鄭 華，李會英，陳 敬，魚 崗

(1.長慶油田 第五采油廠，西安 710200；2.長慶油田 第七采油廠，甘肅 慶城 745100；3.川慶鉆探 長慶鉆井總公司，西安 710018)①

分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構設計與測試

鄭 華1，李會英2，陳 敬3，魚 崗2

(1.長慶油田 第五采油廠，西安 710200；2.長慶油田 第七采油廠，甘肅 慶城 745100；3.川慶鉆探 長慶鉆井總公司，西安 710018)①

基于油井現(xiàn)場管理提出的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求，進行了分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構方案設計，分別給出了遠程監(jiān)控中心和無線通訊網(wǎng)絡的設計方案。通過分析分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中不同的遠程數(shù)據(jù)傳輸方式以及無線通訊網(wǎng)絡的接入方案，確定了基于 GPRS 的無線傳輸方案，并采用 Internet接入方案。介紹了分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)測試平臺的搭建；分別對PC監(jiān)控軟件和Web瀏覽器進行了相關測試，并對測試結果進行了分析。

遠程監(jiān)控；抽油機；Web 服務器；GPRS 無線傳輸

隨著技術的發(fā)展、人力成本的提高和生產(chǎn)效率提高，油田的監(jiān)控向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，油井監(jiān)控也向著分布式遠程監(jiān)控方向發(fā)展。國內(nèi)油田絕大部分都在偏遠地區(qū)且分布零散，為了降低巡井難度、降低人工勞動強度、降低采油成本、提高生產(chǎn)效率和油田自動化管理水平，基于自動化、網(wǎng)絡化、智能化的分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢。本文設計了一種分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時監(jiān)抽油井的生產(chǎn)狀況，有效地解決了相對分散的抽油機設備參數(shù)的實時采集和無線傳輸?shù)葐栴}，能夠集中、系統(tǒng)化地管理所有的油井[1]，使油井自動化管理水平大幅提高，降低了采油難度和勞動強度，極大地提高了油井生產(chǎn)的可靠性。

1 系統(tǒng)總體要求

為了對偏遠地區(qū)且分散的油井進行監(jiān)控和管理，要求監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測現(xiàn)場的運行信息，并能提供故障報警及診斷信息。此外，大部分油田都有視頻監(jiān)控的需求，以觀察是否有不明人員闖入油田[2-3]，因此監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r監(jiān)控油井的視頻信息?？紤]到實時監(jiān)測油井的數(shù)據(jù)量較大，監(jiān)控系統(tǒng)還需具備數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。另外，隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)應能實現(xiàn)不同油井數(shù)據(jù)的共享，并能提供遠程訪問的功能[3]。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括6個功能：①井場運行參數(shù)實時讀取及傳輸功能；②現(xiàn)場視頻信息實時監(jiān)測及傳輸功能；③數(shù)據(jù)庫管理功能；④自動報警及故障診斷功能；⑤用戶權限管理功能；⑥網(wǎng)站發(fā)布與數(shù)據(jù)共享功能。

2 系統(tǒng)總體方案設計

該分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由遠程監(jiān)控中心、遠程通訊網(wǎng)絡和現(xiàn)場設備(數(shù)據(jù)采集終端)3部分組成。遠程監(jiān)控系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)采集終端從油田現(xiàn)場采集到油井的工作狀態(tài)參數(shù)，通過遠程通訊網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心，進行相關處理、分析之后顯示；監(jiān)控中心也可以向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送控制指令，控制數(shù)據(jù)采集終端的啟停。

2.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于GPRS和互聯(lián)網(wǎng)的遠程無線傳輸網(wǎng)絡架構，再根據(jù)系統(tǒng)總體要求，總體結構方案如圖2所示。

遠程數(shù)據(jù)采集終端實時采集現(xiàn)場抽油機的運行參數(shù)及運行狀態(tài)信息，將這些信息發(fā)送至 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊；然后在發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡；GPRS網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控中心通過Internet相連。為傳輸過程中數(shù)據(jù)的安全性，在遠程監(jiān)控中心之前設置防火墻；監(jiān)控端通過實時獲取采集的信息，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務器中，同時PC端監(jiān)控軟件能與攝像頭連接，顯示攝像頭的實時視頻圖像；數(shù)據(jù)庫使用的是SQL Server 2008，供PC端監(jiān)控軟件存儲和查詢數(shù)據(jù)，Web瀏覽器端也能夠查詢數(shù)據(jù)庫中油井的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；用戶通過Web瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫，顯示數(shù)據(jù)庫中相應查詢結果。通過設置路由器和交換機實現(xiàn)了監(jiān)控端、數(shù)據(jù)庫、服務器及瀏覽端的互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享。

