游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉廣友，邵惠生，董超群

（1.中國(guó)石化股份勝利油田分公司 孤東采油廠，山東 東營(yíng) 257237；2.山東省東營(yíng)市人力資源和社會(huì)保障局山東 東營(yíng) 257091；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580）

游梁式抽油機(jī)是有桿抽油設(shè)備系統(tǒng)的地面裝置，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修方便而得到廣泛應(yīng)用，是油田生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。在抽油機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程中，由于設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和社會(huì)治安問(wèn)題，時(shí)常發(fā)生以下故障：1）電機(jī)皮帶斷、油井光桿斷造成電機(jī)空轉(zhuǎn)；2）曲柄銷斷裂或脫落引發(fā)油井翻機(jī)安全事故；3）電機(jī)或變壓器被盜導(dǎo)致油井停產(chǎn)。為此綜合應(yīng)用傳感器、無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)Web信息發(fā)布等多項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一套適用于油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的油井生產(chǎn)故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在油井地面裝置發(fā)生異常或故障時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提高不正常停井的監(jiān)控和處理能力。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)研發(fā)涉及到傳感器選型與應(yīng)用、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)、監(jiān)控軟件功能開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)Web開(kāi)發(fā)與發(fā)布等，整體結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統(tǒng)工作原理如下：首先現(xiàn)場(chǎng)前端利用各類傳感器對(duì)油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，研發(fā)專用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元對(duì)狀態(tài)參數(shù)信息進(jìn)行采集和預(yù)處理，并按所選通訊模塊的通訊協(xié)議進(jìn)行編碼；然后通過(guò)GSM無(wú)線通信技術(shù)及時(shí)將其發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)；監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)將所獲得的信息進(jìn)行解碼，還原出曲柄銷（左、右）、電機(jī)及變壓器等抽油機(jī)地面裝置的工作狀態(tài)參數(shù)信息，將結(jié)果存放到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，并編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警處理、即時(shí)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、打印輸出等系統(tǒng)功能；最后利用動(dòng)態(tài)Web開(kāi)發(fā)與發(fā)布技術(shù)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布到油田局域網(wǎng)，使得采油廠、礦、隊(duì)各級(jí)用戶或工作人員可以通過(guò)授權(quán)分級(jí)瀏覽網(wǎng)站信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控所轄區(qū)域油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)、及時(shí)對(duì)油井地面裝置的異常和故障進(jìn)行排查和處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享[1-2]。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元由故障檢測(cè)模塊、核心處理模塊、無(wú)線通信模塊及電源模塊4部分構(gòu)成，如圖2所示。

2.1 故障信息檢測(cè)

主要檢測(cè)抽油機(jī)曲柄銷和變壓器兩種地面裝置的故障信息。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of the field measurement and control unit

2.1.1 曲柄銷故障檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)曲柄銷故障細(xì)分為曲柄銷斷裂、曲柄銷斷齒、曲柄銷孔磨損、曲柄銷孔裂紋和曲柄銷鍵槽壓潰等情況。造成曲柄銷故障的主要原因有日常維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)、裝配不合理、鑄造工藝不合理產(chǎn)生鑄造缺陷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成局部強(qiáng)度不足等，不管故障形式如何、故障原因?yàn)楹?，發(fā)生故障后的最終結(jié)果都是曲柄銷停止運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)通過(guò)在曲柄銷固定軸上安裝電容式接近開(kāi)關(guān)LJC30A3-H-Z/BX實(shí)現(xiàn)對(duì)曲柄銷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)，當(dāng)曲柄銷發(fā)生故障停止運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。曲柄銷故障檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 曲柄銷故障檢測(cè)流程圖Fig.3 Flow chart of the crank pin failure detection

2.1.2 變壓器故障檢測(cè)

變壓器自身工作一般比較穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)故障，但是其被放置在野外，無(wú)人看守、容易被盜。系統(tǒng)主要檢測(cè)變壓器斷電故障，檢測(cè)流程如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到變壓器斷電后立即切換到備用電池供電，及時(shí)把變壓器故障上報(bào)給中控室上位機(jī)進(jìn)行處理。

2.2 核心控制芯片

核心處理模塊是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元的核心部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各種故障的判斷與處理、報(bào)警信息上傳、回復(fù)上位機(jī)指令等功能，系統(tǒng)選用STC12C5206AD型單片機(jī)作為核心控制芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)，配備X5045外置看門狗復(fù)位芯片，防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的意外死機(jī)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3-5]。核心處理模塊的工作流程如圖5所示。

2.3 無(wú)線通信模塊

圖4 變壓器斷電故障檢測(cè)流程圖Fig.4 Flow chart of the power transformer fault detection

系統(tǒng)選用西門子的工業(yè)級(jí)高可靠性GSM模塊TC35i[6]，其支持中文短信息，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V，休眠狀態(tài)電流消耗為3.5 mA，空閑狀態(tài)為 25 mA，發(fā)射狀態(tài)為 300 mA（平均），峰值為 2.5A；可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）分別為2 W和1 W，在所選電池供電情況下可持續(xù)待機(jī)12 SIM讀卡器和天線，可通過(guò)AT命令雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。

圖5 核心處理模塊工作流程圖Fig.5 Flow chart of the core processing module

2.4 供電電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元采用雙供電模式，即交流電源供電和電池供電。交流電源通過(guò)工業(yè)級(jí)AC/DC模塊LH10-10B09轉(zhuǎn)化為直流輸入，經(jīng)各種穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需的供電電壓。高容量備用電池在交流電源掉電時(shí)為系統(tǒng)供電，并在交流電源正常工作時(shí)通過(guò)充電控制芯片BQ2057WSN進(jìn)行充電。

3 系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)

信息中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成如下主要功能：1）作為監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，通過(guò)GSM無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元，實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；2）作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，存儲(chǔ)、維護(hù)和管理曲柄銷、電機(jī)及變壓器等抽油機(jī)地面裝置的工作狀態(tài)參數(shù)信息；3）作為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器，為油田局域網(wǎng)授權(quán)用戶提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

上位機(jī)通過(guò)上海龍?zhí)m新電子公司生產(chǎn)的SH-LLXDZ型GSM短信DTU與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)檢測(cè)油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Delphi7.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集、處理、存儲(chǔ)、查詢、顯示等功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用功能強(qiáng)大的Oracle 10g網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)編程方面的主要工作包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存取、實(shí)時(shí)顯示、查詢統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、打印、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)組建等部分。

3.3 動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)站開(kāi)發(fā)及發(fā)布

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)以JSP為核心技術(shù)，發(fā)布工具為Tomcat。網(wǎng)站采用典型的B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。由于采用B/S架構(gòu)，用戶終端不需要專門的設(shè)備和軟件，只需要一臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，即可登錄系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的訪問(wèn)。

4 結(jié) 論

油井生產(chǎn)故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果：1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元工作狀態(tài)良好，硬件電路設(shè)計(jì)達(dá)到了可靠連續(xù)運(yùn)行的目的；2）數(shù)據(jù)傳輸狀況良好，系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠連續(xù)、可靠的發(fā)送與接收，且在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，誤碼率極低，可以保證現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的發(fā)送到信息中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；3）信息中心計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的存取、實(shí)時(shí)顯示、瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、打印等功能均通過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試；4）動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)站開(kāi)發(fā)及發(fā)布正常，運(yùn)行安全穩(wěn)定，頁(yè)面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)較好的完成了預(yù)期任務(wù)、后期維護(hù)管理方便，具有較大的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

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