高肇凌

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的研制

高肇凌

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：根據(jù)采油現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，融合多種無(wú)線技術(shù)，設(shè)計(jì)了采油井場(chǎng)從數(shù)據(jù)采集、控制到上傳的抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)。提出了基于無(wú)線技術(shù)的抽油機(jī)測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中每一層的無(wú)線解決方案。同時(shí)，系統(tǒng)使用了四象限共直流母線技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)能耗。該系統(tǒng)的研制解決了采油現(xiàn)場(chǎng)安裝布線困難的問(wèn)題，減少了工程實(shí)施時(shí)間，降低了工程成本；解決了長(zhǎng)期困擾油田井場(chǎng)線纜設(shè)備易被破壞、偷盜的問(wèn)題，有效保證了油氣開(kāi)采設(shè)備的安全。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)無(wú)線技術(shù)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)線測(cè)控技術(shù)飛速發(fā)展，在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。無(wú)線測(cè)控技術(shù)既解決了有線通信線路維護(hù)困難的問(wèn)題，又為人機(jī)交互方式提供了更加廣泛的途徑與便利。在國(guó)內(nèi)能源開(kāi)采領(lǐng)域中，油氣開(kāi)采所占份額巨大，然而國(guó)內(nèi)的油藏位置多處于野外及偏遠(yuǎn)山區(qū)，交通十分不便，有些采油井距離居民區(qū)較近，易遭到偷盜，破壞嚴(yán)重，需要花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力來(lái)維護(hù)，各油氣田的開(kāi)采成本主要集中在克服惡劣條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)參、維護(hù)方面，這使得國(guó)內(nèi)的油氣開(kāi)采成本巨大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降。將無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用于油氣田開(kāi)采，能夠解決一線工人現(xiàn)場(chǎng)調(diào)參、維護(hù)艱難的問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)技術(shù)進(jìn)行綜合的油氣開(kāi)采數(shù)據(jù)分析，對(duì)油氣井進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化管理，從而降低油田生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用[3]。

1系統(tǒng)組成及方案設(shè)計(jì)

油氣井測(cè)控系統(tǒng)作為保障油田安全有效運(yùn)行的重要組成部分，需要具備以下主要功能： 對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行釆集，在SCADA中心平臺(tái)形成示功圖[4-5]，為抽油機(jī)的節(jié)能運(yùn)行提供依據(jù)；對(duì)油氣井的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行釆集、處理，并定時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至SCADA中心；當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)故障類型進(jìn)行判斷，通過(guò)將故障信息及時(shí)上傳實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)的報(bào)警[6]；根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)及圖形進(jìn)行二次數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)量計(jì)算；根據(jù)排采制度將命令實(shí)時(shí)地傳送至各個(gè)抽油機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

1.1無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)抽油機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的功能，將無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)分為三層： 采集/執(zhí)行層、通信傳輸層、站控層。采集/執(zhí)行層采用集散式的Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用專用的頻點(diǎn)與ID，能夠防止與周圍其他設(shè)備產(chǎn)生沖突，可避免被周圍的電磁環(huán)境干擾[7]；通信傳輸層根據(jù)用戶需求可選用Micwill自建通信網(wǎng)絡(luò)或GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，目前成熟穩(wěn)定的Micwill自建通信網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)[8]傳輸技術(shù)都能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及測(cè)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

站控層根據(jù)職能劃分為兩層，如圖1所示。第一層是生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理層，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，提供生產(chǎn)相關(guān)的分析數(shù)據(jù)和油氣井的健康情況以及相關(guān)的日、月、年度產(chǎn)量表報(bào)，供公司進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃安排以及效益分析。第二層主要是數(shù)據(jù)發(fā)布層，為管理人員進(jìn)行整體戰(zhàn)略決策提供數(shù)據(jù)參考，包含數(shù)據(jù)發(fā)布、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和備份數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、賬戶管理等功能。

