譚智（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

GPRS智能集散式抽油機節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)

譚智（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

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)控中心計算機系統(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模塊采樣計算抽油機運行過程中的實時電壓、電流等運行參數(shù)，對被撬、竊電等異常工況產(chǎn)生實時報警信號。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)控中心計算機系統(tǒng)，監(jiān)控中心既可以直觀地監(jiān)測抽油機運行狀況，進行遠程智能故障診斷與報警，又可以遠程控制起、停機，以及節(jié)能運行與直接運行的切換等，GPRS監(jiān)控系統(tǒng)在油井現(xiàn)場應用，取得了較好的節(jié)電效果。

抽油機 節(jié)能 GPRS監(jiān)控 故障診斷

油田抽油機工作遇雷擊及人為破壞等時有發(fā)生，怎樣把油井運行的相關(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進行實地測量[1]，這種方式效率低而且浪費大量人力。油田曾采用微波、數(shù)傳電臺的方式采集數(shù)據(jù)，但實際使用過程中效果不理想，高成本的投入和頻繁的維護讓采油單位不堪重負。

GPRS（通用分組無線服務）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[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具有以下特點和優(yōu)勢：

◇實時在線功能——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——實際應用中可提供40～100 kbit/s的帶寬；

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

◇支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議——應用GRPS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采油工人在辦公室里輕點鼠標就能夠?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。節(jié)能型抽油機、電動機、配電產(chǎn)品大量出現(xiàn)。對于傳統(tǒng)的游梁式抽油機，其節(jié)能手段主要是△-Y變換、可控硅實時跟蹤調(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。但是當井下工況變化而載荷增大時,電動機實際工作在過載狀態(tài)，節(jié)能效果不理想，甚至使電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)而停機。變頻器由于體積大、成本高、技術(shù)復雜，節(jié)電效果并不理想，不適用于抽油機井場。

GPRS監(jiān)控系統(tǒng)使用了可控硅實時跟蹤調(diào)壓技術(shù)，實現(xiàn)了抽油機電動機輸入電壓有效值與負載率動態(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)控中心計算機系統(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三相電動機的運行信息，分為三相電信息和報警信息。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)。報警信息采用立即傳送方式，當箱門被撬、人為竊電、電動機皮帶脫落、停機、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)測中心的計算機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)控中心計算機。監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)軟件一方面通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場監(jiān)測終端進行雙向通信，另一方面為工作人員提供一個可視化人機界面，讓采油工人足不出戶即可實時監(jiān)控抽油機的運行。

2 現(xiàn)場監(jiān)控終端功能及軟硬件設(shè)計

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控終端功能設(shè)計

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、電動機皮帶脫落、停機、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)計方法。

監(jiān)控終端具體功能如下：

◇控制功能——包括起、停機，節(jié)能運行與直接運行切換；

◇報警功能——包括人為竊電、電動機皮帶脫落、停機、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)及報警信息。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控終端主要硬件及程序設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)見圖2。中央處理單元由PIC16F877A單片機系統(tǒng)實現(xiàn)。MICROCHIP公司的PIC系列單片機具有高抗電磁干擾、穩(wěn)定性好的特點。本設(shè)計中采用的是14位指令寬度的中檔單片機PIC16F877A，既可以滿足數(shù)據(jù)處理、控制算法的實現(xiàn)，又可以適應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，達到最高性價比。

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，并且對零點的識別非?？煽浚瑫r器件內(nèi)部設(shè)計有移相控制電壓與同步鋸齒波電壓交點（交相）的鎖定電路，抗干擾能力極強。電路自身具有輸出禁止端，可在過電流、過電壓時進行保護，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)還為擴展功能預留了串行通訊接口。PIC16F877A帶有一個通用同步異步收發(fā)器，即USART口。利用串口擴展芯片SP2539采用分時復用技術(shù)擴展成5個完全獨立的全雙工子串口（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軟件設(shè)置）。使得中央處理單元可以同時對多路串口擴展模塊通訊，為系統(tǒng)功能擴展提供方便。

3 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)

GPRS為一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，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機上的配置軟件對所需參數(shù)進行配置，包括服務器端的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)進行配置，該模式適合于遠距離作業(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、簡訊服務及FAX等功能，最大傳輸速率可達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)控中心計算機系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

圖4 單點實時電流電壓曲線

數(shù)據(jù)通訊模塊負責與監(jiān)測終端進行雙向數(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制加密數(shù)據(jù)進行破解。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。報警信息處理模塊進行報警信息處理和顯示。數(shù)據(jù)曲線顯示模塊用以直觀地顯示實時的三相電壓、電流曲線?？刂泼畎l(fā)送模塊為工人提供控制命令發(fā)送接口，工人可在計算機終端對抽油機遠程發(fā)送起、停機，節(jié)能運行與直接切換命令。監(jiān)控中心應用軟件的不同模塊之間即互相獨立，又共享同一個數(shù)據(jù)庫。

圖4為單點實時電流電壓曲線，A、B、C相電流電壓分別用紅、綠、藍色曲線表示。圖中所顯示的曲線是37 kW抽油機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工作狀態(tài)。

5 現(xiàn)場應用效果

現(xiàn)場應用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，應用效果見表1。

表1 應用效果對比

6 結(jié)論

（1）GPRS監(jiān)控系統(tǒng)將抽油機遠程監(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的運行參數(shù)采集、故障報警，又完成了負載跟蹤、智能節(jié)電。

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

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

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

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

［2］呂捷．GPRS技術(shù)［M］.北京:郵電大學出版社,2001．

［3］任志國,林立.基于MCU的抽油機節(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．電機軟起動控制系統(tǒng)中功率因數(shù)角的研究［J］.中國電機工程學報,2002（41）．

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.011

2010-11-08)

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