CITECT在采油機(jī)效率測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

王山山， 鄔春學(xué)， 高麗萍， 卜飛飛

（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院上海200093；2.上海理工大學(xué)上海市計(jì)算機(jī)軟件評測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200093）

CITECT在采油機(jī)效率測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

王山山1，2， 鄔春學(xué)1， 高麗萍1，2， 卜飛飛1

（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院上海200093；2.上海理工大學(xué)上海市計(jì)算機(jī)軟件評測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200093）

為提高采油機(jī)的采油效率，通過對采油機(jī)運(yùn)行過程及油田工作流程的分析，提出一套基于PLC（可編程邏輯控制器）控制網(wǎng)絡(luò)和工控組態(tài)軟件（CITECT）的油田采油機(jī)效率測試設(shè)計(jì)方案.該方案根據(jù)采油機(jī)運(yùn)行各環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)采油機(jī)運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)監(jiān)控，并完成數(shù)據(jù)的處理、系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲、報(bào)表的制作等功能.現(xiàn)場實(shí)施運(yùn)行證明系統(tǒng)操作方便，具有優(yōu)良的人機(jī)界面及較高的可靠性.數(shù)據(jù)的處理結(jié)果可以很好地反映采油機(jī)各環(huán)節(jié)的工作狀況，工作人員可以方便地根據(jù)結(jié)果設(shè)置采油機(jī)工作的最佳配置.

CITECT；SCADA；采油機(jī)；效率測試

目前采油機(jī)設(shè)計(jì)、選型和應(yīng)用管理過程中缺 乏現(xiàn)場數(shù)據(jù)來支持，建立一個真實(shí)場景的測試平臺對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取及分析具有十分重要的意義.我國采油機(jī)的運(yùn)行效率比較低，平均效率僅為25.96%，而國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kW·h［1］，因此有必要對采油效率進(jìn)行分析.同時(shí)為了評價(jià)采油機(jī)在各種工況下抽油井的綜合節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)采油機(jī)與電動機(jī)、配電箱等設(shè)施的優(yōu)化配置，本研究利用新疆某油田測試井建立采油機(jī)性能測試平臺，利用該平臺模擬油井地面和地下的運(yùn)行參數(shù)，分析系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運(yùn)行效率，得出不同工況條件下的系統(tǒng)最佳組合和不同配置下的最佳控制參數(shù)，為機(jī)械采油設(shè)備技術(shù)改造提供依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)采油機(jī)及其配套設(shè)施的合理搭配提供技術(shù)支持.

整個效率測試系統(tǒng)應(yīng)用了儀表技術(shù)、Modbus協(xié)議、IP／TCP技術(shù)、PLC技術(shù)等［2］，組成了一個集成度較高的SCADA（supervisory control and data acquisition）系統(tǒng).在該系統(tǒng)中通過工業(yè)組態(tài)軟件［3］將采油機(jī)參數(shù)以圖形化的方式展現(xiàn)出來，準(zhǔn)確記錄并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，有效建立起油田信息化的支持層，為系統(tǒng)的優(yōu)化配置提供可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持.

本文采用施耐德電氣SCADA解決方案，應(yīng)用CITECT組態(tài)軟件［4-5］完成現(xiàn)場的監(jiān)控和效率分析.CITECT可以方便地與控制器實(shí)現(xiàn)通訊，并且刷新速率可達(dá)到毫秒級，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控.同時(shí)可以為現(xiàn)場操作人員提供方便人性化的人機(jī)交互界面，為整個系統(tǒng)的優(yōu)化提供技術(shù)上的支持.

1 研究方案

效率分析中消耗的電能和產(chǎn)出的原油是最關(guān)鍵的兩個方面，所有的分析設(shè)計(jì)也都從這兩個方面來進(jìn)行.電能在采油的每一個環(huán)節(jié)都在做功，這是分析的重點(diǎn)，也是分析的主線，從6 000 V高壓到變壓器開始一直到進(jìn)入變電柜再到電機(jī)，這是電能消耗，也是最初的總功（包涵無用功）.另一方面對原油的產(chǎn)出進(jìn)行分析，原油從地下到地面重力做的功為最終的有用功.最終效率也就是有用功與總功之比，但這樣一個籠統(tǒng)的數(shù)據(jù)在實(shí)際生產(chǎn)中沒有太大的指導(dǎo)意義.

