董云峰

摘 要：油田抽油機(jī)的控制質(zhì)量直接影響著油田的工作質(zhì)量，為此，必須重視對(duì)油因抽油機(jī)的控制。文章簡(jiǎn)單介紹了油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的功能及運(yùn)行技術(shù)，嘗試?yán)肁tmega16-MI微控制器當(dāng)作主機(jī)，以具高精度的傳感器來檢測(cè)抽油機(jī)的各類參數(shù)，并將檢測(cè)結(jié)果顯示于現(xiàn)場(chǎng)液晶屏上，從而實(shí)現(xiàn)油田抽油機(jī)的數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，以有效采集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，加強(qiáng)對(duì)油田抽油機(jī)的質(zhì)量控制，從而保證油田的工作質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)控

對(duì)于油田的生產(chǎn)管理而言，在進(jìn)行石油開采的過程當(dāng)中，有效管理抽油機(jī)井至關(guān)重要。我國(guó)油田抽油井的分布范圍較廣且相對(duì)分散，多數(shù)抽油井地處偏僻地區(qū)，管理難度較大。而為油井管理服務(wù)的大部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)卻多是依靠人工采集，這不但加大了抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集的人力、物力成本，而且因人工采集多依靠工作人員自身經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)基本無測(cè)量設(shè)備，人工判斷存在較大誤差，不利及時(shí)發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)故障，致油田無法順利進(jìn)行生產(chǎn)，給油田企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[l]。

1 系統(tǒng)功能及運(yùn)行技術(shù)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采取的是集散式控制結(jié)構(gòu)，需采集抽油機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如載荷、電壓、電流、示功圖等，并對(duì)其實(shí)施分析和處理，再經(jīng)GPRS通信將所采集的各類現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至總站，在總站利用PC機(jī)進(jìn)行分析，若油井工作發(fā)生異常則會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)報(bào)警信息，且此信息會(huì)自動(dòng)傳輸至相關(guān)管理人員的移動(dòng)終端當(dāng)中，以及時(shí)處理并防范相關(guān)油井事故?，F(xiàn)場(chǎng)可將電流電壓值、示功圖、報(bào)警信息及相應(yīng)的時(shí)間和日期等均顯示于采集終端的顯示屏上，以便于工作人員及時(shí)掌握抽油機(jī)的工作狀況[2]。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

在對(duì)油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行考察時(shí)，要特別關(guān)注系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)在滿足集散式功能需求的基礎(chǔ)上能進(jìn)一步優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)操作時(shí)，應(yīng)依傳感裝置對(duì)于精度要求較高的需求，分析傳感器質(zhì)量，以提高系統(tǒng)對(duì)敏感器件的關(guān)注度，從而提高抽油機(jī)質(zhì)量控制性能。依抽油機(jī)裝置荷載不同，深入研究抽油機(jī)所配備的電機(jī)，以有效控制電機(jī)電流。相關(guān)操作人員應(yīng)高度重視沖程，合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行流程，以不斷完善系統(tǒng)示功圖，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。實(shí)施系統(tǒng)處理前，應(yīng)分析相應(yīng)技術(shù)，調(diào)查相關(guān)處理流程，使通信系統(tǒng)能利用運(yùn)行模塊來處理相關(guān)工作數(shù)據(jù)。此外，還要加強(qiáng)關(guān)注系統(tǒng)總站和報(bào)警信息，加強(qiáng)系統(tǒng)信息處理能力，一方面為系統(tǒng)的運(yùn)行提供硬件保障，另一方面可及時(shí)、規(guī)范地處理各類系統(tǒng)信息，從而提高油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作質(zhì)量。

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

本案所設(shè)計(jì)的油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是以Atmega16-16MI作為主機(jī)，其是一種低功耗微控制器，結(jié)構(gòu)為AVR RISC結(jié)構(gòu)，擁有諸多先進(jìn)指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞傳輸功率達(dá)1 MIPS/MHz，有效解決了系統(tǒng)功耗及處理速度間的矛盾。

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分由傳感器和信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘校準(zhǔn)、顯示器、I/O擴(kuò)展、GPRS通信、無線數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警器和電機(jī)控制等構(gòu)成[3]。

2.1.1 傳感器的選取

現(xiàn)油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的傳感器有很多種，包括負(fù)荷傳感器、角位移傳感器、流量傳感器等。以往對(duì)位移和載荷進(jìn)行測(cè)量主要采取的方式是利用配電柜中的測(cè)量模塊和滑動(dòng)變阻器或是角位移模塊進(jìn)行測(cè)量，但其安裝困難、工藝復(fù)雜且存在一定安全隱患，為此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要選取適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。本系統(tǒng)所選擇的傳感器為無線傳輸載荷位移一體化傳感器，將其安裝于抽油桿的平衡鐵上，經(jīng)測(cè)量抽油桿的加速度，再行二次積分即可分析出原理測(cè)量位移；另，可利用433 MHz無線通信將信號(hào)傳輸至無線模塊，經(jīng)無線模塊的RS232接口，可將信號(hào)轉(zhuǎn)換為示功圖，并將其傳輸至GPRS模塊，從而讓總站了解抽油機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。在電機(jī)的主回路上安裝霍爾電流傳感器，可通過采集定子線圈的電流輸入信號(hào)從而了解電機(jī)的運(yùn)行狀況，并可檢測(cè)保護(hù)缺相。儲(chǔ)油罐的流量計(jì)可選擇LC型橢圓齒輪流量計(jì)對(duì)液體黏度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)矩形波進(jìn)行輸出。