圖2 抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)實時性好，可靠性高，能滿足大量數(shù)據(jù)的遠距離無線傳輸，建設成本低，安裝和維護方便，通過設置多層防火墻極大地提高了分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，能夠滿足現(xiàn)代化抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

2.2 遠程監(jiān)控方案設計

該監(jiān)控系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控中心、遠程通訊網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集終端3部分。遠程監(jiān)控方案的設計主要包括遠程監(jiān)控中心和遠程通訊網(wǎng)絡的設計。

2.2.1 遠程監(jiān)控中心

遠程監(jiān)控中心主要包括PC端監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫服務器、Web瀏覽器和Web服務器4部分，其基本結構如圖3 所示。

圖3 分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)基本結構

PC端監(jiān)控軟件接收現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息和視頻信息，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中；同時可以控制井場抽油機的運行和啟停；通過Web服務器，將油井的各種實時數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)發(fā)布到局域網(wǎng)上，從而實現(xiàn)用戶之間數(shù)據(jù)共享；用戶可以通過Web 瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫查看井場相關信息。

2.2.2 遠程通訊網(wǎng)絡

遠程監(jiān)控系統(tǒng)除了遠程數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)控中心外，遠程通訊網(wǎng)絡也是其關鍵部分之一。對于遠程通訊網(wǎng)絡，首先應該選擇數(shù)據(jù)的傳輸方式，通常包括有線和無線2種傳輸方式[4]。考慮到國內(nèi)油田相對分散且都在偏遠地區(qū)，有線傳輸組網(wǎng)困難、維護成本高，因此有線傳輸不符合油田實際需求。無線數(shù)據(jù)傳輸方式建網(wǎng)更加靈活，后期維護更加方便、簡單，因此無線傳輸方式更加適合抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

常見無線傳輸方式有衛(wèi)星通訊、微波通訊、GSM 短消息、紅外線、藍牙、GPRS 等。在上述幾種無線傳輸方式中，GPRS連接不需要等待，數(shù)據(jù)傳輸速度較高，使用成本低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性較高，能夠遠距離傳輸，能夠無盲區(qū)覆蓋國內(nèi)主要油田，是現(xiàn)階段抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)常用的傳輸方式[5]。因此，本文選擇基于 GPRS 的無線網(wǎng)絡傳輸方式?；?GPRS 的無線網(wǎng)絡傳輸接入到遠程監(jiān)控中心主要有3種方式，分別為特定專線接入方式、Internet 接入方式及 GPRS 接入方式，如圖4所示。

圖4 三種 GPRS 接入方式

3種GPRS接入方式各有特色，專線方式需要通過專線傳輸，系統(tǒng)具有較高的安全性，傳輸延時性很小，但是成本較高[6]；Internet 接入方案的整體費用比專線接入方案低，并且 Internet 接入不受地域的影響，在全國都可以來訪問某地的GGSN 網(wǎng)關，由于該方案數(shù)據(jù)通過 Internet 傳輸，系統(tǒng)的安全性不高，需要設置安全防火墻提高系統(tǒng)的安全性[7]；GPRS接入方案中，數(shù)據(jù)也不通過Internet傳輸，完全在GPRS內(nèi)部網(wǎng)絡中進行傳輸，該方案安全性能一般，但是相較于上述2種方案，其成本最低，但是由于后臺監(jiān)測中心也是采用GPRS無線傳輸模塊[8]，所以傳輸速率將受到GPRS系統(tǒng)帶寬的限制[9]，適合少量數(shù)據(jù)遠程傳輸。

考慮到油井分布偏遠和零散的特點，并且需要實時監(jiān)測抽油機的運行信息和現(xiàn)場的視頻信息，數(shù)據(jù)量較大，本系統(tǒng)選擇Internet接入方式，至于其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}，可以通過設置多層防火墻來加以改善。

3 系統(tǒng)調(diào)試與應用

3.1 測試平臺的搭建

測試平臺由抽油機、控制柜、攝像頭和遠程監(jiān)控中心組成抽油機通過電纜線與控制柜相連，數(shù)據(jù)采集控制器安裝在控制柜中，遠程監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集控制器通過網(wǎng)線連接。測試平臺的數(shù)據(jù)采集終端是RTU控制器，其主要功能是：采集抽油機的運行參數(shù)信息，包括電壓、電流、功率、頻率以及運行狀態(tài)等信息，并將運行狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡通訊對外傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。

測試平臺的幾個部分通過局域網(wǎng)互聯(lián)，控制器安裝在控制柜中，通過局域網(wǎng)與遠程監(jiān)控中心的PC電腦連接起來，攝像頭也通過局域網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控中心的電腦連接起來，形成了一個局域網(wǎng)絡環(huán)境?？刂破鲝挠途蝎@取數(shù)據(jù)，遠程監(jiān)控軟件通過無線傳輸網(wǎng)絡獲取控制器采集的各種實時參數(shù)，顯示實時數(shù)據(jù)并通過控制器進行參數(shù)設置和控制。