圖1　站控層職能分層示意

1.2采集/執(zhí)行層

1) 數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)。抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集位于采集/執(zhí)行層，用來(lái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)對(duì)功圖數(shù)據(jù)、電參量數(shù)據(jù)和油井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理并上傳以及執(zhí)行SCADA中心下達(dá)的指令，如圖2所示。采集/執(zhí)行層主要由兩部分組成： 采集驅(qū)動(dòng)一體化控制柜、數(shù)據(jù)采集儀表。

a) 采集驅(qū)動(dòng)一體化控制柜主要由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和采集控制系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻器及電氣控制回路構(gòu)成。采集控制系統(tǒng)應(yīng)用基于Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的RTU接收采油井場(chǎng)的載荷傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)DTU經(jīng)無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至SCADA中心。采集控制系統(tǒng)通過(guò)DTU還可接收SCADA中心的命令并傳送給RTU，RTU將命令下達(dá)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以完成對(duì)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

圖2　采集/執(zhí)行層結(jié)構(gòu)示意

b) 數(shù)據(jù)采集儀表主要包括載荷傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，所有儀表采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地傳輸至采集控制系統(tǒng)的RTU。Zigbee無(wú)線通信技術(shù)主要用于低速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸速率在25～200K bit/s，傳輸半徑為10～70m，數(shù)據(jù)傳輸容量大，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。這些特性尤其適合于油氣井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

2) 抗干擾及節(jié)能措施。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波是造成無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)被干擾的重要原因之一。因此，從設(shè)計(jì)之初就將電磁干擾問(wèn)題考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，針對(duì)該情況抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制部分采用目前國(guó)際上先進(jìn)的四象限共直流母線變頻調(diào)速技術(shù)，如圖3所示。該技術(shù)能夠很好地抑制系統(tǒng)諧波擾動(dòng)，并且可將諧波干擾量控制在5%以內(nèi)，符合IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。四象限共直流母線技術(shù)將叢式井中所有抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接在一起，使得抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所發(fā)出的電能可通過(guò)直流母線被其他抽油機(jī)所利用，實(shí)現(xiàn)了能量的內(nèi)部平衡消耗，當(dāng)能量過(guò)剩時(shí)，系統(tǒng)可將能量反饋回電網(wǎng)，該技術(shù)既解決了數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的目的，達(dá)到了一舉兩得的效果。

1.3通信傳輸層

GPRS為通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)，是GSM運(yùn)營(yíng)商在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上推出的一種服務(wù)。它具有充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費(fèi)合理等特點(diǎn)。GPRS覆蓋地域廣，目前移動(dòng)通信網(wǎng)覆蓋率為95%，非邊遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋率幾乎為100%，可充分利用現(xiàn)有資源，方便、快速、低建設(shè)成本地為用戶數(shù)據(jù)終端提供遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)的部署。

圖3　四象限共直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的通信傳輸層采用無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)通信。首先現(xiàn)場(chǎng)側(cè)數(shù)據(jù)傳輸裝置DTU用于發(fā)送井場(chǎng)RTU采集處理后的井口數(shù)據(jù)并接收站控系統(tǒng)下達(dá)的調(diào)參指令，DTU按照預(yù)先指定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸；站控系統(tǒng)側(cè)采用3G路由器接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)解析，按照協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，SCADA軟件及Web發(fā)布調(diào)用，如圖4所示。

圖4　通信傳輸層結(jié)構(gòu)示意

1.4站控層

站控層主要由1套SCADA系統(tǒng)組成。SCADA系統(tǒng)為保證控制指令及時(shí)、可靠地上傳下達(dá)，一般采用多級(jí)控制方式。底層RTU，PLC，DCS等控制系統(tǒng)采集的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至站、區(qū)域監(jiān)控中心，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)上傳至SCADA主監(jiān)控中心。在遠(yuǎn)程操控上，SCADA系統(tǒng)一般能全局控制區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備，場(chǎng)站能控制站點(diǎn)所轄的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備。

SCADA系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過(guò)各站點(diǎn)的站控系統(tǒng)對(duì)該站點(diǎn)所轄油井進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制。SCADA系統(tǒng)將各站控制系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分檔和儲(chǔ)存，并向各站點(diǎn)發(fā)送調(diào)度和控制命令。SCADA系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)設(shè)置，各操作員工作站作為局域網(wǎng)上的1個(gè)節(jié)點(diǎn)，共享服務(wù)器的資源。SCADA系統(tǒng)配置的軟件包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件、SCADA監(jiān)控軟件、設(shè)備管理軟件等。SCADA系統(tǒng)提供Web服務(wù)器作為與上層應(yīng)用系統(tǒng)銜接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，Web服務(wù)器作為SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的出口在上層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中以網(wǎng)站的形式出現(xiàn)。

