基于手機模塊的油井工況遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與應用

宋麗梅 聞偉 劉志虎 劉鴻娜 郝存河 魏新民

1中國石油華北油田第二采油廠

2中國石油華北油田公司經(jīng)濟技術(shù)研究院

油田生產(chǎn)原油的主力設備為抽油機，抽油機正常運行時經(jīng)常會發(fā)生異常停電、故障停機、皮帶燒毀等各種故障而導致停井。由于油井地處偏遠，分布分散，靠人工巡井發(fā)現(xiàn)故障停井普遍存在滯后問題。部分油井與值班室供電線路不一致，時常出現(xiàn)“站內(nèi)有電，站外無電”現(xiàn)象，導致油井停電不能及時發(fā)現(xiàn)；對于“出工不出力、出力成本高”的低效井，通常采取間開的方式。為實現(xiàn)精細管理，降低用電成本，部分間開井在谷電時段開井，峰電時段關井。一線員工需要在凌晨關井，但該時段值班員工精神疲倦，易發(fā)生安全事故，同時還存在停井延時現(xiàn)象，延長了無效開井時間，增加了電能消耗。上述問題嚴重影響了開井時率，降低了原油采收率，因此，為了方便一線員工操作，減少巡井次數(shù)，及時有效地監(jiān)控油井工況，提高現(xiàn)場管理水平，研制開發(fā)了手機遠程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)組成

油井工況手機遠程監(jiān)控系統(tǒng)由遠程控制集成模塊、供電模塊、繼電器模塊和手機終端四部分組成，能夠及時發(fā)現(xiàn)油井故障停井、對間開井定時啟停，并具有運行參數(shù)實時查詢等功能。

1.1 遠程控制集成模塊

通過在抽油機井安裝數(shù)據(jù)采集模塊、中央處理器、無線收發(fā)模塊，將分散、偏遠油井的運轉(zhuǎn)參數(shù)實時無線遠傳。

遠程控制集成模塊由霍爾傳感器、接近開關、監(jiān)控報警器、中央處理器四部分組成。主要用于皮帶運轉(zhuǎn)、執(zhí)行模塊和配電箱工作狀態(tài)的采集。通過中央處理器和無線收發(fā)模塊，可在手持控制終端實現(xiàn)查詢功能[2]。

1.2 供電模塊

供電模塊由不間斷電源模塊、穩(wěn)壓模塊組成，實現(xiàn)監(jiān)控供電模式、無線收發(fā)模塊供電模式、間開供電模式三種模式，系統(tǒng)供電示意圖見圖1。

圖1 穩(wěn)壓電源框架圖Fig.1 Frame diagram of voltage-stabilized source

（1）電源變壓器將交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓，并傳送給整流電路，副邊電壓的大小決定變壓器變比。輸入交流電壓為220 V±10%，頻率50 Hz。

（2）利用二極管的單向?qū)щ娦?，實現(xiàn)整流電路的主要功能，即將正弦交流電壓變換成直流脈動電壓，如圖2 所示。

圖2 整流單元電路圖Fig.2 Circuit diagram of rectifier unit

（3）利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點，濾波電路將脈動電壓中的脈動紋波濾掉，使輸出電壓成為較為平滑的直流電壓。

（4）經(jīng)過整流、濾波，可得到平滑穩(wěn)定的直流電壓。當電網(wǎng)電壓波動和負載變化時輸出電壓也隨之變化，穩(wěn)壓電路的作用就是在這兩種情況下，將輸出電壓最終穩(wěn)定在12 V。

1.3 繼電器模塊

通過安裝220 V 繼電器模塊、12 V 繼電器模塊和時間繼電器，實現(xiàn)設備定時停運、監(jiān)控報警。

（1）電動機運轉(zhuǎn)繼電器。電動機運轉(zhuǎn)繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片組成。線圈加上電壓時就會流過電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力作用下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，帶動銜鐵的動觸點與常開觸點吸合。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵就會在彈簧的反作用下返回到原來位置，使動觸點與常閉觸點吸合。這樣通過吸合、釋放，實現(xiàn)電路中的導通、切斷。

（2）間開時間繼電器。線圈得電時，延時常閉觸頭延時斷開，延時常開觸頭延時閉合。線圈失電時，延時常閉觸頭立即恢復閉合，延時常開觸頭立即恢復斷開。即通電開始計時，達到設定時間，觸點狀態(tài)切換，斷電后觸點狀態(tài)立即恢復。也就是說通電延時，斷電不延時。

1.4 手機終端

通過安裝GSM 模塊檢測無線遠程控制情況，實現(xiàn)遠程查詢、接收抽油機現(xiàn)場工作狀態(tài)。

GSM 短信控制器是一種基于SMS 服務的網(wǎng)絡設備，能夠支持用戶通過手機編輯短信、發(fā)送短信信息指令遠程控制電氣設備進行工作[3]，從而實現(xiàn)無人值守場所自動化控制。主要利用無線信號控制模塊中的繼電器來達到遠程操作要求。短信控制器作為一種無線遠程控制設備，使用SMS 服務，使得其能夠無局域限制，通俗地講，只要有手機信號的地方，短信控制器即能實現(xiàn)通信并工作。遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of remote control system