3.2 測試結果及分析

本文主要是對PC端監(jiān)控軟件和Web遠程監(jiān)控進行功能測試，并且對測試結果進行分析。對于PC端監(jiān)控軟件，主要是測試實時數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示；對于Web瀏覽端，主要測試油井視頻。

3.2.1 PC端監(jiān)控軟件測試

1) 實時數(shù)據(jù)測試。 實時數(shù)據(jù)包括電參數(shù)、設備參數(shù)、示功圖、報警信息。電參數(shù)包括三相電流、電壓、有功功率、無功功率、電能等參數(shù)；設備參數(shù)包括沖程、沖次、溫度等參數(shù)；示功圖反映了油井抽油機工作狀況的好壞，其利用位移和載荷等信息繪制出來；報警參數(shù)包括電機斷相報警，電機過熱報警、光桿等參數(shù)。示功圖是判斷井下抽油機工作狀況的重要依據(jù)，通過對示功圖的測試及分析，可以快速了解抽油機運行狀況，及時采取正確的處理方法，保證正常生產(chǎn)。圖5～6分別顯示抽油機正常工作時和光桿斷裂時的實時數(shù)據(jù)和示功圖。數(shù)據(jù)顯示油壓變化為 0 MPa，井口無壓力，油沒有抽上來，電流平均值為4.2 A；解析示功圖得出抽油機光桿斷裂，現(xiàn)場用虎鉗旋動抽油機光桿，初步判斷該抽油機光桿斷裂。

2) 歷史數(shù)據(jù)測試。歷史查詢界面提供用戶根據(jù)時間段和故障分類綜合查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，用戶可以自行修改起止時間和選擇故障分類，從而進行精確的查詢。該界面能夠顯示油井的歷史數(shù)據(jù)，包括圖形記錄和數(shù)據(jù)記錄，同時可以根據(jù)歷史時段、故障類型進行查詢。

圖5 抽油機正常工作時的示功圖

圖6 抽油機發(fā)生光桿斷裂時的示功圖

3.2.2 Web 遠程監(jiān)控測試

考慮到IE瀏覽器通用，且兼容性好，本文主要利用 IE瀏覽器來測試Web視頻監(jiān)控功能。初次進入油井視頻頁面，Web瀏覽器會提示下載Active X控件，按照默認路徑下載并安裝 Active X 控件以后，進入監(jiān)控主界面。

4 結語

針對油井分散的特點，開發(fā)了一種分布式抽油機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠遠程實時監(jiān)測抽油機的工作狀況及井場視頻信息，方便生產(chǎn)和管理。通過分析分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中不同的遠程數(shù)據(jù)傳輸方式以及無線通訊網(wǎng)絡的接入方案，確定了基于GPRS 的無線傳輸方案，并采用 Internet 接入方案?；谟途F(xiàn)場提出的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求，提出了總體設計方案；搭建了監(jiān)控系統(tǒng)的測試平臺，分別對 PC段監(jiān)控軟件和 Web 遠程監(jiān)控進行了測試及測試結果的分析。本系統(tǒng)選擇基于GPRS及Internet接入的遠程監(jiān)控方案，但是目前只是在局域網(wǎng)中得到了實現(xiàn)，在后續(xù)的開發(fā)過程中，將著重考慮遠程無線傳輸方式的實現(xiàn)。

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Design and Test of Distributed Remote Monitoring System for Pumping Unit

ZHENG Hua1，LI Huiying2，CHEN Jing3，YU Gang2

(1.No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710200，China；2.No.7OilProductionPlant，ChangqingOilfieldCompany，Qingcheng745100，China；3.ChangqingDrillingBranch，CCDE，Xi’an710018，China)

Based on the general requirements for wells site management proposed of remote monitoring system，a general structure program design of oil machine remote monitoring system for distributed control has been made，respectively the remote monitoring center and wireless communications network of design program were shown in this paper.Through analysis of distributed remote monitoring system in the different remote data way and wireless communications network of access program，wireless transmission program based on GPRS of was determined，and internet access program was used.Introduction was made for the distributed remote monitoring system for oil control test platform build respectively for PC monitoring software and Web browser related tests，and test results were analyzed.

remote monitoring and control；pumping unit；Web server；general packet radio service wireless transmission

1001-3482(2016)12-0033-04

2016-07-24

鄭 華(1982-)，女，陜西西安人，工程師，碩士，主要從事軟件工程及數(shù)字化管理工作。

TE933.3

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.009