GPRS智能集散式抽油机节能监控系统

谭智（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

GPRS智能集散式抽油机节能监控系统

谭智（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

GPRS监控系统由现场监控终端、GPRS网络通讯模块和监控中心计算机系统三个主要的功能模块组成。监控终端中ATT7022A的六路二阶∑-△ADC模块采样计算抽油机运行过程中的实时电压、电流等运行参数，对被撬、窃电等异常工况产生实时报警信号。这些参数及信号通过由MC35i模块建立的经由移动通信网关的无线通信链路，以基于TCP/IP和UDP/IP协议的数据形式传输到监控中心计算机系统，监控中心既可以直观地监测抽油机运行状况，进行远程智能故障诊断与报警，又可以远程控制起、停机，以及节能运行与直接运行的切换等，GPRS监控系统在油井现场应用，取得了较好的节电效果。

抽油机 节能 GPRS监控 故障诊断

油田抽油机工作遇雷击及人为破坏等时有发生，怎样把油井运行的相关数据传送到中心控制室一直是个难题。传统的油井监测多采用人工巡逻方式，采油工人须携带笨重的测试仪器对分散在油田中的抽油机进行实地测量[1]，这种方式效率低而且浪费大量人力。油田曾采用微波、数传电台的方式采集数据，但实际使用过程中效果不理想，高成本的投入和频繁的维护让采油单位不堪重负。

GPRS（通用分组无线服务）作为移动通信与数据通信的二合一技术，覆盖面广，不需要传输线，是一种新的分组数据承载业务[2]，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输。GPRS具有以下特点和优势：

◇实时在线功能——GPRS只有在接收和发送数据时占用无线信道，其他时间保持和网络的一种虚联接；

◇传输速率高——实际应用中可提供40～100 kbit/s的带宽；

◇按流量记费——GPRS以通信的数据流量记费，记费方式经济合理；

◇支持X.25协议和IP协议——应用GRPS数据传输系统，采油工人在办公室里轻点鼠标就能够对全厂井况一目了然，极大地提高了管理和生产效率。

油田数字化建设的同时，生产管理由粗放型向集约型大力推进。节能型抽油机、电动机、配电产品大量出现。对于传统的游梁式抽油机，其节能手段主要是△-Y变换、可控硅实时跟踪调压、变频器电源等[3]。采用△-Y变换线路简单，维修方便，成本低，在轻载井上节电明显。但是当井下工况变化而载荷增大时,电动机实际工作在过载状态，节能效果不理想，甚至使电动机发生堵转而停机。变频器由于体积大、成本高、技术复杂，节电效果并不理想，不适用于抽油机井场。

GPRS监控系统使用了可控硅实时跟踪调压技术，实现了抽油机电动机输入电压有效值与负载率动态的最佳匹配。

1 系统整体构成

GPRS监控系统由现场监控终端、GPRS网络通讯模块和监控中心计算机系统三部分组成。系统结构如图1所示。

图1 GPRS监控系统结构图

现场监控终端用于采集抽油机三相电动机的运行信息，分为三相电信息和报警信息。三相电信息是接受监测中心传来的数据采集指令实时采集并发送给监控中心的，包括三相电压、三相电流、功率因数。报警信息采用立即传送方式，当箱门被撬、人为窃电、电动机皮带脱落、停机、盗油等任何一种或几种状况发生时立即向监控中心发送报警信号。GPRS网络通讯模块是监控中心与现场监控终端之间数据传输的媒介，数据传输采用中国移动公司的GPRS网络（或CDMA）。监控终端首先通过异步串行方式将数据传送到就地的GPRS通讯模块，GPRS通讯模块与监测中心的计算机IP地址绑定，并借助GPRS网络把数据即时传送到监控中心计算机。监控中心计算机系统软件一方面通过GPRS网络与现场监测终端进行双向通信，另一方面为工作人员提供一个可视化人机界面，让采油工人足不出户即可实时监控抽油机的运行。

2 现场监控终端功能及软硬件设计

2.1 现场监控终端功能设计

现场监控终端是GPRS监控系统的核心部分，其输入信号包括三相电压、三相电流、人为窃电、电动机皮带脱落、停机、盗油以及箱门开启检测信号。

其通讯单元采用RS232串口与GPRS模块通讯。GPR与监控中心通讯利用内嵌的TCP/IP协议与主站连接，数据传输采用透明传输。监控终端软件采用C语言编写，并采用模块化的设计方法。

监控终端具体功能如下：

◇控制功能——包括起、停机，节能运行与直接运行切换；

◇报警功能——包括人为窃电、电动机皮带脱落、停机、盗油以及箱门被撬；

◇数据传输功能——包括三相电压、三相电流、三相视在功率、功率因数及报警信息。

2.2 现场监控终端主要硬件及程序设计

现场监控终端结构见图2。中央处理单元由PIC16F877A单片机系统实现。MICROCHIP公司的PIC系列单片机具有高抗电磁干扰、稳定性好的特点。本设计中采用的是14位指令宽度的中档单片机PIC16F877A，既可以满足数据处理、控制算法的实现，又可以适应可控硅控制电路的电磁干扰，同时使片上资源得到充分利用，达到最高性价比。

