抽油機無線測控系統(tǒng)的研制

高肇凌

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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抽油機無線測控系統(tǒng)的研制

高肇凌

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：根據采油現場的實際工況，融合多種無線技術，設計了采油井場從數據采集、控制到上傳的抽油機無線測控系統(tǒng)。提出了基于無線技術的抽油機測控系統(tǒng)架構，詳細介紹了系統(tǒng)中每一層的無線解決方案。同時，系統(tǒng)使用了四象限共直流母線技術，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)能耗。該系統(tǒng)的研制解決了采油現場安裝布線困難的問題，減少了工程實施時間，降低了工程成本；解決了長期困擾油田井場線纜設備易被破壞、偷盜的問題，有效保證了油氣開采設備的安全。

關鍵詞：抽油機無線技術數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制

近年來，隨著科學技術的不斷進步，無線測控技術飛速發(fā)展，在工業(yè)制造領域得到了廣泛的應用[1-2]。無線測控技術既解決了有線通信線路維護困難的問題，又為人機交互方式提供了更加廣泛的途徑與便利。在國內能源開采領域中，油氣開采所占份額巨大，然而國內的油藏位置多處于野外及偏遠山區(qū)，交通十分不便，有些采油井距離居民區(qū)較近，易遭到偷盜，破壞嚴重，需要花費大量人力、物力、財力來維護，各油氣田的開采成本主要集中在克服惡劣條件進行現場調參、維護方面，這使得國內的油氣開采成本巨大，市場競爭力下降。將無線測控系統(tǒng)應用于油氣田開采，能夠解決一線工人現場調參、維護艱難的問題，通過應用無線通信技術和數據采集與監(jiān)控(SCADA)技術進行綜合的油氣開采數據分析，對油氣井進行遠程智能化管理，從而降低油田生產運營維護費用[3]。

1系統(tǒng)組成及方案設計

油氣井測控系統(tǒng)作為保障油田安全有效運行的重要組成部分，需要具備以下主要功能： 對抽油機運行參數進行釆集，在SCADA中心平臺形成示功圖[4-5]，為抽油機的節(jié)能運行提供依據；對油氣井的運行狀態(tài)參數進行釆集、處理，并定時將數據傳送至SCADA中心；當抽油機運行出現故障時，系統(tǒng)能夠根據故障類型進行判斷，通過將故障信息及時上傳實現故障狀態(tài)的報警[6]；根據上傳的數據及圖形進行二次數據導入，通過專業(yè)軟件進行數據處理及產量計算；根據排采制度將命令實時地傳送至各個抽油機，實現遠程控制功能。

1.1無線測控系統(tǒng)的總體架構

根據抽油機測控系統(tǒng)的功能，將無線測控系統(tǒng)分為三層： 采集/執(zhí)行層、通信傳輸層、站控層。采集/執(zhí)行層采用集散式的Zigbee無線網絡技術，使用專用的頻點與ID，能夠防止與周圍其他設備產生沖突，可避免被周圍的電磁環(huán)境干擾[7]；通信傳輸層根據用戶需求可選用Micwill自建通信網絡或GPRS無線通信網絡，目前成熟穩(wěn)定的Micwill自建通信網絡和GPRS網絡[8]傳輸技術都能夠保證數據傳輸的穩(wěn)定性及測控系統(tǒng)的響應速度。

站控層根據職能劃分為兩層，如圖1所示。第一層是生產數據管理層，對采集的數據進行統(tǒng)計和計算，提供生產相關的分析數據和油氣井的健康情況以及相關的日、月、年度產量表報，供公司進行生產計劃安排以及效益分析。第二層主要是數據發(fā)布層，為管理人員進行整體戰(zhàn)略決策提供數據參考，包含數據發(fā)布、關系數據庫和備份數據庫建設、賬戶管理等功能。

