劉廣友，邵惠生，董超群

（1.中國石化股份勝利油田分公司 孤東采油廠，山東 東營 257237；2.山東省東營市人力資源和社會保障局山東 東營 257091；3.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580）

游梁式抽油機是有桿抽油設備系統(tǒng)的地面裝置，以結構簡單、制造容易、維修方便而得到廣泛應用，是油田生產(chǎn)的關鍵設備。在抽油機的生產(chǎn)過程中，由于設備連續(xù)運轉(zhuǎn)和社會治安問題，時常發(fā)生以下故障：1）電機皮帶斷、油井光桿斷造成電機空轉(zhuǎn)；2）曲柄銷斷裂或脫落引發(fā)油井翻機安全事故；3）電機或變壓器被盜導致油井停產(chǎn)。為此綜合應用傳感器、無線通信、計算機監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫和動態(tài)Web信息發(fā)布等多項技術設計和開發(fā)了一套適用于油田生產(chǎn)現(xiàn)場的油井生產(chǎn)故障自動監(jiān)測系統(tǒng)，對油井的生產(chǎn)運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)測，在油井地面裝置發(fā)生異?；蚬收蠒r及時發(fā)出報警信息，提高不正常停井的監(jiān)控和處理能力。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)研發(fā)涉及到傳感器選型與應用、單片機系統(tǒng)設計與開發(fā)、無線通信電路設計、監(jiān)控軟件功能開發(fā)、數(shù)據(jù)庫規(guī)劃與實現(xiàn)、動態(tài)Web開發(fā)與發(fā)布等，整體結構及原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統(tǒng)工作原理如下：首先現(xiàn)場前端利用各類傳感器對油井的生產(chǎn)運行狀態(tài)參數(shù)進行實時檢測，研發(fā)專用現(xiàn)場測控單元對狀態(tài)參數(shù)信息進行采集和預處理，并按所選通訊模塊的通訊協(xié)議進行編碼；然后通過GSM無線通信技術及時將其發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)上位機；監(jiān)控系統(tǒng)上位機將所獲得的信息進行解碼，還原出曲柄銷（左、右）、電機及變壓器等抽油機地面裝置的工作狀態(tài)參數(shù)信息，將結果存放到數(shù)據(jù)庫服務器中，并編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時顯示、報警處理、即時查詢、統(tǒng)計報表、打印輸出等系統(tǒng)功能；最后利用動態(tài)Web開發(fā)與發(fā)布技術將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實時發(fā)布到油田局域網(wǎng)，使得采油廠、礦、隊各級用戶或工作人員可以通過授權分級瀏覽網(wǎng)站信息，實時監(jiān)控所轄區(qū)域油井的生產(chǎn)運行狀態(tài)、及時對油井地面裝置的異常和故障進行排查和處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享[1-2]。

2 現(xiàn)場測控單元設計

現(xiàn)場測控單元由故障檢測模塊、核心處理模塊、無線通信模塊及電源模塊4部分構成，如圖2所示。

2.1 故障信息檢測

主要檢測抽油機曲柄銷和變壓器兩種地面裝置的故障信息。

圖2 現(xiàn)場測控單元結構圖Fig.2 Diagram of the field measurement and control unit

2.1.1 曲柄銷故障檢測

現(xiàn)場曲柄銷故障細分為曲柄銷斷裂、曲柄銷斷齒、曲柄銷孔磨損、曲柄銷孔裂紋和曲柄銷鍵槽壓潰等情況。造成曲柄銷故障的主要原因有日常維護保養(yǎng)不及時、裝配不合理、鑄造工藝不合理產(chǎn)生鑄造缺陷、結構設計不合理造成局部強度不足等，不管故障形式如何、故障原因為何，發(fā)生故障后的最終結果都是曲柄銷停止運動，系統(tǒng)通過在曲柄銷固定軸上安裝電容式接近開關LJC30A3-H-Z/BX實現(xiàn)對曲柄銷運動狀態(tài)的檢測，當曲柄銷發(fā)生故障停止運動時發(fā)出報警信息。曲柄銷故障檢測流程如圖3所示。

圖3 曲柄銷故障檢測流程圖Fig.3 Flow chart of the crank pin failure detection

2.1.2 變壓器故障檢測

變壓器自身工作一般比較穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)故障，但是其被放置在野外，無人看守、容易被盜。系統(tǒng)主要檢測變壓器斷電故障，檢測流程如圖4所示，當系統(tǒng)檢測到變壓器斷電后立即切換到備用電池供電，及時把變壓器故障上報給中控室上位機進行處理。

2.2 核心控制芯片

核心處理模塊是現(xiàn)場測控單元的核心部分，負責實現(xiàn)各種故障的判斷與處理、報警信息上傳、回復上位機指令等功能，系統(tǒng)選用STC12C5206AD型單片機作為核心控制芯片進行電路設計和軟件開發(fā)，配備X5045外置看門狗復位芯片，防止系統(tǒng)運行時的意外死機，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3-5]。核心處理模塊的工作流程如圖5所示。

2.3 無線通信模塊

圖4 變壓器斷電故障檢測流程圖Fig.4 Flow chart of the power transformer fault detection

系統(tǒng)選用西門子的工業(yè)級高可靠性GSM模塊TC35i[6]，其支持中文短信息，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V，休眠狀態(tài)電流消耗為3.5 mA，空閑狀態(tài)為 25 mA，發(fā)射狀態(tài)為 300 mA（平均），峰值為 2.5A；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）分別為2 W和1 W，在所選電池供電情況下可持續(xù)待機12 SIM讀卡器和天線，可通過AT命令雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。