SCADA系統(tǒng)除了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還需要部署1臺(tái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)的作用是保存一些經(jīng)過(guò)處理的長(zhǎng)期業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以供上層應(yīng)用系統(tǒng)使用。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)有兩個(gè)來(lái)源： 來(lái)自實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)存的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；來(lái)自用戶人工錄入的數(shù)據(jù)。為保證系統(tǒng)整體的安全性，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和外部應(yīng)用系統(tǒng)的連接之間通過(guò)防火墻進(jìn)行保護(hù)，這樣能夠確保將SCADA系統(tǒng)和外部應(yīng)用有效隔離。

2應(yīng)用狀況

抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用在華北油田第二采油廠岔北工區(qū)。該工區(qū)抽油井多數(shù)位于居民區(qū)附近，在日常生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備、線纜被破壞、偷盜嚴(yán)重。由于該工區(qū)井組為高產(chǎn)井，為保證產(chǎn)量，工作人員需頻繁檢測(cè)油井參數(shù)，并對(duì)排采制度做出相應(yīng)調(diào)整，因而一線工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，維護(hù)成本費(fèi)用居高不下。

抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用使采油工程技術(shù)人員能夠輕松地檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算各項(xiàng)井口參數(shù)，并對(duì)各井發(fā)出遠(yuǎn)程的調(diào)整指令，有效提高了工作效率，降低了上井維護(hù)次數(shù)，該無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用有效減少了現(xiàn)場(chǎng)的破壞及偷盜現(xiàn)象。同時(shí)四象限共直流母線系統(tǒng)的使用不僅使數(shù)據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅提高，還為用戶節(jié)約了大量電能。節(jié)電情況見(jiàn)表1所列。

表1　四象限共直流母線技術(shù)應(yīng)用前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3結(jié)束語(yǔ)

1) 抽油機(jī)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的研制，在采油井場(chǎng)建立了1套數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，改變了油田依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和維護(hù)的現(xiàn)狀。該無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效地解決了現(xiàn)場(chǎng)線纜容易被破壞、偷盜的問(wèn)題，保證了油氣開(kāi)采設(shè)備的安全，為用戶節(jié)省了巡井、護(hù)井的費(fèi)用開(kāi)支。

2) 四象限共直流母線技術(shù)的應(yīng)用，保證了該系統(tǒng)不受自身高次諧波的干擾，進(jìn)一步增強(qiáng)了測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)極大地降低了能量消耗。

3) 該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝配置簡(jiǎn)單，施工方便，無(wú)需布線，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Development of Wireless Monitoring and Control System of Pumping Unit

Gao Zhaoling

(Rongsheng Machinery Manufacture LTD. of Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstract：According to actual working condition of oilfield site, a wireless pumping unit monitoring and control system from data acquisition, control to upload is designed by converging multiple wireless technologies. One monitoring and control system framework based on wireless technology for pumping unit is proposed. The wireless solutions for every layer of system are introduced in detail. Four quadrant common DC bus technology is applied in system to further improve system stability and decrease system energy consumption. The development of wireless pumping unit monitoring and control system solves the problem of wire distribution at oilfield site with reduction of construction time and engineering cost. Problems of equipments easily being destroyed and stolen are solved with system application. The safety of oil&gas production equipment is guaranteed efficiently.

Key words:pumping unit; wireless technology; supervisory control and data acquisition; remote control

基金項(xiàng)目：滄州市科技計(jì)劃項(xiàng)目“數(shù)字化抽油機(jī)及控制系統(tǒng)的研制”(項(xiàng)目號(hào)： 142107002D)。

作者簡(jiǎn)介：高肇凌(1981—)，2008年畢業(yè)于燕山大學(xué)模式識(shí)別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油裝備自動(dòng)化、控制產(chǎn)品的研制工作，任工程師。

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)03-0028-04

稿件收到日期： 2016-01-25，修改稿收到日期： 2016-03-28。