圖1　站控層職能分層示意

1.2采集/執(zhí)行層

1) 數據通信結構。抽油機無線測控系統(tǒng)的數據采集位于采集/執(zhí)行層，用來實現作業(yè)區(qū)對功圖數據、電參量數據和油井數據的實時采集、處理并上傳以及執(zhí)行SCADA中心下達的指令，如圖2所示。采集/執(zhí)行層主要由兩部分組成： 采集驅動一體化控制柜、數據采集儀表。

a) 采集驅動一體化控制柜主要由驅動控制系統(tǒng)和采集控制系統(tǒng)組成。驅動控制系統(tǒng)，負責對電機進行控制；驅動系統(tǒng)主要由變頻器及電氣控制回路構成。采集控制系統(tǒng)應用基于Zigbee無線通信技術的RTU接收采油井場的載荷傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器所采集的數據，并將數據進行處理，通過DTU經無線GPRS網絡傳送至SCADA中心。采集控制系統(tǒng)通過DTU還可接收SCADA中心的命令并傳送給RTU，RTU將命令下達給驅動系統(tǒng)，以完成對抽油機的遠程控制。

圖2　采集/執(zhí)行層結構示意

b) 數據采集儀表主要包括載荷傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，所有儀表采用Zigbee無線通信技術，以保證數據準確、穩(wěn)定地傳輸至采集控制系統(tǒng)的RTU。Zigbee無線通信技術主要用于低速數據傳輸領域，數據傳輸速率在25～200K bit/s，傳輸半徑為10～70m，數據傳輸容量大，運行穩(wěn)定可靠。這些特性尤其適合于油氣井現場數據采集。

2) 抗干擾及節(jié)能措施。變頻驅動系統(tǒng)運行時產生的高次諧波是造成無線測控系統(tǒng)被干擾的重要原因之一。因此，從設計之初就將電磁干擾問題考慮到系統(tǒng)設計當中，針對該情況抽油機無線測控系統(tǒng)的驅動控制部分采用目前國際上先進的四象限共直流母線變頻調速技術，如圖3所示。該技術能夠很好地抑制系統(tǒng)諧波擾動，并且可將諧波干擾量控制在5%以內，符合IEC國際標準。四象限共直流母線技術將叢式井中所有抽油機驅動系統(tǒng)連接在一起，使得抽油機運行過程中所發(fā)出的電能可通過直流母線被其他抽油機所利用，實現了能量的內部平衡消耗，當能量過剩時，系統(tǒng)可將能量反饋回電網，該技術既解決了數據干擾問題，又實現了節(jié)約電能的目的，達到了一舉兩得的效果。

1.3通信傳輸層

GPRS為通用分組無線業(yè)務，是GSM運營商在GSM網絡基礎上推出的一種服務。它具有充分利用現有網絡、資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費合理等特點。GPRS覆蓋地域廣，目前移動通信網覆蓋率為95%，非邊遠地區(qū)覆蓋率幾乎為100%，可充分利用現有資源，方便、快速、低建設成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署。

圖3　四象限共直流母線系統(tǒng)結構示意

抽油機無線測控系統(tǒng)的通信傳輸層采用無線GPRS網絡進行遠程的數據通信。首先現場側數據傳輸裝置DTU用于發(fā)送井場RTU采集處理后的井口數據并接收站控系統(tǒng)下達的調參指令，DTU按照預先指定的通信協(xié)議將數據進行轉換傳輸；站控系統(tǒng)側采用3G路由器接收數據，對數據解析，按照協(xié)議進行數據轉換，并將數據統(tǒng)一上傳至數據存儲服務器，SCADA軟件及Web發(fā)布調用，如圖4所示。

圖4　通信傳輸層結構示意

1.4站控層

站控層主要由1套SCADA系統(tǒng)組成。SCADA系統(tǒng)為保證控制指令及時、可靠地上傳下達，一般采用多級控制方式。底層RTU，PLC，DCS等控制系統(tǒng)采集的生產實時數據傳輸至站、區(qū)域監(jiān)控中心，同時通過系統(tǒng)專用網絡上傳至SCADA主監(jiān)控中心。在遠程操控上，SCADA系統(tǒng)一般能全局控制區(qū)域內的所有設備，場站能控制站點所轄的現場控制設備。

