抽油机无线测控系统的研制

高肇凌

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)



抽油机无线测控系统的研制

高肇凌

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：根据采油现场的实际工况，融合多种无线技术，设计了采油井场从数据采集、控制到上传的抽油机无线测控系统。提出了基于无线技术的抽油机测控系统架构，详细介绍了系统中每一层的无线解决方案。同时，系统使用了四象限共直流母线技术，进一步提高了系统的稳定性，降低了系统能耗。该系统的研制解决了采油现场安装布线困难的问题，减少了工程实施时间，降低了工程成本；解决了长期困扰油田井场线缆设备易被破坏、偷盗的问题，有效保证了油气开采设备的安全。

关键词：抽油机无线技术数据采集与监控系统远程控制

近年来，随着科学技术的不断进步，无线测控技术飞速发展，在工业制造领域得到了广泛的应用[1-2]。无线测控技术既解决了有线通信线路维护困难的问题，又为人机交互方式提供了更加广泛的途径与便利。在国内能源开采领域中，油气开采所占份额巨大，然而国内的油藏位置多处于野外及偏远山区，交通十分不便，有些采油井距离居民区较近，易遭到偷盗，破坏严重，需要花费大量人力、物力、财力来维护，各油气田的开采成本主要集中在克服恶劣条件进行现场调参、维护方面，这使得国内的油气开采成本巨大，市场竞争力下降。将无线测控系统应用于油气田开采，能够解决一线工人现场调参、维护艰难的问题，通过应用无线通信技术和数据采集与监控(SCADA)技术进行综合的油气开采数据分析，对油气井进行远程智能化管理，从而降低油田生产运营维护费用[3]。

1系统组成及方案设计

油气井测控系统作为保障油田安全有效运行的重要组成部分，需要具备以下主要功能： 对抽油机运行参数进行釆集，在SCADA中心平台形成示功图[4-5]，为抽油机的节能运行提供依据；对油气井的运行状态参数进行釆集、处理，并定时将数据传送至SCADA中心；当抽油机运行出现故障时，系统能够根据故障类型进行判断，通过将故障信息及时上传实现故障状态的报警[6]；根据上传的数据及图形进行二次数据导入，通过专业软件进行数据处理及产量计算；根据排采制度将命令实时地传送至各个抽油机，实现远程控制功能。

1.1无线测控系统的总体架构

根据抽油机测控系统的功能，将无线测控系统分为三层： 采集/执行层、通信传输层、站控层。采集/执行层采用集散式的Zigbee无线网络技术，使用专用的频点与ID，能够防止与周围其他设备产生冲突，可避免被周围的电磁环境干扰[7]；通信传输层根据用户需求可选用Micwill自建通信网络或GPRS无线通信网络，目前成熟稳定的Micwill自建通信网络和GPRS网络[8]传输技术都能够保证数据传输的稳定性及测控系统的响应速度。

站控层根据职能划分为两层，如图1所示。第一层是生产数据管理层，对采集的数据进行统计和计算，提供生产相关的分析数据和油气井的健康情况以及相关的日、月、年度产量表报，供公司进行生产计划安排以及效益分析。第二层主要是数据发布层，为管理人员进行整体战略决策提供数据参考，包含数据发布、关系数据库和备份数据库建设、账户管理等功能。

图1　站控层职能分层示意

1.2采集/执行层

1) 数据通信结构。抽油机无线测控系统的数据采集位于采集/执行层，用来实现作业区对功图数据、电参量数据和油井数据的实时采集、处理并上传以及执行SCADA中心下达的指令，如图2所示。采集/执行层主要由两部分组成： 采集驱动一体化控制柜、数据采集仪表。

a) 采集驱动一体化控制柜主要由驱动控制系统和采集控制系统组成。驱动控制系统，负责对电机进行控制；驱动系统主要由变频器及电气控制回路构成。采集控制系统应用基于Zigbee无线通信技术的RTU接收采油井场的载荷传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器所采集的数据，并将数据进行处理，通过DTU经无线GPRS网络传送至SCADA中心。采集控制系统通过DTU还可接收SCADA中心的命令并传送给RTU，RTU将命令下达给驱动系统，以完成对抽油机的远程控制。

图2　采集/执行层结构示意

b) 数据采集仪表主要包括载荷传感器、位移传感器、压力传感器、流量传感器，所有仪表采用Zigbee无线通信技术，以保证数据准确、稳定地传输至采集控制系统的RTU。Zigbee无线通信技术主要用于低速数据传输领域，数据传输速率在25～200K bit/s，传输半径为10～70m，数据传输容量大，运行稳定可靠。这些特性尤其适合于油气井现场数据采集。

