無線IO模塊在抽油機遠程啟停中的應(yīng)用

何莉莉 駱明星 李春梅 李勇

摘 要：抽油機遠程啟停在油氣生產(chǎn)管理、井控管理、節(jié)能管理等方面發(fā)揮著重要作用。文章介紹了抽油機遠程啟停有線控制技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題，并針對存在的問題開展基于無線IO模塊的抽油機遠程啟停無線控制改造，化解了原有遠程啟?？刂频耐跍喜季€、人力物力消耗、電纜損傷斷裂等一系列問題，極大提升了工程實施效率及系統(tǒng)靈活性，具有很好的應(yīng)用性和推廣性。

關(guān)鍵詞：抽油機;遠程啟停;無線;IO模塊

0? ? 引言

受國際油價“斷崖式”下跌及新冠疫情雙重影響，石油開采企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營遭受極大沖擊。就目前來看，上游板塊處于且可能將在較長時期內(nèi)都處于寒冬期。因此，充分利用信息化、自動化手段開展數(shù)字油田建設(shè)成為提升油氣生產(chǎn)本質(zhì)安全、降低人力、物力、財力消耗的必由之路。近兩年，抽油機遠程啟停在油井生產(chǎn)管理、井控管理等方面作用明顯。但現(xiàn)場通過控制線纜實現(xiàn)控制信號傳輸?shù)姆绞酱嬖诓季€困難、施工效率低、成本高、維護不方便、故障查找難、靈活性差等缺陷，需要尋找更有效的解決方法。

1? ? 抽油機遠程啟停

1.1? 抽油機遠程啟停原理

抽油機遠程啟停是上位機軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令，井口控制器執(zhí)行指令，抽油機電氣部分執(zhí)行動作實現(xiàn)抽油機遠程啟停，如圖1所示。

抽油機遠程啟停系統(tǒng)由啟停按鈕、井口控制器、交流接觸器、空氣開關(guān)、過載保護器、繼電器、變頻器、三相電參模塊等電氣元件組成控制系統(tǒng)。啟動按鈕與繼電器并接，可實現(xiàn)本地和遠程啟?？刂?。遠程啟/停原理：PCS（生產(chǎn)指揮系統(tǒng)）發(fā)送啟動指令—井口控制器執(zhí)行控制指令—輸出繼電器信號—接觸器線圈得電/失電—接觸器主觸頭閉合/斷開—接觸器自鎖觸頭閉合/斷開—電機運轉(zhuǎn)/停轉(zhuǎn)[1]。

1.2? 抽油機遠程啟?，F(xiàn)狀及存在問題

截至目前，某廠已有274口機抽井實現(xiàn)了抽油機遠程啟停，在降低人工勞動強度、提高生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本等方面應(yīng)用效果明顯。

由于井口RTU控制柜安裝在井場變壓器旁，抽油機控制柜在位于井場中間的抽油機平臺上，RTU控制柜距離抽油機控制柜約有100 m。為確?？刂菩盘柕膫鬏敚瑥腞TU控制柜到抽油機控制柜之間通過敷設(shè)8芯鎧裝電纜完成抽油機的遠程啟?？刂啤?/p>

隨著油田開發(fā)的深入，井場作業(yè)越來越多，重型機械、破土作業(yè)等導(dǎo)致電纜受傷、斷裂等現(xiàn)象頻繁;井場復(fù)墾導(dǎo)致電纜斷裂、位置改變導(dǎo)致電纜長度不夠;抽油機更換等造成了大量的重復(fù)勞動，人力、物力消耗巨大;更嚴(yán)重的是原本安全性、可靠性極高的有線控制方式變得不再安全可靠。

2? ? 無線模塊

無線模塊（RF Wireless Module），是數(shù)字?jǐn)?shù)傳電臺（Digital Radio）的模塊化產(chǎn)品，是利用無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線模塊延伸到很多的系統(tǒng)中，工業(yè)控制的開關(guān)量IO（輸入/輸出）設(shè)備，模擬量采集和控制設(shè)備。

常見的無線模塊可以分為3類：（1）ASK超外差模塊，主要用在簡單的遙控和數(shù)據(jù)傳送。（2）無線收發(fā)模塊，主要用于通過單片機控制無線收發(fā)數(shù)據(jù)，一般為FSK，GFSK調(diào)制模式。（3）無線傳輸模塊，主要用于直接通過串口來收發(fā)數(shù)據(jù)，使用簡單。常見工作頻率有230 MHz，315 MHz，? ? ? ?433 MHz，2.4 GHz等[2]。

433 MHz是我國的免申請發(fā)射、接收頻率，可直接使用不需要管理。433 MHz頻段抗干擾強，并支持各種點對點，一點對多點的無線數(shù)據(jù)通信方式，具有收發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩(wěn)定可靠、功率大、可長距離傳輸?shù)忍攸c。

