基于GPRS的抽油机远程实时监测系统

耿树朋，王念兴，姜淑忠，刘秋军

（1.上海交通大学 电气工程系，上海 200240；2.大庆油田力神泵业有限公司，大庆 163311）

0 引言

石油是一种重要的战略资源，渗透到经济、军事、工业和交通等各方面，油田采油设备的正常运行对企业的经济效益有直接影响[1]。在全球数字化的背景下，油田数字化已经是一个迫切的要求。而我国油井的地理特点是地处边远、环境恶劣、分布范围广，人工巡检效率低且不能及时发现油田采油设备即抽油机工况问题，因此抽油机远程实时监测成为必然[2]。抽油机的远程实时监测系统是油田数字化的一个重要组成部分，它有利于迅速、精准而全面地了解油井现场情况，及时发现故障，节约能源，降低企业的经济成本和人力资源，提高管理信息的效率，促进数字化油田形成成熟的勘探开发一体化的工作思路、管理体系和技术体系。

在此背景下，本文提出设计并实现了一种基于通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）的抽油机远程实时监测系统，主要包括远程数据采集终端模块、GPRS数据传输模块、网络服务器与数据库系统三个部分，可整合分布零散的油田抽油机信息孤岛，实时监测油田实况，实现油田数字化。

1 系统总体设计

本系统的核心部分在于数据传输模块。一般而言，有线传输方式通信效率高、系统稳定，但国内油田采油区分布零散，面积过大；如果采用有线传输方式将出现初期投入过大、网络布置繁琐、维护费用高昂等问题。

当前油田实时监测系统主要采取的实时数据传输方式有无线数字电台、无线网桥和通信卫星等。文献[3]中提出了基于无线数字电台的远程监控系统设计方案，其优点是通讯灵活、易于实现；但在长距离、多高山阻挡情况下，该通讯方式所需中继站数目及中转次数将明显增加，且易受干扰、误码率高导致其应用范围受到限制。当前大庆油田在使用基于无线网桥的远程监控系统，则存在易受天气变化影响等问题，如下雨会以热损的方式吸收微波而引起衰减。文献[4]中提出了基于通信卫星的油田远程监控系统，当前伊拉克的油田对该通信方式采用较多，较高的建设和维护费用是其软肋。

而GPRS作为当前的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）网络向第三代移动通信技术转换的过渡技术（2.5G），具有接入快速、时刻在线、按流量计费等优点，在远程突发性数据及时传输中有不可比拟的优势，并且中国移动GPRS网络经数年建设已日臻成熟，地区的覆盖率超过90%，GPRS信号能够做到无盲区覆盖国内油田。因此本系统采用先进成熟的GPRS-DTU模块为远程数据传输模块，依托稳定、可靠的中国移动GPRS网络，在保证数据传输及时、准确的前提下，将数据监控系统运行费用也降到了最低。与此同时，该通信链路由专业的运营商来维护，这就避免了用户在使用监控系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用[3]。

如图1所示，远程数据采集终端模块安装在控制柜内，通过传感器采集抽油机的各项数据：电动机的线电压、线电流；电机轴转速、减速箱皮带轮转速；悬点载荷、位移；井口井液温度、压力、套管压力等。数据通过GPRS模块上传至服务器系统，由服务器将数据存入数据库中，而用户可以通过服务器终端平台查看数据库中由远程数据终端采集来的数据，从而实现远程实时监测的功能。

图1 油田抽油机远程实时监测系统整体设计

2 远程数据采集终端设计

该模块实现的功能主要是对抽油机的各项运行数据进行采集和处理。如图2所示，硬件主体采用常见的数据采集系统结构，经传感器采集的输入信号将进入信号调理电路。信号调理电路内部依次是量程转换电路、滤波电路和差分电路。经调理的信号最后被送至AD转换器。考虑到远程数据终端对浮点计算、通讯接口、外接设备等的性能要求，本终端采用ST公司的STM32F103作为主芯片[4]。主芯片使用内部集成的AD模块将输入模拟信号转化为数字信号，经过计算得出抽油机需要监测的各项数据，同时在预定的时间间隔内将数据结果传输至GPRS模块，进而上传至远端的服务器系统。

图2 远程数据采集终端硬件结构

远程数据采集终端的软件程序流程如图3所示，主要包括了数据采集、阈值判断报警与数据传输模块数据交换等步骤。

图3 远程数据采集终端软件程序框图

在远程数据采集终端进行数据采集的过程中，会出现因环境温度变化和变频控制器电磁干扰等原因导致所导致的数据精度降低的问题。为了提高系统精度，获取偏差较小的数据，系统需要采取相应的抗干扰措施来消除或降低各种因素对数据采集的干扰，本系统确保数据精度手段如下。

1)在AD转换器前设计了差分电路，将信号转换为双端差动输入，来消除输入信号中存在的或信号调理电路可能引入的共模干扰。

2)对于并行采集通道，为每个通道设置了独立的模拟地，最后仅在一点将模拟地与系统地连接起来。

3)采用独立的直流稳压器产生稳定的直流电压来为各种芯片提供工作电压，保证系统的可靠性和稳定性，DC-DC变换器也起到了一定的隔离和保护作用。

4)硬件上采用低通滤波器来滤除信号中可能存在的无关高频成分，在后续数据处理过程中也采取了相应的数字滤波技术。

5)选用高性能、高精度、低功耗的芯片，来满足系统各方面的要求。

通过验证数据采集终端功能，得知长时间的采集的工作数据波形不会出现断点或突变值，系统对输入信号的采样是正确可靠的。测量精度方面，通过对预警器的零输入噪声测试，可知通道中的零噪声是在平均值附近波动的随机噪声，平均值比较小，不超过4mV；而在频率测量与峰值测量精度方面，系统频率测量的绝对误差小于0.005Hz，相对误差小于3ppm（百万分之三），信号的峰值是通过FFT计算提取的，测试结果证明，系统的峰值测量的绝对误差一般在1mV~7mV，相对误差小于1%，完全满足系统设计的精度要求。

