分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)試

鄭 華，李會(huì)英，陳 敬，魚(yú) 崗

(1.長(zhǎng)慶油田 第五采油廠，西安 710200；2.長(zhǎng)慶油田 第七采油廠，甘肅 慶城 745100；3.川慶鉆探 長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安 710018)①

分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)試

鄭 華1，李會(huì)英2，陳 敬3，魚(yú) 崗2

(1.長(zhǎng)慶油田 第五采油廠，西安 710200；2.長(zhǎng)慶油田 第七采油廠，甘肅 慶城 745100；3.川慶鉆探 長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安 710018)①

基于油井現(xiàn)場(chǎng)管理提出的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求，進(jìn)行了分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，分別給出了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)分析分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中不同的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式以及無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的接入方案，確定了基于 GPRS 的無(wú)線傳輸方案，并采用 Internet接入方案。介紹了分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的搭建；分別對(duì)PC監(jiān)控軟件和Web瀏覽器進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；抽油機(jī)；Web 服務(wù)器；GPRS 無(wú)線傳輸

隨著技術(shù)的發(fā)展、人力成本的提高和生產(chǎn)效率提高，油田的監(jiān)控向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，油井監(jiān)控也向著分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)油田絕大部分都在偏遠(yuǎn)地區(qū)且分布零散，為了降低巡井難度、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、降低采油成本、提高生產(chǎn)效率和油田自動(dòng)化管理水平，基于自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了一種分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)抽油井的生產(chǎn)狀況，有效地解決了相對(duì)分散的抽油機(jī)設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和無(wú)線傳輸?shù)葐?wèn)題，能夠集中、系統(tǒng)化地管理所有的油井[1]，使油井自動(dòng)化管理水平大幅提高，降低了采油難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了油井生產(chǎn)的可靠性。

1 系統(tǒng)總體要求

為了對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)且分散的油井進(jìn)行監(jiān)控和管理，要求監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行信息，并能提供故障報(bào)警及診斷信息。此外，大部分油田都有視頻監(jiān)控的需求，以觀察是否有不明人員闖入油田[2-3]，因此監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控油井的視頻信息?？紤]到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油井的數(shù)據(jù)量較大，監(jiān)控系統(tǒng)還需具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同油井?dāng)?shù)據(jù)的共享，并能提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)的功能[3]。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括6個(gè)功能：①井場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)讀取及傳輸功能；②現(xiàn)場(chǎng)視頻信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及傳輸功能；③數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能；④自動(dòng)報(bào)警及故障診斷功能；⑤用戶權(quán)限管理功能；⑥網(wǎng)站發(fā)布與數(shù)據(jù)共享功能。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(數(shù)據(jù)采集終端)3部分組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)采集終端從油田現(xiàn)場(chǎng)采集到油井的工作狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，進(jìn)行相關(guān)處理、分析之后顯示；監(jiān)控中心也可以向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送控制指令，控制數(shù)據(jù)采集終端的啟停。

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于GPRS和互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，再根據(jù)系統(tǒng)總體要求，總體結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)信息，將這些信息發(fā)送至 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊；然后在發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)；GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)Internet相連。為傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的安全性，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之前設(shè)置防火墻；監(jiān)控端通過(guò)實(shí)時(shí)獲取采集的信息，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，同時(shí)PC端監(jiān)控軟件能與攝像頭連接，顯示攝像頭的實(shí)時(shí)視頻圖像；數(shù)據(jù)庫(kù)使用的是SQL Server 2008，供PC端監(jiān)控軟件存儲(chǔ)和查詢數(shù)據(jù)，Web瀏覽器端也能夠查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中油井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；用戶通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)查詢結(jié)果。通過(guò)設(shè)置路由器和交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控端、數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器及瀏覽端的互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享。

圖2 抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可靠性高，能滿足大量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，建設(shè)成本低，安裝和維護(hù)方便，通過(guò)設(shè)置多層防火墻極大地提高了分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，能夠滿足現(xiàn)代化抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集終端3部分。遠(yuǎn)程監(jiān)控方案的設(shè)計(jì)主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

2.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要包括PC端監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web瀏覽器和Web服務(wù)器4部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

PC端監(jiān)控軟件接收現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)信息和視頻信息，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；同時(shí)可以控制井場(chǎng)抽油機(jī)的運(yùn)行和啟停；通過(guò)Web服務(wù)器，將油井的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)發(fā)布到局域網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)用戶之間數(shù)據(jù)共享；用戶可以通過(guò)Web 瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)查看井場(chǎng)相關(guān)信息。