2.1? 無線傳輸與有線通信對比

（1）節(jié)約成本，施工效率高。有線通信方式的建立必須架設(shè)電纜，或開挖電纜溝，故需要大量的人力和物力;而用無線數(shù)據(jù)傳輸方式則無須架設(shè)電纜或挖掘電纜溝，只需在每個終端連接無線模塊和架設(shè)適當(dāng)高度的天線即可。相比之下用無線模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，節(jié)省了人力物力，投資更少。

（2）強適應(yīng)性。有線通信的局限性太大，在遇到一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，比如遇到山地、湖泊、林區(qū)等特殊的地理環(huán)境或移動物體等布線較困難的應(yīng)用環(huán)境時，對有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程有著極大的制約，而用無線模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將比有線通信有更好的更廣泛的適應(yīng)性，幾乎不受地理環(huán)境限制。

（3）易維護性。有線通信鏈路的維護需沿線路檢查，出現(xiàn)故障時，一般很難及時找出故障點，而采用無線模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式只需維護傳輸模塊，出現(xiàn)故障時則能快速找出原因，恢復(fù)線路正常運行。

3? ? 實現(xiàn)方案

3.1? 抽油機遠程啟停無線控制設(shè)計思路

在原來的抽油機遠程啟停系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，PCS平臺保持不變，RTU控制部分保持不變，通過一對無線IO模塊替換RTU控制柜至抽油機控制柜之間的8芯鎧裝電纜（圖2中虛線圈內(nèi)線纜），實現(xiàn)無線啟停。即在井場RTU控制柜內(nèi)增加一個無線IO模塊1，在抽油機控制箱內(nèi)增加一個無線IO模塊2，模塊1的sw1與模塊2的sw2始終保持一致，如圖2所示。

3.2? 抽油機遠程啟停無線控制原理

在PCS上點擊“啟動/停止”按鈕，PCS服務(wù)器收到指令后下發(fā)指令，通過VPDN專網(wǎng)，傳達到現(xiàn)場DTU，DTU解析后轉(zhuǎn)發(fā)給RTU，RTU在指定端口下發(fā)啟/停DO信號至無線模塊，模塊經(jīng)調(diào)制發(fā)送啟/停信號;啟動柜接收端無線模塊接收信號，解調(diào)出啟/停DO信號，經(jīng)連接啟動柜啟/停按鈕的交流電磁接觸器放大后，將DO信號轉(zhuǎn)變成對啟/停按鈕的通斷信號，完成對抽油機電機的啟/?？刂疲瑢崿F(xiàn)抽油機的遠程啟停。

3.3? 無線IO模塊選擇

此次，實驗選擇了具有工業(yè)級品質(zhì)的無線IO模塊，用于開關(guān)量信號的無線傳輸及控制，其嵌入高速單片機并采用最新高性能射頻芯片，采用可靠的傳輸機制，發(fā)射功率最大500 mw，可視環(huán)境下通信距離可達2 700 m以上。用于代替有線的開關(guān)量傳輸。本次選擇的無線IO模塊支持4路開關(guān)量輸入、輸出，可與其他多路開關(guān)量產(chǎn)品配合使用。

4? ? 應(yīng)用效果

抽油機遠程啟停有線控制現(xiàn)場施工需要在井場挖溝布線（長約100 m，深不低于0.8 m），需4人，安裝調(diào)試需2人，1天。

基于無線IO模塊的抽油機遠程啟停首次在AT1-8井試驗成功，2人安裝調(diào)試僅用了0.5天，測試運行效果良好。目前，某采油廠共有102口井的抽油機遠程啟停使用了該無線控制技術(shù)，全部安裝調(diào)試完成僅用了51天，經(jīng)過90天的試運行，故障率零，運行效果良好。

5? ? 結(jié)語

與有線控制相比，無線控制因施工時無須挖溝布線，不僅可以大大節(jié)約人工成本，還可以避免因井場施工等造成線纜受損導(dǎo)致的遠程控制失效，確保了遠程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠;當(dāng)某口井因復(fù)墾、長停等原因不再需要抽油機遠程控制時，還可將該套設(shè)備快速遷移至其他井場使用，實現(xiàn)資源的合理利用和盤活，抽油機遠程啟停無線控制更具優(yōu)勢。

無線IO模塊可實現(xiàn)一對一、一對多、多對一、多對多的靈活配置;可與無線中繼器配合使用，實現(xiàn)無線傳輸?shù)亩嗉夀D(zhuǎn)發(fā)，延展傳輸距離;可與無線RTU配合使用，在遠程對無線IO模塊進行控制。輸出通道與模塊核心控制單元電氣隔離，抗干擾能力強。因此，無線IO模塊不僅可以用于抽油機遠程啟停無線控制，同樣可以用于油井生產(chǎn)現(xiàn)場的其他自動化建設(shè)，搭建強大的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，可推廣性極強。

[參考文獻]

[1]韓江，黃烽耘，田源.抽油機遠程啟停控制分析及實踐探討[J].中國管理信息化，2019（14）：71-72.

[2]高青云.基于43Mhz頻段無線模塊和wifi技術(shù)的無線點菜系統(tǒng)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

（編輯 姚 鑫）