shè)置實(shí)現(xiàn)通信的格式，詳細(xì)而言即要將伯特率設(shè)置為每秒9600b，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位，起始位設(shè)置為1，無奇偶效驗(yàn)。當(dāng)初始化程序啟動后便可以按照預(yù)設(shè)的時(shí)間準(zhǔn)時(shí)將抽油機(jī)工作的參數(shù)發(fā)送給監(jiān)控中心。如果連續(xù)發(fā)送的時(shí)間超過3min但是顯示未發(fā)送成功時(shí)，需要重新啟動系統(tǒng)。假如有參數(shù)超過時(shí)間限制便會發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)將報(bào)警的信息發(fā)送至監(jiān)控中心，接下來便可以接收監(jiān)控中心發(fā)送過來的控制命令，同時(shí)執(zhí)行對應(yīng)的輸出控制模塊。

（二）監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

監(jiān)控中心的主要工作內(nèi)容是接收各個(gè)子站上傳來的數(shù)據(jù)，并完成這些數(shù)據(jù)的處理與存儲，同時(shí)根據(jù)抽油機(jī)的數(shù)據(jù)參數(shù)判斷其工作狀態(tài)，一旦存在異常時(shí)便立即發(fā)出報(bào)警，同時(shí)將各類信息在網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)的輔助下實(shí)時(shí)傳遞至相關(guān)部門。監(jiān)控中心應(yīng)用的PC軟件編程模式為LabVIEW和matlab混合的模式，通過應(yīng)用matlab提供的大量且高效、可靠的算法以及LabVIEW具備的高效圖像化編程能力。其中用戶圖形的界面設(shè)計(jì)主要由LabVIEW完成，同時(shí)還需要對抽油機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，完成網(wǎng)絡(luò)通信，LabVIEW則是應(yīng)用Matlab的大型算法實(shí)現(xiàn)示功圖的繪制和識別[5]。

七、結(jié)語

伴隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會各界對石油資源的需求量與日俱增，在新形勢下，如何優(yōu)化技術(shù)和管理系統(tǒng)，提升抽油機(jī)的采油質(zhì)量，已成為亟待解決的重要課題。抽油機(jī)作為油田采集石油的主要設(shè)備，其自身管理水平的高低直接關(guān)系著油田質(zhì)量與采油設(shè)備的安全。因此如何提升油田抽油機(jī)設(shè)備管理效率與管理水平顯得非常重要。設(shè)計(jì)和應(yīng)用油田抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，不僅有助于提高采集石油資源的效率，減少抽油的成本支出，而且還能有效地為設(shè)備的運(yùn)行以及維護(hù)提供良好的保障。因此，將油田抽油機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在抽油機(jī)管理中心，對各個(gè)組成系統(tǒng)的部件進(jìn)行全面分析，結(jié)合實(shí)際情況利用該系統(tǒng)，從而提高采油效率。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：新疆油田風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)