2.1.2 A/D和時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器芯片為8路輸入的ADC0809，可將傳感器所生成信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)利用X1205以提供時(shí)間基準(zhǔn)，通過檢測(cè)和記錄抽油機(jī)各類參數(shù)，同時(shí)還會(huì)保存相關(guān)時(shí)間信息，以供用戶分析相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而采取有效解決措施。

2.1.3 顯示電路及I/O擴(kuò)展設(shè)計(jì)

系統(tǒng)顯示屏為MZL02-12864液晶顯示屏，其包含22個(gè)指令控制字，輸入控制字即可對(duì)顯示屏的初始條件及運(yùn)行條件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，從而控制顯示屏的運(yùn)行狀態(tài)和模式。I/O擴(kuò)展功能所使用的是8255A芯片。

2.1.4 GPRS通信設(shè)計(jì)

GPRS通信可采取MD-609G，其擁有眾多數(shù)據(jù)接口，如RS232，RS485，RS422，TTL等，其可與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備相互連接，并且可自行設(shè)置數(shù)據(jù)接口的波特率，支持串口硬流控，也可采取標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。

2.1.5 無線傳輸設(shè)計(jì)

無線傳輸模塊的主要功用是接收源于傳感器所傳輸過來的數(shù)據(jù)，在此可選擇PTR2000無線數(shù)傳Modem模塊，其所使用的FSK調(diào)制/解調(diào)器具強(qiáng)抗干擾能力、高靈敏度、低發(fā)射功率，傳輸距離可達(dá)1 km，可很好地滿足無線管制需求。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的功能主要是將現(xiàn)場(chǎng)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)MD609G模塊傳輸至監(jiān)控中心，并將所采集的各類參數(shù)信息顯示于現(xiàn)場(chǎng)的顯示屏上，包括電流、電壓、示功圖、報(bào)警信息、時(shí)間和日期等。此外，系統(tǒng)還要與監(jiān)控中心相互連接，以接收相關(guān)指令并作出反映，如控制抽油機(jī)開關(guān)機(jī)、報(bào)警、遠(yuǎn)程復(fù)位等。為此，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)首先應(yīng)重置各類系統(tǒng)參數(shù)，如入口地址、工作區(qū)單元、時(shí)鐘、顯示屏、串口等，其中串口的初始化還需設(shè)置通信格式。初始化完成后中，即定期將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，若連續(xù)發(fā)送3 min以上均未成功，即應(yīng)重新再次發(fā)送；若參數(shù)超出允許范圍系統(tǒng)即會(huì)自動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將此參數(shù)及報(bào)警信息均傳輸至監(jiān)控中心，以供監(jiān)控中心工作人員參考，在進(jìn)行分析后會(huì)再次給予現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)控制命令，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行相應(yīng)命令即可對(duì)系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行有效控制。

2.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

油因抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控中心的職責(zé)在于接收、處理、存儲(chǔ)所上傳的數(shù)據(jù)，顯示各類數(shù)據(jù)狀態(tài)，若出現(xiàn)異常，即發(fā)出報(bào)警，并將各類信息經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至各相關(guān)部門。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控中心軟件可采取LabVIEW及Matlab進(jìn)行混合編程，系統(tǒng)利用LabVIEW可用于設(shè)計(jì)用戶圖形界面，以采集相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)兼具網(wǎng)絡(luò)通信功能，再結(jié)合Matlab算法，還可繪制并識(shí)別示功圖。整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力較強(qiáng)，且可有效實(shí)現(xiàn)圖形與編程間的轉(zhuǎn)化。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要包括3方面：（1）電參數(shù)采集。因油井負(fù)荷和電壓等級(jí)不同，所應(yīng)用的互感器也有所不同，因此，在采集電參數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)幕ジ衅?，以有效采集油井電壓和電流參?shù)。數(shù)據(jù)的讀取可利用通信模塊實(shí)現(xiàn)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，還可將數(shù)據(jù)傳輸至總站主機(jī)，以供后臺(tái)進(jìn)行分析處理。（2）示功圖采集。在抽油機(jī)光桿處所安裝的載荷位移傳感器可對(duì)其載荷和位移進(jìn)行測(cè)量，并生成4～20 mA電流信號(hào)，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后即可以數(shù)字信息形式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采集芯片當(dāng)中，經(jīng)通信模塊可讀取所存儲(chǔ)的信息，再經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)，即可將所獲取的信息傳輸至總站主機(jī)后進(jìn)行分析和處理。（3）原油流量采集。系統(tǒng)主要采取觸發(fā)式方式來采集原油流量，即在抽油閥門或是排水閥啟動(dòng)后，即可開始采集原油流量及排水量。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的建立為油田開采質(zhì)量提供了重要保障，本文在深入分析系統(tǒng)功能的前提下，對(duì)系統(tǒng)軟硬件部件進(jìn)行了全面分析和研究，并進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的數(shù)據(jù)采集及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。相比于現(xiàn)下使用相對(duì)廣泛的RTU組態(tài)方案，本案所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的利用率較高，研發(fā)成本較低，后期維護(hù)便利，具較高應(yīng)用價(jià)值，且有著廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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