本文以效率分析細(xì)化為前提，分析生產(chǎn)流程中各個環(huán)節(jié)的效率，之前有類似研究將效率分為電機(jī)效率、減速器效率、采油機(jī)效率［6］.由于采油過程涉及變壓器、電機(jī)、皮帶、減速器、四連桿、光桿、抽油泵等，每一過程都會損耗效率，因此在研究中增加了皮帶效率、四連桿效率、盤根盒效率、管柱效率.這樣可以得到以下兩部分效率［6］：地面損失效率（電機(jī)效率、皮帶效率、減速箱效率、四連桿效率）和地下?lián)p失效率（盤根盒效率、光桿效率、抽油泵效率、管柱效率）.

1.1 地面效率

地面部分效率的損失發(fā)生在電動機(jī)、皮帶、減速箱、四連桿這幾部分，如下式所示.

式中，η1表示電動機(jī)效率；η2表示皮帶效率；η3表示減速箱效率；η4表示四連桿效率.

另外，也可表示為：光桿做功／電機(jī)做功=功圖面積的功／一個周期內(nèi)電機(jī)做功.

1.2 井下效率

井下部分的能量損失發(fā)生在盤根盒、抽油桿、抽油泵和管柱中這幾部分，如下式所示.

式中，η5表示盤根盒效率；η6表示光桿效率；η7表示抽油泵效率；η8表示管柱效率.

另外，也可表示為：液體抽到地面做功／光桿做功=一個周期內(nèi)液體重量×揚(yáng)程／功圖面積的功

除了效率的細(xì)化，另外增加了示功圖的分析，以往的分析只關(guān)注載荷與位移的功圖，在研究中增加了電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率的示功圖，載荷與位移功圖可以清晰地展現(xiàn)出采油機(jī)工作情況，而電機(jī)的相關(guān)功圖可以反映出采油機(jī)上游的工作情況.除了測得實(shí)時(shí)功圖，還給出了理論功圖（通過參數(shù)的計(jì)算得出的功圖）、標(biāo)準(zhǔn)功圖（正常運(yùn)行時(shí)功圖），這兩個功圖可以用來作參照.功圖上的改進(jìn)給采油機(jī)的優(yōu)化配置提供了更詳盡的參考信息.

整個系統(tǒng)通過給各個環(huán)節(jié)安裝傳感器來采集數(shù)據(jù)，包括載荷、位移、流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩等數(shù)據(jù)，并由OCS（operation control system）控制器進(jìn)行集中處理［6-7］，處理后的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理.在整個過程中實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化、數(shù)據(jù)采集信息的集成，以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無縫處理［7］.系統(tǒng)結(jié)合油田自身的需要，有針對性地應(yīng)用CITECT開發(fā)平臺將通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集有機(jī)地結(jié)合在了一起，并開發(fā)出相關(guān)的子系統(tǒng)，其中包括采油機(jī)各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、產(chǎn)出的監(jiān)控、電量的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的處理、綜合報(bào)表系統(tǒng)等.系統(tǒng)概要圖如圖1所示.

2 關(guān)鍵技術(shù)說明

2.1 系統(tǒng)界面說明

圖1 系統(tǒng)概要圖Fig.1 Schematic diagram of the system

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測［8］：該界面為系統(tǒng)主界面，在采油機(jī)開啟，設(shè)備運(yùn)行的情況下，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)（包括電參數(shù)、流量參數(shù)、扭矩、轉(zhuǎn)速等），并可自動判斷一個行程的開始和結(jié)束.一個行程運(yùn)行過程中要實(shí)時(shí)顯示載荷、位移示功圖，同時(shí)給出實(shí)時(shí)位移、角位移、載荷等參數(shù)，以及操作人員目前的操作狀態(tài)和后臺程序正在工作的狀態(tài).另外，由于操作過程中有很多依賴的操作，系統(tǒng)會給出相關(guān)操作步驟提示和錯誤提示［9］.

其它功能：常量數(shù)據(jù)錄入、變壓器狀態(tài)監(jiān)控、功圖分析、報(bào)表分析等.

