【文章內(nèi)容簡介】 長 長 計費方式 流量 時間 +次數(shù) 租賃 租賃 運行費用 較低 較高 局 局 通行速率 較高 一般 局 局 誤碼率 較低 局 較低 低 可靠性 較高 一般 較高 較高 實時性 較高 極低 較高 較高 維護成本 極低 一般 較高 較高 應用場合 分散、實時 數(shù)據(jù)傳輸 對實時無要 求的場合 較大數(shù)據(jù)實 時傳輸 較大數(shù)據(jù)實 時傳輸 5 傳輸方式 比較內(nèi)容 GPRS DTU 短消息 超短波無線數(shù)傳電臺 覆蓋范圍 全國 全國 不大于 20KM 建設費用 一般 低 局 施工難度 較低 低 局 施工周期 較短 較短 長 計費方式 按流量無月租 條 / 元 占頻費 運行費用 較低 較高 一般 通行速率 20KBps 誤碼率 較低 較高 局 可靠性 較高 一般 低 群收群發(fā) 支持 不支持 不支持 傳輸時延 短 長 短 網(wǎng)絡協(xié)議 支持 不支持 不支持 維護成本 低 低 局 綜合以上因素，結(jié)合一般采油機數(shù)目多，分布范圍廣等特點，本人提出了一種新的設計系統(tǒng)，采用 GPRS 通信方式進行數(shù)據(jù)通訊。 GPRS(General Packet Radio Service)是一種高效、低成本的通用無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。特別適用于要求實時性的、大數(shù) 據(jù)量傳送的應用場合。它具有永遠在線、高速傳輸和經(jīng)濟適用等資源優(yōu)勢。利用現(xiàn)有的 GSM基站系統(tǒng)，可以很方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，不需要組建自己的網(wǎng)絡，大大節(jié)省了組網(wǎng)成本。 利用 GPRS 通信技術對抽油機進行遠程監(jiān)控 ［ 7］ ，對于及時、準確、全面地掌握石油生產(chǎn)情況，進行科學決策有著十分重要的意義。 (1)降低工人勞動強度，有利于減員增效。大慶各大油田地處分散，油井距駐地很遠，人工進行采集數(shù)據(jù)往返時間長，工作量大，而且費用高，嚴重影響采油過程中的正常 的 維護工作。人工巡井按照每個人月工資 2021 元計算，按 100 口井來說，每人負責 10 口井， 5年企業(yè)支付費用達到 120 萬。安裝監(jiān)控系統(tǒng)，設備的使用壽命假設 5 年，網(wǎng)絡設備的初裝費為 3000 元左 6 右， 100 口井安裝采集模塊和通信模塊需要 25 萬元，加上每個月的專線租用費 1000 元 (各地情況略有不同 )， 5 年加起來需要 萬元。采集一組數(shù)據(jù)只需 4 秒鐘，一個月的數(shù)據(jù)流量費用僅僅只有 10 元左右， 100 口井也只有1000 多元，僅有 2021 多元，總共需要 40 多萬元，跟人工巡檢相比較，費用只有其 1/3，大大降低了工人的勞動強度，節(jié)省了企業(yè)成本，從而達到了減員增效的目的。 (2)便于掌握生產(chǎn)情況，有利于強化管理。過去用報表的方式反映采油情況，難以做到及時、準確、全面、直觀、高效。盡管不少單位從制度上和采油設備上做過許多努力，但仍不能從根本上解決問題。安裝抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)后，領導在辦公室或各監(jiān)控中心，都可以直觀地看到所有抽油機的工作情況。隨著通信網(wǎng)絡的發(fā)展，油田各級領導可隨時隨地掌握一線生產(chǎn)情況。 (3)便于采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，有利于科學決策。沒安裝監(jiān)控系統(tǒng)時，一般每天只測一次抽油機工作參數(shù)，有些參數(shù)由于測試麻煩，一個月甚至更長時間才能測一次。由于數(shù)據(jù)量小，很難進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，影 響領導決策。安裝監(jiān)控系統(tǒng)后，可快速測試并長期保存大量工作數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)進行科學的生產(chǎn)分析，為領導決策提供可靠依據(jù)。 (4)便于及時發(fā)現(xiàn)問題，有利于提高效益。安裝遠程監(jiān)測系統(tǒng)后，可以及時發(fā)現(xiàn)停電、停機、缺相、油管堵塞、液面過低等情況，從而減少設備損壞，縮短停機時間，提高石油產(chǎn)量。抽油機運行過程中，井上井下的機電設備難免出現(xiàn)一些不正常情況，如缺相、井下出沙等。