图2 系统监控终端结构图

可控硅触发控制电路采用TC787DS电路，其特点是线路简单，工作可靠。其输出三相触发脉冲的触发控制角可在0～180°范围内连续同步改变，并且对零点的识别非常可靠，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点（交相）的锁定电路，抗干扰能力极强。电路自身具有输出禁止端，可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。

图3 三相电参数采集模块接线图

触发电路的脉冲变压器采用KMB-472/211脉冲变压器。这是一种脉冲串触发、适用于100A以下的可控硅脉冲变压器。

监控系统中的中央处理单元与三相电数据采集模块和GPRS模块之间都采用了RS232串行通讯接口，另外该系统还为扩展功能预留了串行通讯接口。PIC16F877A带有一个通用同步异步收发器，即USART口。利用串口扩展芯片SP2539采用分时复用技术扩展成5个完全独立的全双工子串口（各子串口波特率、10位或11位数据帧长度等均可由单片机软件设置）。使得中央处理单元可以同时对多路串口扩展模块通讯，为系统功能扩展提供方便。

3 GPRS网络通信的实现

GPRS为一种基于GSM的移动分组数据业务，它面向用户提供移动分组的IP连接GPRS拨号上网时，移动GGSN分配手机模块一个IP地址。目前中国移动提供的是动态的IP，监控中心需使用绑定网内IP的SIM卡拨号上网。所有数据采集模块拨号上网时首先要到管理中心进行注册，只有注册以后双方才能建立通信。由于整个数据传输都是在GPRS网络上传输的，系统的实时性和安全性都得到了保障。GPRS监控系统的方案设计考虑到数据通讯的要求，采用了有限透明传输模式，即控制模块对数据进行有限过滤和分析处理，避免冗余和分辨出指令信息。通讯方式采用西门子MC35i模块建立的经由移动通信网关的无线通信链路，可以进行基于TCP/IP和UDP/IP的数据传输。参数配置处理模块使用PC机上的配置软件对所需参数进行配置，包括服务器端的IP地址、端口号、传输协议、打包数据长度、时延等。通过接收到的短信配置命令对参数进行配置，该模式适合于远距离作业时的配置和处理。

MC35I GPRS模块集合了语音传输、数据传输、简讯服务及FAX等功能，最大传输速率可达85.6 kbit/s，并集成了天线、射频、基带、快闪内存等组件，有丰富的AT指令，功能强大，操作灵活方便，并以40个pin脚外接，支持RS-232等。MC35I是继GPRS手机外又一非常重要的终端设备，它是传统调制解调器与GPRS无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备，因此，也叫无线调制解调器。它的出现给GPRS的发展注入了新的活力。

4 监控中心计算机系统软件设计

监控中心计算机系统软件包括数据通讯、数据库管理报警信息处理、电压与负荷曲线显示、用户电表档案管理等5个模块。

图4 单点实时电流电压曲线

数据通讯模块负责与监测终端进行双向数据通讯，并把监控终端GPRS通讯模块传送来的原始二进制加密数据进行破解。数据库管理模块主要是数据访问控制和数据库安全管理。报警信息处理模块进行报警信息处理和显示。数据曲线显示模块用以直观地显示实时的三相电压、电流曲线。控制命令发送模块为工人提供控制命令发送接口，工人可在计算机终端对抽油机远程发送起、停机，节能运行与直接切换命令。监控中心应用软件的不同模块之间即互相独立，又共享同一个数据库。

图4为单点实时电流电压曲线，A、B、C相电流电压分别用红、绿、蓝色曲线表示。图中所显示的曲线是37 kW抽油机三相平衡时的电流电压曲线。采油工人可以通过曲线直观地了解抽油机工作状态。

5 现场应用效果

现场应用70口井，跟踪测试37口井，平均日节电20.4 kW·h，平均有功节电率13.58%，综合节电率20.43%，70口井年可节电4.998×105kW·h，应用效果见表1。

表1 应用效果对比

6 结论

（1）GPRS监控系统将抽油机远程监测与节能控制相结合，既完成了对离散式分布的抽油机的运行参数采集、故障报警，又完成了负载跟踪、智能节电。

（2）GPRS监控系统总体采用模块化的设计理念，总体功能强大，同时又可分立工作，任何一个模块故障不会影响系统其他部分的正常运行。

（3）数据采集模块采集的数据同时用于智能负载跟踪调压和远程传输，实现了硬件资源的充分利用，避免了重复投资，节约了总成本。

（4）监控终端下位机系统预留了多个串行通讯接口，为GPRS监控系统功能扩展提供了方便。

［1］闫敬东,徐红梅,陈军,等.抽油机节能控制柜节电效果测试及评价［J］.石油机械,2002（2）．

［2］吕捷．GPRS技术［M］.北京:邮电大学出版社,2001．

［3］任志国,林立.基于MCU的抽油机节能控制仪表与控制技术［J］.仪表技术,2005(4).

［4］王毅,赵凯歧,许殿国．电机软起动控制系统中功率因数角的研究［J］.中国电机工程学报,2002（41）．

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.011

2010-11-08)

谭智，2006年毕业于大庆石油学院，助理工程师，现在大庆油田有限责任公司第七采油厂技术发展部从事节能管理工作。