圖5 核心處理模塊工作流程圖Fig.5 Flow chart of the core processing module

2.4 供電電路設計

現(xiàn)場測控單元采用雙供電模式，即交流電源供電和電池供電。交流電源通過工業(yè)級AC/DC模塊LH10-10B09轉(zhuǎn)化為直流輸入，經(jīng)各種穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為各個模塊所需的供電電壓。高容量備用電池在交流電源掉電時為系統(tǒng)供電，并在交流電源正常工作時通過充電控制芯片BQ2057WSN進行充電。

3 系統(tǒng)功能開發(fā)

信息中心計算機系統(tǒng)負責完成如下主要功能：1）作為監(jiān)控系統(tǒng)上位機，通過GSM無線通信網(wǎng)絡連接現(xiàn)場測控單元，實現(xiàn)油井生產(chǎn)運行狀態(tài)參數(shù)的實時檢測；2）作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器，存儲、維護和管理曲柄銷、電機及變壓器等抽油機地面裝置的工作狀態(tài)參數(shù)信息；3）作為系統(tǒng)動態(tài)Web服務器，為油田局域網(wǎng)授權用戶提供數(shù)據(jù)信息服務。

3.1 上位機監(jiān)控軟件開發(fā)

上位機通過上海龍?zhí)m新電子公司生產(chǎn)的SH-LLXDZ型GSM短信DTU與現(xiàn)場測控單元進行連接，實時檢測油井的生產(chǎn)運行狀態(tài)參數(shù)。上位機監(jiān)控軟件采用Delphi7.0進行開發(fā)，實現(xiàn)油井生產(chǎn)運行狀態(tài)參數(shù)的采集、處理、存儲、查詢、顯示等功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫服務器功能設計

系統(tǒng)選用功能強大的Oracle 10g網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫平臺，數(shù)據(jù)庫編程方面的主要工作包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存取、實時顯示、查詢統(tǒng)計、報表、打印、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫組建等部分。

3.3 動態(tài)Web網(wǎng)站開發(fā)及發(fā)布

系統(tǒng)動態(tài)Web網(wǎng)站的開發(fā)以JSP為核心技術，發(fā)布工具為Tomcat。網(wǎng)站采用典型的B/S架構進行設計和開發(fā)。由于采用B/S架構，用戶終端不需要專門的設備和軟件，只需要一臺接入網(wǎng)絡的計算機和網(wǎng)頁瀏覽器，即可登錄系統(tǒng)實現(xiàn)對油井的生產(chǎn)運行狀態(tài)參數(shù)的訪問。

4 結 論

油井生產(chǎn)故障自動監(jiān)測系統(tǒng)自投入運行以來，達到了預期的設計效果：1）現(xiàn)場測控單元工作狀態(tài)良好，硬件電路設計達到了可靠連續(xù)運行的目的；2）數(shù)據(jù)傳輸狀況良好，系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠連續(xù)、可靠的發(fā)送與接收，且在數(shù)據(jù)傳輸過程中，誤碼率極低，可以保證現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)準確的發(fā)送到信息中心計算機系統(tǒng)；3）信息中心計算機軟硬件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的存取、實時顯示、瀏覽、查詢、統(tǒng)計、報表、打印等功能均通過了嚴格的測試；4）動態(tài)Web網(wǎng)站開發(fā)及發(fā)布正常，運行安全穩(wěn)定，頁面設計簡潔明了，實現(xiàn)了預期功能。現(xiàn)場應用表明，該系統(tǒng)較好的完成了預期任務、后期維護管理方便，具有較大的推廣價值和應用前景。

[1]劉尊民，林海波，儀垂杰．基于GPRS的油井監(jiān)控終端設計[J]．自動化與儀表，2010，30（2）：58-60．LIU Zun-min，LIN Hai-bo，YI Chui-jie.Design of oil well monitor terminal unit based on GPRS[J].Automation&Instrumentation，2010，30（2）:58-60．

[2]吳雷，王國華，王金濤，等．CDMA無線通信技術在自動授時中的應用[J]．無線電通信技術，2010，36（4）：55-57．WU Lei，WANG Guo-hua，WANG Jin-tao，et al.Application of CDMA to automatic time-service[J]．Radio Communications Technology，2010，36（4）:55-57．

[3]李云勝，李曉虹．基于STC單片機的商品電子防盜系統(tǒng)設計[J]．自動化與儀表，2009，29（7）：38-41．LI Yun-sheng，LI Xiao-hong.Design of electronic article surveillance system based on STC microcontroller[J]．Automation&Instrumentation，2009，29（7）:38-41．

[4]李建蘭，邵建龍，張志宏，等.基于STC12C系列單片機的DS18B20編程[J].國外電子測量技術，2009，28（1）：23-26．LI Jian-lan，SHAO Jian-long，ZHANG Zhi-hong，et al.Programs for DS18B20 based on STC12Csingle-chip computer[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28（1）:23-26．

[5]邢婭浪，趙錦成，孫世宇.基于STC系列單片機的SPWM波形實現(xiàn)[J]．國外電子測量技術，2009，28（12）：51-56．XING Ya-lang，ZHAO Jin-cheng，SUN Shi-yu.Design of SPWM control waveform based on STCsingle chip[J]．Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28（12）:51-56．

[6]梅燁，杜清珍．TC35i在遠程壓力監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J]．自動化儀表，2006，27（12）：59-62．MEI Ye，DU Qing-zhen.Application of TC35i in remote pressure monitoring system[J].Process Automation Instrumentation，2006，27（12）:59-62．