有些情況如能早發(fā)現(xiàn)早處理，就可將損失減至最低，否則很可能造成設備損壞甚至釀成重大事故 ［ 8］ 。 (1)完成系統(tǒng)的功能分析，并 深入了解系統(tǒng)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 ； (2)完成 抽油機遠程監(jiān)控 系統(tǒng)的整體設計 ； (3)完成器件的選型和技術方案及技術路徑的設計 ； (4)完成 GPRS 通訊設計； (5)完成硬件原理圖和電路板 (PCB)設計 ； (6)完成軟件設計和樣機調(diào)試。 7 第 2 章 抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 抽油機 GPRS 無線監(jiān)控系統(tǒng)，是應用于石油行業(yè)中的一種集采油、生產(chǎn)管理、設備檢測為一體的綜合自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)融合了多項新技術，是一套集現(xiàn)代電力技術、傳感器技術、 GPRS 移動通信技術以及計算機網(wǎng)絡技術于一體的新一代油田設備無線監(jiān)控管 理系統(tǒng)。 系統(tǒng)充分考慮油井的分散與 GPRS 網(wǎng)絡覆蓋的特征，有效地解決了分布廣泛、位置偏遠、環(huán)境特殊的抽油機設備運行的數(shù)據(jù)采集和傳輸問題，大大提高了油井生產(chǎn)設備運行維護的自動化、網(wǎng)絡化和可視化的管理水平 ［ 9］ ，實現(xiàn)了系統(tǒng)無線組網(wǎng)、實時監(jiān)控、自動采集數(shù)據(jù)、聯(lián)網(wǎng)報警、快速聯(lián)動處理、設備集中管理以及事件統(tǒng)計分析、最優(yōu)化分析與處理為一體的油田生產(chǎn)管理新局面，是油田生產(chǎn)企業(yè)增加產(chǎn)量，減少停機時間，及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，提高企業(yè)效益和工作效率的有效手段。 抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成：抽油機控制單元、監(jiān) 控中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、遠程通訊單元。 抽油機控制單元 此單元可以顯示正常的、有故障的、以及在某些情況下有故障前兆的深井泵設備狀況。該裝置安裝在深井泵的裝置控制盤上，用于報警和在緊急情況下切斷抽油機電動機電源。深井泵裝置的電動機功率圖也是一種有用的資料，在數(shù)據(jù)采集過程中對電動機的工作電流及電壓也進行采集，以便繪制電動機功率圖，為故障分析提出依據(jù) ［ 10］ 。 8 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 此系統(tǒng)可以定性和定量地識別深井泵設備狀況。系統(tǒng)根據(jù)遠測示功圖對抽油井的工作狀況進行分析。利用高檔微機強大的運 算和數(shù)據(jù)處理能力和基于 PC 機平臺上方便高效的開發(fā)工具，來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)要求能夠繪制遠測示功圖，并對遠測示功圖進行分析處理 ［ 11］ 。系統(tǒng)具有很好的數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡支持，對傳送回的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以利用工業(yè)局域網(wǎng)與 Inter 相連，為科研單位進行抽油機工作狀態(tài)的二次遠程分析與遠程控制提供第一手資料。 遠程通訊單元 在方案選擇時，我們選擇采用 GPRS 通訊方式進行數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，GPRS 通信系統(tǒng)的組成示意圖見圖 21。 圖 21 GPRS 通信系統(tǒng)組成示意圖 GPRS 是通用分組無線業(yè)務（ General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。 GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調(diào)制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。這種新的9 分組數(shù)據(jù)信道與當前的電路交換的話音業(yè)務信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（ BSS)從一開始就可提供全面的 GPRS 覆蓋。 GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組 數(shù)據(jù)業(yè)務。它非常適用于要求實時性的、大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱龊?［ 12］ 。 GPRS 在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線 IP 或 X． 25 服務。它采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。 GPRS 具有如下的優(yōu)點： ? 永遠在線：使用 GPRS 進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時，無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接，用戶可以一直在線。 ? 高速傳輸：數(shù)據(jù)傳輸速率高達 160Kbps。 ? 按流量計費：按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量來收費，每 K 流量三分錢。對于傳送數(shù)據(jù)量大的用 戶，也選用包月服務。傳送相同的數(shù)據(jù)量，較短信息方式要便宜很多。 由于抽油機分布廣泛且位置分散 ,對抽油機及井下工況信息的采集十分困難。因此采用低成本和高效率的基于 GPRS 技術的抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為主要的監(jiān)控方式。但每個抽油機及油井傳輸數(shù)據(jù)多 ,同時油田又有許多油井 ,因此整個監(jiān)控系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大。目前雖然研制出各種遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng) ,但還沒有充分考慮到這個問題 ,再加上移動公司的 GPRS 網(wǎng)絡有時處于繁忙狀態(tài) ,會造成整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)阻塞甚至死機 ［ 13］ 。 基于此因素考慮 ,設計了三層 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡 ,由現(xiàn)場層、監(jiān)控層和管理層組成?，F(xiàn)場層位于抽油機及油井現(xiàn)場 。監(jiān)控層位于各個井隊 ,負責本井隊的抽油機及井口信息的監(jiān)控 。監(jiān)控層和現(xiàn)場層采用基于 GPRS 技術進行無線數(shù)據(jù)傳輸。管理層負責本廠區(qū)各個井隊的數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲發(fā)布以及現(xiàn)場抽油機和井口故障診斷的任務 。管理層和監(jiān)控層采用局域網(wǎng)技術進行數(shù)據(jù)傳輸。這種結(jié)構(gòu)的特點是使大量數(shù)據(jù)在監(jiān)控層進行中轉(zhuǎn) ,避免管理層直接面對眾多油 10 井現(xiàn)場 ,防止數(shù)據(jù)阻塞。通過這種體系結(jié)構(gòu) ,為油田建立快速及高效的遠程監(jiān)控網(wǎng)絡和節(jié)能降耗奠定基礎 。 管理層 管理層主要由數(shù)據(jù)庫服務 器、診斷服務器和 WEB 服務器組成 ,如圖 23所示。它們是三臺計算機 ,為了提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性 ,采用三臺工控機IPC,同時增加一臺計算機作為組成冗余系統(tǒng) ,以提高系統(tǒng)可靠性。 監(jiān)控層 監(jiān)控層主要由工控機、 GPRSRouter 和打印機組成 ,如圖 23 所示。工控機的選型 :工控機即 IPC 是一種加固的增強型個人計算機 ,它可以作為工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。為了提高整個監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性 ,這里采用研華公司的 IPC。它采用符合“ EIA”標準的全鋼化工業(yè)機箱 ,增強了抗電磁干擾能力。采用總線結(jié)構(gòu)和模 塊化技術 ,提高了抗沖擊和抗振動能力。 