2.2 上下死點(diǎn)的確定

首先判斷采油機(jī)運(yùn)行的上下死點(diǎn)（采油機(jī)運(yùn)行過程中驢頭的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)）.所有現(xiàn)場準(zhǔn)備工作完成、基本參數(shù)確定后，接下來的任務(wù)就是上下死點(diǎn)的判定.由于采油機(jī)每次運(yùn)行過程中準(zhǔn)確的上下死點(diǎn)是不確定的，所以只能近似地把一個范圍內(nèi)的點(diǎn)作為到達(dá)上死點(diǎn)或者下死點(diǎn).這個范圍需要通過現(xiàn)場采油機(jī)的運(yùn)行過程來設(shè)定，且范圍的大小應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整.如果范圍太大，測試結(jié)果誤差就比較大，范圍太小就有可能在一個周期中檢測不到上下死點(diǎn)，這樣會造成系統(tǒng)出錯.此時(shí)，系統(tǒng)會識別這種錯誤并給出相應(yīng)提示（自動檢測測試點(diǎn)數(shù)，如果點(diǎn)數(shù)大于某一值說明沒有測試到死點(diǎn)，會提示出錯并重新測試，或者改變參數(shù)范圍）.具體判斷上下死點(diǎn)時(shí)先測試多個周期（至少兩個周期，一般定為30 s左右）的位移數(shù)據(jù)，選取其中最大的和最小的數(shù)據(jù)再加上一個偏差量分別作為上下死點(diǎn).在此過程中可能出現(xiàn)信號突變等異常情況（情況比較少見），如果有這種情況會給出重新測試上下死點(diǎn)提示.

2.3 功圖數(shù)據(jù)分析

測定上下死點(diǎn)的工作完成后，在數(shù)據(jù)分析時(shí)，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步問題.數(shù)據(jù)從傳感器端到計(jì)算機(jī)的過程中會出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)刷新不及時(shí)情況.PLC與現(xiàn)場傳感器通過Modbus協(xié)議，計(jì)算機(jī)與PLC連接通過TCP／IP協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)從現(xiàn)場到計(jì)算機(jī)要通過兩個協(xié)議［10］.特別是由PLC到計(jì)算機(jī)同步上效果不是很理想（理想情況下每100 ms就需要讀取一次數(shù)據(jù)）.經(jīng)過研究不采用每次都傳送數(shù)據(jù)，而是由OCS寄存器（9 999個寄存器）先保存一次完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試完成后再通過相應(yīng)的協(xié)議依次從寄存器中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中.但在實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)不能依照上述方案，由于刷新頻率較低，所以取的點(diǎn)要很少，又由于CITECT軟件在自身畫圖機(jī)制上采用數(shù)組來完成，定時(shí)（大約為100 ms）從PLC寄存器（寄存器的數(shù)據(jù)是和現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步變化的）讀取數(shù)據(jù)并保存到數(shù)組中，數(shù)組的長度會不斷地增加［11］.這個過程中系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否是上死點(diǎn)或者是下死點(diǎn)，從而確定是否要清空數(shù)組.而在畫功圖的時(shí)候采用定時(shí)或者事件的方式在面板上來顯示數(shù)組中的數(shù)據(jù)，隨著數(shù)組長度的增加，面板上的曲線也在增加，這樣就可以很好地反映載荷、位移的變化關(guān)系.如圖2所示為一個周期內(nèi)的示功圖.

圖2 載荷位移示功圖Fig.2 Load displacement diagram

2.4 功圖面積的計(jì)算

一次實(shí)驗(yàn)測試完成以后，需要對本次測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括以上說明的各種效率分析.由于地面效率等價(jià)于功圖的面積，而功圖又是不規(guī)則的，沒有一個確定的函數(shù)，所以只有兩個對應(yīng)的數(shù)組數(shù)據(jù).

經(jīng)過多次嘗試采用如圖3所示（見下頁）的功圖面積計(jì)算方法：采用交叉三角形方法來計(jì)算功圖面積，經(jīng)過比對計(jì)算的誤差相對較??；采用兩個點(diǎn)交替出現(xiàn)切割圖形為多個三角形，這樣雖然計(jì)算比簡單地從同一點(diǎn)引出三角形要復(fù)雜一些，但是比較準(zhǔn)確地計(jì)算出了功圖的面積.

圖3 功圖分割Fig.3 Division of indicator diagram

2.5 歷史效率分析

通過系統(tǒng)效率分析，改進(jìn)采油機(jī)的配置，在此重點(diǎn)給出了采油機(jī)示功圖（載荷和位移）、電機(jī)扭矩功圖（扭矩和位移）、電機(jī)轉(zhuǎn)速功圖（轉(zhuǎn)速和位移）、電機(jī)功率功圖（電機(jī)功率和位移），并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，功圖分析界面可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析，如圖4所示.