SCADA系統(tǒng)的主要任務是通過各站點的站控系統(tǒng)對該站點所轄油井進行數據采集及控制。SCADA系統(tǒng)將各站控制系統(tǒng)傳來的數據信息進行處理、分檔和儲存，并向各站點發(fā)送調度和控制命令。SCADA系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)按客戶機/服務器結構設置，各操作員工作站作為局域網上的1個節(jié)點，共享服務器的資源。SCADA系統(tǒng)配置的軟件包括計算機操作系統(tǒng)軟件、SCADA監(jiān)控軟件、設備管理軟件等。SCADA系統(tǒng)提供Web服務器作為與上層應用系統(tǒng)銜接的網絡服務器，Web服務器作為SCADA系統(tǒng)數據的出口在上層應用網絡中以網站的形式出現。

SCADA系統(tǒng)除了實時數據庫還需要部署1臺關系數據庫，該數據庫的作用是保存一些經過處理的長期業(yè)務數據以供上層應用系統(tǒng)使用。關系數據庫中的數據有兩個來源： 來自實時數據庫轉存的實時數據；來自用戶人工錄入的數據。為保證系統(tǒng)整體的安全性，在關系數據庫和外部應用系統(tǒng)的連接之間通過防火墻進行保護，這樣能夠確保將SCADA系統(tǒng)和外部應用有效隔離。

2應用狀況

抽油機無線測控系統(tǒng)應用在華北油田第二采油廠岔北工區(qū)。該工區(qū)抽油井多數位于居民區(qū)附近，在日常生產過程中設備、線纜被破壞、偷盜嚴重。由于該工區(qū)井組為高產井，為保證產量，工作人員需頻繁檢測油井參數，并對排采制度做出相應調整，因而一線工人勞動強度大，維護成本費用居高不下。

抽油機無線測控系統(tǒng)的應用使采油工程技術人員能夠輕松地檢測、統(tǒng)計和計算各項井口參數，并對各井發(fā)出遠程的調整指令，有效提高了工作效率，降低了上井維護次數，該無線系統(tǒng)的設計應用有效減少了現場的破壞及偷盜現象。同時四象限共直流母線系統(tǒng)的使用不僅使數據系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅提高，還為用戶節(jié)約了大量電能。節(jié)電情況見表1所列。

表1　四象限共直流母線技術應用前后的實驗數據

3結束語

1) 抽油機無線測控系統(tǒng)的研制，在采油井場建立了1套數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)，改變了油田依靠人工進行數據采集和維護的現狀。該無線系統(tǒng)的設計有效地解決了現場線纜容易被破壞、偷盜的問題，保證了油氣開采設備的安全，為用戶節(jié)省了巡井、護井的費用開支。

2) 四象限共直流母線技術的應用，保證了該系統(tǒng)不受自身高次諧波的干擾，進一步增強了測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時極大地降低了能量消耗。

3) 該系統(tǒng)現場安裝配置簡單，施工方便，無需布線，具有廣泛的應用前景。

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Development of Wireless Monitoring and Control System of Pumping Unit

Gao Zhaoling

(Rongsheng Machinery Manufacture LTD. of Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstract：According to actual working condition of oilfield site, a wireless pumping unit monitoring and control system from data acquisition, control to upload is designed by converging multiple wireless technologies. One monitoring and control system framework based on wireless technology for pumping unit is proposed. The wireless solutions for every layer of system are introduced in detail. Four quadrant common DC bus technology is applied in system to further improve system stability and decrease system energy consumption. The development of wireless pumping unit monitoring and control system solves the problem of wire distribution at oilfield site with reduction of construction time and engineering cost. Problems of equipments easily being destroyed and stolen are solved with system application. The safety of oil&gas production equipment is guaranteed efficiently.

Key words:pumping unit; wireless technology; supervisory control and data acquisition; remote control

基金項目：滄州市科技計劃項目“數字化抽油機及控制系統(tǒng)的研制”(項目號： 142107002D)。

作者簡介：高肇凌(1981—)，2008年畢業(yè)于燕山大學模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學位，現主要從事石油裝備自動化、控制產品的研制工作，任工程師。

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0028-04

稿件收到日期： 2016-01-25，修改稿收到日期： 2016-03-28。