GPRSRouter 選型 : GPRSRouter 和普通 Router 原理相似 ,可以方便地在 GPRS 網(wǎng)絡和企業(yè)局域網(wǎng)間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這里選用宏電公司的 GPRSRouter H7920,它內(nèi)置 ARM 處理器和嵌入式操作系統(tǒng) ,具備斷線檢測和自動重撥功能 ,具有上下線控制功能 ,可以保證永遠在線。 現(xiàn)場層 采集的數(shù)據(jù)送入 RTU,經(jīng)過 DTU 發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡中。另外 , RTU 根據(jù)當前抽油機的工況 ,經(jīng)過一定控制算法 ,確定電動機的最佳轉(zhuǎn)速 ,通過 RS485 總線送給變頻器 ,變頻 器根據(jù)指令要求調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 ,達到抽油機節(jié)能降11 耗的目的。如果出現(xiàn)電網(wǎng)電壓異常和電機負載過大等情況 ,控制器也可以發(fā)出指令 ,使電動機停止運轉(zhuǎn) ,保護抽油機。 圖 22 現(xiàn)場層硬件結(jié)構(gòu) 從圖 22 可以看出 ,和目前傳統(tǒng)的抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)相比 ,這種結(jié)構(gòu)的最大特點就是 RTU 既起到數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)淖饔?,同時又起到智能控制器的作用 ,可以實現(xiàn)抽油機現(xiàn)場的實時自動控制 ,構(gòu)成小閉環(huán)控制回路 ［ 14］ 。 RTU 的選型 :選用北京威控科技發(fā)展有限公司的 RTU1600。該型號 RTU 具有 8 路模擬量輸入 , 16 路數(shù)字量輸入 ,2 路編碼器輸 入 , 8 路數(shù)字量輸出 , 1 路繼電器輸出 , 4 路 PMW 輸出 , 1 個 RS485 總線和 3 個 3線 RS232總線。因此該 RTU完全可以滿足抽油機現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的需要。 RTU1600 內(nèi)部集成 GPRSDTU,因此可以省掉購買 DTU 的費用。 RTU1600 的最大優(yōu)點是支持使用 C 語言對其進行二次開發(fā) ,因此通過軟件開發(fā)可以作為智能控制器使用 ,滿足項目需求 ,以前還沒有這種設計 ,因此具有創(chuàng)新性。 變頻器的選型 :變頻器主要對抽油機電機轉(zhuǎn)速進行控制 , 并對電機過壓、欠壓、過流、欠流、缺相自動保護。這里選用森蘭 SB60+/61+全能王矢量控制變頻器。它具有 1 路 RS485 接口 ,支持 MODBUSRTU 協(xié)議 ,可以和 RTU通信 ,實現(xiàn) RTU 對電機的控制和電量參數(shù)的采集。 傳感器的選型 :壓力傳感器范圍為 0～ 15MPa,載荷傳感器范圍為 0～150kN,溫度傳感器范圍為 0～ 100176。 C。需要注意的是為了提高示功圖的精度 , 12 位移傳感器采用傾角傳感器 ,傾角傳感器安裝底座焊接在游梁上 ,把傾角傳感器用螺絲固定在安裝底座上 ,保證傾角傳感器可以隨游梁傾角變化即可。井口溫度壓力傳感器安裝在井口采油樹適當位置即可。 由于油田現(xiàn)場傳輸數(shù)據(jù)量大 ,為了提高系統(tǒng)傳輸效率 ,防止數(shù)據(jù)阻塞 ,在總結(jié)國內(nèi)外基于 GPRS 遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上 ,提出了三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu) ,如圖 22 所示。 現(xiàn)場層位于各抽油機現(xiàn)場 ,其作用是把抽油機和井口參數(shù)用 RTU 進行數(shù)據(jù)采集 ,通過 GPRSDTU發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡上 ,最后由采油隊監(jiān)控室的 GPRSROUTER 接收數(shù)據(jù) ,一般一個采油隊有幾十至幾百口油井。 監(jiān)控層位于采油隊監(jiān)控室 ,它負責監(jiān)控該井隊所有井口和抽油機的數(shù)據(jù) ,每個采油隊獨占一個數(shù)據(jù)中心。在各采油隊的監(jiān)控機上安裝組態(tài)軟件 ,通過GPRSRouter 接受油井實時數(shù)據(jù)并發(fā) 送控制指令。在監(jiān)控層計算機上可以顯示本作業(yè)區(qū)域內(nèi)油井功圖、電流和