油井工況遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：當配電箱通斷電、配電箱內(nèi)部電子器件發(fā)生故障、皮帶燒毀時，數(shù)據(jù)采集模塊會將相應的報警信息傳到終端進行報警，也可通過手機終端進行抽油現(xiàn)場工作狀態(tài)查詢。在終端接收到皮帶燒毀報警時，中央處理器控制抽油機電動機在10 s 后自動停止。若抽油機電動機運轉(zhuǎn)時間達到間開時間設定時限，則間開時間繼電器的觸點會自動斷開，抽油機電動機停轉(zhuǎn)，或者可通過手機終端經(jīng)中央處理器直接控制電動機停止運行，也可通過遠程關閉供電模塊停止供電，進而使間開時間繼電器觸點斷開，抽油機電動機停轉(zhuǎn)[1，4]。與此同時，霍爾傳感器接收抽油機電動機停轉(zhuǎn)信號后，經(jīng)無線收發(fā)模塊把信號傳輸?shù)浇K端進行報警，完成抽油機現(xiàn)場的監(jiān)控[1，4]。

2 現(xiàn)場應用

2.1 遠程控制模塊

霍爾傳感器、接近開關傳感器、監(jiān)控報警器采集的皮帶運轉(zhuǎn)狀態(tài)、執(zhí)行模塊工作狀態(tài)、配電箱工作狀態(tài)等狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)中央處理器和無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)手持終端查詢，見圖4、圖5。

圖4 霍爾傳感器現(xiàn)場應用Fig.4 Field application of hall sensor

圖5 現(xiàn)場運行Fig.5 Field operation

2.2 供電模塊

不間斷電源模塊、穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)經(jīng)遠程模塊來控制抽油機電動機的運轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)3 種供電模式：①監(jiān)控供電模式，供電模塊給配電箱內(nèi)電子元件供電，設備正常啟動；②無線收發(fā)模塊供電模式，供電模塊給無線收發(fā)模塊供電，無線收發(fā)模塊開始工作；③間開供電模式，供電模塊給間開時間繼電器供電，間開時間繼電器觸點閉合，抽油機電動機啟動。

2.3 斷電器模塊

繼電器模塊可以實現(xiàn)抽油機電動機定時開、關控制。例如，在終端接收到皮帶燒毀報警的同時，中央處理器根據(jù)內(nèi)部程序控制間開時間繼電器工作，抽油機電動機在幾秒后自動停止運轉(zhuǎn)，防止抽油機電動機空轉(zhuǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

由于該遠程監(jiān)控系統(tǒng)涉及互聯(lián)網(wǎng)，而油井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制命令極為敏感，數(shù)據(jù)卡采取中國移動協(xié)議卡，通過短信傳輸數(shù)據(jù)，雖在主站軟件方面采取一定安全措施，但遠遠不夠，需要進一步加強[5-7]。

2.5 數(shù)據(jù)分析

以皮帶燒毀為例，當出現(xiàn)皮帶燒毀問題時，信息通過霍爾傳感器傳至中央處理器，再通過無線信息模板遠傳至手機終端進行報警，同時繼電器控制電動機停止運行，避免電動機空轉(zhuǎn)[7]。

2.6 手機終端

安裝GSM 模塊后，可以通過手機接收報警信息，利用手機短信發(fā)送命令，實現(xiàn)電動機遠程停運。

抽油機工況手機遠程監(jiān)控報警裝置分三個模式（現(xiàn)場具有切換開關）：

（1）霍爾運行監(jiān)控模式。具有抽油機來電、停電報警提示，電氣故障、電纜防鋸斷報警提示，皮帶燒斷10 s后電動機停轉(zhuǎn)自動報警提示（時間可自設）。

（2）間開井模式。適用于谷電時段運行的間開井及供液不足的間開井，根據(jù)間開井工作制度，通過設置間開時間（0～99 h），可實現(xiàn)遠程自動停啟井功能，也具有人工遠程啟停井功能，通過手機App 操作。同時具有異常情況報警功能。

（3）現(xiàn)場模式。當遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行檢修或監(jiān)控系統(tǒng)出理故障時，可切換成現(xiàn)場模式，不影響抽油機的正常運行。

2017 年華北油田采油二廠采用油井工況手機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了通過手機遠程監(jiān)控抽油機井運行狀態(tài)，其操作簡單、實用，可有效避免員工對間開井頻繁現(xiàn)場操作，尤其可避免凌晨操作時的安全風險，降低了勞動強度。系統(tǒng)在現(xiàn)場應用效果良好，能夠有效監(jiān)控油井運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)抽油機故障，避免了環(huán)境污染，實現(xiàn)精細管理，提高了油井自動化管理水平[4]。

3 結(jié)束語

由于油田工況的復雜性，無法及時發(fā)現(xiàn)抽油機存在的實際問題[8]。把手機終端和油井工況監(jiān)測結(jié)合在一起，屬于智慧員工的范疇，從現(xiàn)場實際問題出發(fā)，以較低的成本投入，可切實解決一線員工在生產(chǎn)過程中遇到的困難。油井工況手機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的投用，有效地提高了機采井主要運行參數(shù)的實時監(jiān)控水平，使管理者尤其是一線員工及時有效、方便快速地掌握油井的工作狀態(tài)。針對間開井進行精細化管理，通過系統(tǒng)遠程定時停機，降低能耗，及時發(fā)現(xiàn)故障停機，大大提高了開井時率，增加了油井產(chǎn)量，避免了故障停機造成的損失，極大減輕了一線員工的勞動強度。該系統(tǒng)為實現(xiàn)真正意義上的井場無人值守，提高油井生產(chǎn)自動化與信息化水平，生產(chǎn)管理流程規(guī)范、高效，提供了有力的技術(shù)支持[9-10]。