在同一個圖里顯示可以很清晰地反映出本次測試的問題，有經(jīng)驗(yàn)的工程師根據(jù)功圖形狀可以很容易地分析出當(dāng)時(shí)的采油機(jī)工作狀況，進(jìn)而采取一些改進(jìn)措施.

圖4 歷史功圖分析Fig.4 Analysis of historical indicator diagram

最終得到了細(xì)化后的各部分效率，用柱形圖來表示.通過柱形圖對比分析可以得出效率較低的環(huán)節(jié)，從而有針對性地對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如圖5所示.

圖5 歷史效率分析Fig.5 Analysis of historical efficiency

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)采油機(jī)效率分析比較籠統(tǒng)，特別在效率的分類方面沒有很好地反映局部效率，因此得出的結(jié)論存在很多不足，還有很多待完善的地方.針對當(dāng)前傳統(tǒng)采油機(jī)工作效率低下，且現(xiàn)存的效率分析方法對采油流程中各環(huán)節(jié)的效率分析不夠細(xì)化，提出了新的分析方法和新的監(jiān)控策略.對采油過程中的每一環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化之后再進(jìn)行效率分析，把整個效率分成多個局部的效率，再對比工作流程中的局部效率，從而有針對性地對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn).通過采用強(qiáng)大的CITECT組態(tài)軟件，結(jié)合PLC控制器較好地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、現(xiàn)場測試監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等功能，并且較詳細(xì)地分析了各環(huán)節(jié)的效率情況.整個系統(tǒng)自動化程度較高、界面友好、操作方便，為優(yōu)化油田采油系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)和理論支持.

［1］ 張曉玲，于海迎.采油機(jī)的節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.石油和化工節(jié)能，2007（2）：4-6.

［2］ 陳東，肖菲菲，張皺健.CITECT在油田自動化中的應(yīng)［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（1）：123-124.

［3］ 李淵浩，戴曙光，穆平安.基于組態(tài)軟件的GPRS通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（6）：520-522.

［4］ 澳大利亞悉雅特（中國）有限公司.Citect 7.1組態(tài)手冊［M］.上海：悉雅特（中國）有限公司，2006.

［5］ Citect Corporation.CITECTPty，CITECTSCADA web client user guide［M］.Australia：Citect Corporation，2004.

［6］ 石長生.采油機(jī)井系統(tǒng)效率研究［J］.科技資訊，2011（34）：068.

［7］ 紀(jì)紅.數(shù)字油田生產(chǎn)管理系統(tǒng)的建設(shè)［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（6）：5-8.

［8］ 張生，魏赟，邵清.基于現(xiàn)場總線的水廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（4）：365 -368.

［9］ 鄒金慧，高蘭.基于CITECT的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)技巧［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2008，33（5）：33 -37.

［10］ 黃珍，汪娟，陳琦，等.石化碼頭油罐區(qū)監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，21（6）：71-75.

［11］ 邴錦紋，苗志軍，趙永剛.CITECT監(jiān)控軟件在煤氣清洗自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.天津冶金，2006（4）：42-45.

（編輯：丁紅藝）

Application of CITECT in the Test System for Pumping Unit

WANGShan-shan1，2， WUChun-xue1， GAOLi-ping1，2， BUFei-fei1
（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Shanghai Key Laboratory of Computer Software Evaluating and Testing，University of Shanghai for Suence and Technology，Shanghai 200093，China）

In order to improve the efficiency of pumping unit，based on the analysis of the operation process of pumping unit and the working process of oil field，a design scheme for the efficiency test of pumping unit was presented by using the PLC control network and the industrial control configuration software CITECT.According to the characteristic of each work step of pumping unit，the data during the operation process were monitored，and the functions of data processing，system alarm，data storage，report output were achieved.Site implementation and experiments prove that the system has excellent human-computer interface and high reliability.The system provides a convenient way for workers to set up the optimal configuration of pumping unit in accordance with the processing results.

CITECT；SCADA；pumping unit；efficiency test

TP 399

A

1007-6735（2013）04-0373-04

2012-12-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61202376）；上海市教委“晨光計(jì)劃”資助項(xiàng)目（10CG49）

王山山（1988-），男，碩士研究生.研究方向：一致性維護(hù)、嵌入式等.E-mail：wangshan14＠126.com

高麗萍（1980-），女，講師.研究方向：CSCW、一致性維護(hù)、協(xié)同設(shè)計(jì)等.E-mail：lipinggao＠fudan.edu.cn