3 GPRS数据传输模块设计

3.1 模块主体设计

主芯片对输入信号进行处理，通过GPRS移动通信网络定期向监控中心发送抽油机运行数据，因此数据采集终端需要通信接口，本系统采用GPRS远程无线传输模块作为通信接口。GPRS模块主芯片采用SIMCOM公司生产的工业级GSM、GPRS模块，带基站定位功能的SIM900芯片，它支持数据、语音、短消息和传真业务，支持TEXT和PDU格式的短信息发送与接收，还内嵌TCP/IP协议，无需自己编写协议，缩短了开发周期，降低了主控芯片的负担，提高了系统稳定性。

远程数据采集终端主芯片STM32F103通过串口将数据发送给GPRS通信模块SIM900，如图2所示。本模块的软件程序流程图如图4所示，主要包括初始化、检测网络状况与发送数据等步骤。

图4 GPRS数据传输模块软件程序框图

数据采集终端通过GPRS数据传输模块向远程服务器发送所采集到的各项数据的时间间隔设定在30秒，即每过30秒，服务器数据库中的数据会通过GPRS通信更新为抽油机的最新工况数据。

为消除GPRS通信中掉线的问题，故需要发送心跳信号以确定GPRS通信双方均在线。提到GPRS通信的心跳信号发送频率不宜过高，通信忙时，宜将发送周期定为30秒；通信闲时，宜将发送周期定位3分钟。因本系统中，GPRS通信更新数据的周期本身为30秒，所以不再单独进行心跳报文发送。

当服务器10分钟没有收到数据采集终端发送来的报文时，就认为该终端已下线，进而将该终端及其相应抽油机的信息清楚。此时，数据采集终端会重新开始连接服务器，从而避免通信链路阻塞。当服务器向数据采集终端发送指令后，如果两分钟内未收到回应，会重新发送；在重新发送十次以后仍未收到回应的情况下，服务器也会将该终端及其相应抽油机的信息清除，此时数据采集终端会向服务器重新发起通信连接请求。

通过测试验证，可以确定服务器接收到的数据与本模块发送的内容与数目一致。本模块实现了永远在线、透明数据高速传输功能(理论上GPRS网络传输速度达160Kbps)，且无需后台计算机支持，支持点对点、点对多点、双向实时数据传输，基本达到本系统的要求。

3.2 数据通讯协议

本模块与远程服务器间的数据传输通过基于Internet的，对应国际通用的网络OSI模型。可知，预警器中物理层、数据链路层已由SIM900芯片实现，故软件程序上只需要编写数据链路层的驱动和以上几层内容。另外，在芯片端，由于单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务比较简单，一般将会话层、表示层和应用层的编写合而为一。如前文提及，系统在传输层上采用TCP协议进行可靠的数据交换，并在TCP协议的上层一些自定义的通讯协议来进行数据校验[5]。模块与服务器之间数据传输协议如图5所示，为节省流量，数据包中按预定顺序将检测的数据结果组包上传而不包括参数号等内容。自定义的数据传输协议中通过起始符校验、剩余字节数校验、CRC校验三重检验来确保数据传输的准确性，大大提高了系统的可靠性。该数据包的传输时间间隔约为30秒，消耗净流量为6M/月。

图5 系统内部通讯协议

4 网络服务器与数据库系统

简单而言，本模块实现了服务器将接收到的远程数据采集终端上传的数据解码后直接分门别类存入数据库中的功能。

4.1 服务器与数据库系统软件设计

系统中数据库系统采用Microsoft公司发布的SQL Server 2008 Express创建，服务器采用C#编程实现，其主要的软件程序流程如图6所示。

4.2 服务器平台设计

服务器与数据库的访问平台采用C/S架构，平台人机界面采用Visual C#语言实现，主要架构如图7所示。

图6 服务器与数据库系统软件程序框图

图7 服务器平台架构

平台实现的功能有：1）基本功能，包括系统管理(管理系统中公共参数或配置信息或权限或密码)、权限管理、油田采油设备信息管理(设备安装地点归属单位等)。2）实时监控与统计分析，实时监控功能主要是对分布在各地的已安装的抽油机的现场运行数据（电动机的线电压、线电流；电机轴转速、减速箱皮带轮转速；悬点载荷、位移；井口井液温度、压力、套管压力等）实时显示，并进行异常报警(声、光、电话和短信报警)。统计分析功能是指抽油机诊断报告，即根据历史数据，对抽油机运行状况进行评估诊断，形成诊断报告，提出检修建议等。

图8 服务器平台界面

5 结束语

本文在油田数字化大背景下，提出了基于GPRS的抽油机实时远程监测系统，设计了包含远程数据采集终端、GPRS数据传输模块、网络服务器与数据库三层架构的系统，其中远程数据采集抽油机的运行数据通过GPRS模块上传至服务器与数据库，服务器平台根据历史数据对抽油机实时监测并评估诊断。系统具有覆盖全面、全天候、高可靠性、实时迅捷、图形化操作、直观简便、经济性等特点。经过测试，该系统满足一般工程应用的要求，在GPRS的技术应用与油田数字化上有一定的参考价值和推广价值。

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