2.2.2 遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)除了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)控中心外，遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)也是其關(guān)鍵部分之一。對(duì)于遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)，首先應(yīng)該選擇數(shù)據(jù)的傳輸方式，通常包括有線和無(wú)線2種傳輸方式[4]?？紤]到國(guó)內(nèi)油田相對(duì)分散且都在偏遠(yuǎn)地區(qū)，有線傳輸組網(wǎng)困難、維護(hù)成本高，因此有線傳輸不符合油田實(shí)際需求。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式建網(wǎng)更加靈活，后期維護(hù)更加方便、簡(jiǎn)單，因此無(wú)線傳輸方式更加適合抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

常見(jiàn)無(wú)線傳輸方式有衛(wèi)星通訊、微波通訊、GSM 短消息、紅外線、藍(lán)牙、GPRS 等。在上述幾種無(wú)線傳輸方式中，GPRS連接不需要等待，數(shù)據(jù)傳輸速度較高，使用成本低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性較高，能夠遠(yuǎn)距離傳輸，能夠無(wú)盲區(qū)覆蓋國(guó)內(nèi)主要油田，是現(xiàn)階段抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)常用的傳輸方式[5]。因此，本文選擇基于 GPRS 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式?；?GPRS 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸接入到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要有3種方式，分別為特定專線接入方式、Internet 接入方式及 GPRS 接入方式，如圖4所示。

圖4 三種 GPRS 接入方式

3種GPRS接入方式各有特色，專線方式需要通過(guò)專線傳輸，系統(tǒng)具有較高的安全性，傳輸延時(shí)性很小，但是成本較高[6]；Internet 接入方案的整體費(fèi)用比專線接入方案低，并且 Internet 接入不受地域的影響，在全國(guó)都可以來(lái)訪問(wèn)某地的GGSN 網(wǎng)關(guān)，由于該方案數(shù)據(jù)通過(guò) Internet 傳輸，系統(tǒng)的安全性不高，需要設(shè)置安全防火墻提高系統(tǒng)的安全性[7]；GPRS接入方案中，數(shù)據(jù)也不通過(guò)Internet傳輸，完全在GPRS內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，該方案安全性能一般，但是相較于上述2種方案，其成本最低，但是由于后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心也是采用GPRS無(wú)線傳輸模塊[8]，所以傳輸速率將受到GPRS系統(tǒng)帶寬的限制[9]，適合少量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

考慮到油井分布偏遠(yuǎn)和零散的特點(diǎn)，并且需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的運(yùn)行信息和現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息，數(shù)據(jù)量較大，本系統(tǒng)選擇Internet接入方式，至于其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥?wèn)題，可以通過(guò)設(shè)置多層防火墻來(lái)加以改善。

3 系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用

3.1 測(cè)試平臺(tái)的搭建

測(cè)試平臺(tái)由抽油機(jī)、控制柜、攝像頭和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成抽油機(jī)通過(guò)電纜線與控制柜相連，數(shù)據(jù)采集控制器安裝在控制柜中，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集控制器通過(guò)網(wǎng)線連接。測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集終端是RTU控制器，其主要功能是：采集抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)信息，包括電壓、電流、功率、頻率以及運(yùn)行狀態(tài)等信息，并將運(yùn)行狀態(tài)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊對(duì)外傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。

測(cè)試平臺(tái)的幾個(gè)部分通過(guò)局域網(wǎng)互聯(lián)，控制器安裝在控制柜中，通過(guò)局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的PC電腦連接起來(lái)，攝像頭也通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的電腦連接起來(lái)，形成了一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?？刂破鲝挠途蝎@取數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)獲取控制器采集的各種實(shí)時(shí)參數(shù)，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并通過(guò)控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

本文主要是對(duì)PC端監(jiān)控軟件和Web遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行功能測(cè)試，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)于PC端監(jiān)控軟件，主要是測(cè)試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示；對(duì)于Web瀏覽端，主要測(cè)試油井視頻。

3.2.1 PC端監(jiān)控軟件測(cè)試

1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括電參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、示功圖、報(bào)警信息。電參數(shù)包括三相電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、電能等參數(shù)；設(shè)備參數(shù)包括沖程、沖次、溫度等參數(shù)；示功圖反映了油井抽油機(jī)工作狀況的好壞，其利用位移和載荷等信息繪制出來(lái)；報(bào)警參數(shù)包括電機(jī)斷相報(bào)警，電機(jī)過(guò)熱報(bào)警、光桿等參數(shù)。示功圖是判斷井下抽油機(jī)工作狀況的重要依據(jù)，通過(guò)對(duì)示功圖的測(cè)試及分析，可以快速了解抽油機(jī)運(yùn)行狀況，及時(shí)采取正確的處理方法，保證正常生產(chǎn)。圖5～6分別顯示抽油機(jī)正常工作時(shí)和光桿斷裂時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和示功圖。數(shù)據(jù)顯示油壓變化為 0 MPa，井口無(wú)壓力，油沒(méi)有抽上來(lái)，電流平均值為4.2 A；解析示功圖得出抽油機(jī)光桿斷裂，現(xiàn)場(chǎng)用虎鉗旋動(dòng)抽油機(jī)光桿，初步判斷該抽油機(jī)光桿斷裂。

