抽油機減速器運行工況數(shù)字化管理系統(tǒng)的設(shè)計

胡小英，蘇 煒，胡加興，段存麗

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

眾所周知，抽油機的運行工況直接決定了油田的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益[1]，在油田作業(yè)中起著舉足輕重的作用，但作為抽油機的心臟——減速器[2]，它是抽油機工作組中將動力減速傳遞給抽油機的核心零部件，它的運行工況直接決定了抽油機采油效率及整個油田的經(jīng)濟效益[3]。如果工作中出現(xiàn)因為潤滑油的質(zhì)量問題而引起的震動、竄軸等問題[4]，輕者會降低工作效率，影響到減速機的使用壽命，重者將直接導(dǎo)致減速機無法正常運轉(zhuǎn)，從而造成抽油機停止工作[5]，直接影響油田的生產(chǎn)效益。針對油田管理自動化水平低，效率差，成本高等問題[6]，設(shè)計了油田抽油機減速器運行工況數(shù)字化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過外接安裝溫度、液位、電導(dǎo)率、及電流電壓等傳感器，可方便地實時監(jiān)測抽油機減速器的工作狀況及其過程參數(shù)，實現(xiàn)抽油機的遠(yuǎn)程啟動及運行工況的監(jiān)控，超限停機聲光報警，實時獲取減速器油溫、油質(zhì)、油位等參數(shù)信息。真正實現(xiàn)了“同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，達(dá)到強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個系統(tǒng)是集傳感技術(shù)、微機控制技術(shù)、現(xiàn)場總線通信技術(shù)、采油工藝整體優(yōu)化技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)整合技術(shù)、數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)，并結(jié)合油田特點，集成、整合現(xiàn)有的綜合資源于一體的數(shù)字化管理系統(tǒng)。以各井口處的抽油機減速器作為一個檢測節(jié)點，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行子網(wǎng)互聯(lián)，將各個節(jié)點的狀態(tài)傳輸給檢測站，檢測站也可作為一個中間節(jié)點和更高一級的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，這樣一級一級鏈接成一個油田現(xiàn)場綜合數(shù)字化檢測系統(tǒng)，在終極中央控制室中管理者可隨時查看各節(jié)點處的抽油機減速器的運行狀態(tài)，其原理框圖如圖1所示。

檢測報警終端的主要功能是將減速器現(xiàn)場的油溫、油質(zhì)、油位等物理量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電信號并進(jìn)行智能分析，實時檢測現(xiàn)場減速器的運行工況，當(dāng)減速器的運行出現(xiàn)異常時能自動進(jìn)行聲光報警，如果報警在較長時間內(nèi)沒有采取措施，則可通過現(xiàn)場繼電器切斷動力電機電源以防止事故發(fā)生，達(dá)到強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目的。其組成原理框圖如圖2所示。

1）減速器油溫監(jiān)測模塊

溫度傳感器選用Pt100熱電阻測溫系統(tǒng)，測量溫度范圍為－20～120℃；信號調(diào)理電路采用高精度的儀表放大電路AD620組成低通濾波器，對溫度信號進(jìn)行橋式放大；AD轉(zhuǎn)換模塊采用片內(nèi)AD；人機交互接口及顯示部分采用LCD，以便能在現(xiàn)場觀察潤滑油油溫，也可通過鍵盤設(shè)置上下限報警溫度，實現(xiàn)了電腦的“一鍵式”操作。

圖1 數(shù)字化油田減速器運行狀況檢測網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.1 Network frame of reducer work detection in digitalized oilfield

圖2 現(xiàn)場檢測節(jié)點原理組成框圖Fig.2 Principle block diagram on-the-spot checkpoint

2）減速器油質(zhì)監(jiān)測模塊

圖3 Pt100溫度檢測電路Fig.3 T emperature detecting circuit of Pt100

電導(dǎo)率傳感器采用電極式傳感器，傳感器封裝在不銹鋼殼體內(nèi)，通過密封螺紋可和減速器殼體進(jìn)行安裝。當(dāng)減速器潤滑油發(fā)生變質(zhì)時電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)率發(fā)生變化，加在電極兩端電橋上的輸入信號也發(fā)生變化，在電橋的輸出端利用差動放大器可以將該信號進(jìn)行放大，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，可對現(xiàn)場的干擾信號進(jìn)行濾波，最后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路將模擬的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再送到現(xiàn)場處理單片機中進(jìn)行處理，在單片機中對該電導(dǎo)率信號進(jìn)行分析，通過LCD將測量結(jié)果顯示出來，同時可通過按鍵設(shè)置上下限值，以便控制聲光報警裝置進(jìn)行報警。

3）減速器油位監(jiān)測模塊

液位傳感器選用電子式微壓液位傳感器，將其封裝在不銹鋼殼體中，通過殼體外的密封螺紋和減速器油箱連接安裝。傳感器件采用霍尼韋爾高精度微壓力傳感器件，該器件可將液體上下表面的壓力差轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號調(diào)理電路對該信號進(jìn)行放大濾波，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后輸入單片機中進(jìn)行處理，最終在上微機控制軟件系統(tǒng)中顯示。