2) 歷史數(shù)據(jù)測(cè)試。歷史查詢界面提供用戶根據(jù)時(shí)間段和故障分類綜合查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，用戶可以自行修改起止時(shí)間和選擇故障分類，從而進(jìn)行精確的查詢。該界面能夠顯示油井的歷史數(shù)據(jù)，包括圖形記錄和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)可以根據(jù)歷史時(shí)段、故障類型進(jìn)行查詢。

圖5 抽油機(jī)正常工作時(shí)的示功圖

圖6 抽油機(jī)發(fā)生光桿斷裂時(shí)的示功圖

3.2.2 Web 遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試

考慮到IE瀏覽器通用，且兼容性好，本文主要利用 IE瀏覽器來(lái)測(cè)試Web視頻監(jiān)控功能。初次進(jìn)入油井視頻頁(yè)面，Web瀏覽器會(huì)提示下載Active X控件，按照默認(rèn)路徑下載并安裝 Active X 控件以后，進(jìn)入監(jiān)控主界面。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)油井分散的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種分布式抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的工作狀況及井場(chǎng)視頻信息，方便生產(chǎn)和管理。通過(guò)分析分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中不同的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式以及無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的接入方案，確定了基于GPRS 的無(wú)線傳輸方案，并采用 Internet 接入方案?；谟途F(xiàn)場(chǎng)提出的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求，提出了總體設(shè)計(jì)方案；搭建了監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，分別對(duì) PC段監(jiān)控軟件和 Web 遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行了測(cè)試及測(cè)試結(jié)果的分析。本系統(tǒng)選擇基于GPRS及Internet接入的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，但是目前只是在局域網(wǎng)中得到了實(shí)現(xiàn)，在后續(xù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將著重考慮遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸方式的實(shí)現(xiàn)。

[1] Yu W，Zongxuan S，Stelson K A.Modeling，Control，and Experimental Validation of a Transient Hydrostatic Dynamometer[J].Control Systems Technology，2011，19(6)：1578-1586.

[2] 周曉晴.基于GSM的油井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2010.

[3] Oconnor T，Reeves D.Bluetooth Network-Based Misuse Detection[C]//Anaheim，CA：2008.

[4] 林永君，楊春來(lái)，常喜茂，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011(11)：1367-1370.

[5] Song L，Li X，Xie G，et al.Research of control system of linear electromagnetic oil-pumping unit based on DSP[C]//Proceedings of the Eighth International Conference，2005.

[6] 鄭壽春，王一輝.基于低碳經(jīng)濟(jì)的石油工業(yè)發(fā)展對(duì)策[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2011(4)：28-33.

[7] 李瞳.從鉆井技術(shù)的發(fā)展看石油工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)科技信息，2011(22)：42.

[8] 黃綠格.GPRS DTU與組態(tài)軟件在油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2007(3)：59-60.

[9] 王胤文.基于ARM和GPRS的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

Design and Test of Distributed Remote Monitoring System for Pumping Unit

ZHENG Hua1，LI Huiying2，CHEN Jing3，YU Gang2

(1.No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710200，China；2.No.7OilProductionPlant，ChangqingOilfieldCompany，Qingcheng745100，China；3.ChangqingDrillingBranch，CCDE，Xi’an710018，China)

Based on the general requirements for wells site management proposed of remote monitoring system，a general structure program design of oil machine remote monitoring system for distributed control has been made，respectively the remote monitoring center and wireless communications network of design program were shown in this paper.Through analysis of distributed remote monitoring system in the different remote data way and wireless communications network of access program，wireless transmission program based on GPRS of was determined，and internet access program was used.Introduction was made for the distributed remote monitoring system for oil control test platform build respectively for PC monitoring software and Web browser related tests，and test results were analyzed.

remote monitoring and control；pumping unit；Web server；general packet radio service wireless transmission

1001-3482(2016)12-0033-04

2016-07-24

鄭 華(1982-)，女，陜西西安人，工程師，碩士，主要從事軟件工程及數(shù)字化管理工作。

TE933.3

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.009