4）單片機信息處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)選用MICROCHIP公司的高性能工業(yè)級單片機PIC18F458，該單片機功能強大、帶有10位高性能的AD轉(zhuǎn)換器、抗干擾能力強、帶有現(xiàn)場總線CAN控制器，可方便組成現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)。單片機的功能是將外圍電路采集的信號進(jìn)行綜合分析處理，并通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和檢測站的計算機進(jìn)行通信，保證計算機能夠觀察到檢測站現(xiàn)場各個節(jié)點的運行工況。

5）通信接口電路

通信接口電路選用RS485接口進(jìn)行通信，傳輸協(xié)議采用MODELBUS協(xié)議，可方便的組成多節(jié)點的檢測系統(tǒng)，單網(wǎng)情況下其節(jié)點數(shù)目可以達(dá)到64個之多，如果要擴展可以通過中繼進(jìn)行擴展。如圖4、圖5分別為RS485接口互聯(lián)電路及接口應(yīng)用電路圖。

圖4 RS485接口互聯(lián)電路Fig.4 I nterface interconnection circuit of RS485

6）通信協(xié)議

通過MODBUS協(xié)議，控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間實現(xiàn)串行通信。采用MODBUS協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制器設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控。

7）隔離控制繼電器電路

圖5 接口應(yīng)用電路Fig.5 I nterface application circuit of RS485

隔離控制繼電器電路由單片機控制并通過光電隔離防止對測量系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，當(dāng)系統(tǒng)控制節(jié)點發(fā)生異常且報警后，如果長時間沒有專業(yè)人員處理現(xiàn)場，為了避免發(fā)生意外，設(shè)置了強制電機斷電裝置，該裝置原理如圖6所示。

8）報警電路

現(xiàn)場聲光報警電路利用聲光報警和遠(yuǎn)程報警相結(jié)合的方式，選用高亮度的LED和聲音報警電路，效果好，避免一種報警方式失靈引起的事故。報警電路由現(xiàn)場單片機控制，靈活有效。其原理圖如圖6所示。

圖6 聲光報警電路Fig.6 S ound-light alarm circuit

2 檢測站系統(tǒng)

檢測站系統(tǒng)主要由檢測控制計算機、現(xiàn)場總線通信接口卡組成。檢測站能對本區(qū)域內(nèi)的抽油機減速器運行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動采集分析及報警，檢測人員在檢測站可查看每一臺抽油機減速器節(jié)點的運行情況，而不必安排專業(yè)人員在每個檢測點守候或巡視，節(jié)省了勞動力，實現(xiàn)了檢測點數(shù)字智能化值守。

1）通信轉(zhuǎn)換接口卡

由于每一個現(xiàn)場節(jié)點采用了現(xiàn)場總線通信方式，而一般的工業(yè)控制計算機中不具有相關(guān)的現(xiàn)場總線控制接口，因此需要通過一塊通信接口卡將現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)和計算機進(jìn)行相連，一般選用PCI或者ISA內(nèi)插式通信轉(zhuǎn)換卡。

2）現(xiàn)場檢測站軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)用VC++實現(xiàn)，其界面友好、操作簡單、功能強大。檢測軟件基于WINDOWS的MFC實現(xiàn)，通過單文檔或?qū)υ捒驅(qū)崿F(xiàn)，用戶只需用鼠標(biāo)點擊區(qū)域內(nèi)的各個節(jié)點號即可獲得該節(jié)點的抽油機減速器的工作狀況，如果某個節(jié)點發(fā)生報警，該軟件能夠自動獲取并報警，并且播報該節(jié)點的節(jié)點號，同時在界面上亮紅燈。

3 系統(tǒng)特點、先進(jìn)性及創(chuàng)新性

1）采用基于現(xiàn)場總線的節(jié)點多參數(shù)監(jiān)測技術(shù)，自動化程度高，使用方便直觀；

2）采用數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)與自動識別算法，保證了系統(tǒng)結(jié)果的高可靠性和可參考性；

3）采用上位機和下位機協(xié)同的分布式現(xiàn)場總線控制方式，使系統(tǒng)工作可靠、模塊易于集成；

4）采用高精度的多傳感器和高速信號處理技術(shù)，使系統(tǒng)的實時性能突出；

5）軟件功能完善，操作簡單，設(shè)定好后，可無人干預(yù)工作，方便查詢；

6）采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使處理系統(tǒng)設(shè)計理念先進(jìn)，效果良好；

7）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，方便布置，價格便宜便于安裝；

8）整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組織工作可靠，功能強大。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)為油田采油現(xiàn)場設(shè)備運行工況數(shù)字化的實施開創(chuàng)了一種新機制，新理念，新思，是集溫度傳感與監(jiān)測、電導(dǎo)率傳感與監(jiān)測、液位傳感與監(jiān)測、以及控制系統(tǒng)于一體的新型檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集溫度檢測和傳感技術(shù)、電導(dǎo)率傳感技術(shù)、電子液位傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與通信技術(shù)、精密機械技術(shù)、自動控制技術(shù)等于一體的多種技術(shù)的結(jié)合，它具有功能強、精度高、理念先進(jìn)等特點，是多學(xué)科交叉結(jié)合于工程應(yīng)用的典范。具有很高的推廣應(yīng)用價值。

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