2) 抗干扰及节能措施。变频驱动系统运行时产生的高次谐波是造成无线测控系统被干扰的重要原因之一。因此，从设计之初就将电磁干扰问题考虑到系统设计当中，针对该情况抽油机无线测控系统的驱动控制部分采用目前国际上先进的四象限共直流母线变频调速技术，如图3所示。该技术能够很好地抑制系统谐波扰动，并且可将谐波干扰量控制在5%以内，符合IEC国际标准。四象限共直流母线技术将丛式井中所有抽油机驱动系统连接在一起，使得抽油机运行过程中所发出的电能可通过直流母线被其他抽油机所利用，实现了能量的内部平衡消耗，当能量过剩时，系统可将能量反馈回电网，该技术既解决了数据干扰问题，又实现了节约电能的目的，达到了一举两得的效果。

1.3通信传输层

GPRS为通用分组无线业务，是GSM运营商在GSM网络基础上推出的一种服务。它具有充分利用现有网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。GPRS覆盖地域广，目前移动通信网覆盖率为95%，非边远地区覆盖率几乎为100%，可充分利用现有资源，方便、快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。

图3　四象限共直流母线系统结构示意

抽油机无线测控系统的通信传输层采用无线GPRS网络进行远程的数据通信。首先现场侧数据传输装置DTU用于发送井场RTU采集处理后的井口数据并接收站控系统下达的调参指令，DTU按照预先指定的通信协议将数据进行转换传输；站控系统侧采用3G路由器接收数据，对数据解析，按照协议进行数据转换，并将数据统一上传至数据存储服务器，SCADA软件及Web发布调用，如图4所示。

图4　通信传输层结构示意

1.4站控层

站控层主要由1套SCADA系统组成。SCADA系统为保证控制指令及时、可靠地上传下达，一般采用多级控制方式。底层RTU，PLC，DCS等控制系统采集的生产实时数据传输至站、区域监控中心，同时通过系统专用网络上传至SCADA主监控中心。在远程操控上，SCADA系统一般能全局控制区域内的所有设备，场站能控制站点所辖的现场控制设备。

SCADA系统的主要任务是通过各站点的站控系统对该站点所辖油井进行数据采集及控制。SCADA系统将各站控制系统传来的数据信息进行处理、分档和储存，并向各站点发送调度和控制命令。SCADA系统的计算机系统按客户机/服务器结构设置，各操作员工作站作为局域网上的1个节点，共享服务器的资源。SCADA系统配置的软件包括计算机操作系统软件、SCADA监控软件、设备管理软件等。SCADA系统提供Web服务器作为与上层应用系统衔接的网络服务器，Web服务器作为SCADA系统数据的出口在上层应用网络中以网站的形式出现。

SCADA系统除了实时数据库还需要部署1台关系数据库，该数据库的作用是保存一些经过处理的长期业务数据以供上层应用系统使用。关系数据库中的数据有两个来源： 来自实时数据库转存的实时数据；来自用户人工录入的数据。为保证系统整体的安全性，在关系数据库和外部应用系统的连接之间通过防火墙进行保护，这样能够确保将SCADA系统和外部应用有效隔离。

2应用状况

抽油机无线测控系统应用在华北油田第二采油厂岔北工区。该工区抽油井多数位于居民区附近，在日常生产过程中设备、线缆被破坏、偷盗严重。由于该工区井组为高产井，为保证产量，工作人员需频繁检测油井参数，并对排采制度做出相应调整，因而一线工人劳动强度大，维护成本费用居高不下。

抽油机无线测控系统的应用使采油工程技术人员能够轻松地检测、统计和计算各项井口参数，并对各井发出远程的调整指令，有效提高了工作效率，降低了上井维护次数，该无线系统的设计应用有效减少了现场的破坏及偷盗现象。同时四象限共直流母线系统的使用不仅使数据系统的稳定性大幅提高，还为用户节约了大量电能。节电情况见表1所列。

表1　四象限共直流母线技术应用前后的实验数据

3结束语

1) 抽油机无线测控系统的研制，在采油井场建立了1套数据采集与监控系统，改变了油田依靠人工进行数据采集和维护的现状。该无线系统的设计有效地解决了现场线缆容易被破坏、偷盗的问题，保证了油气开采设备的安全，为用户节省了巡井、护井的费用开支。

2) 四象限共直流母线技术的应用，保证了该系统不受自身高次谐波的干扰，进一步增强了测控系统的稳定性，同时极大地降低了能量消耗。

3) 该系统现场安装配置简单，施工方便，无需布线，具有广泛的应用前景。

参考文献:

[1]吕捷.GPRS技术[M].北京： 北京邮电大学出版社,2001.

[2]郑家莉,黄炜.无线远程监控系统的核心技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(06)： 13-16.

[3]王营冠,王智．无线传感器网络[M]．北京： 电子工业出版社,2012.

[4]刘翔宇,杨仁刚.基于GPRS的负控终端远程Web监控系统[J].电网技术,2006，30(02)： 76-79.

[5]刘益江,张学臣,李伟,等．抽油井示功图综合解释[J]．油气地面工程,2007,16(08)： 3-5.

[6]王军强,陈磊,张莉莉．基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现[J]．洛阳师范学院学报,2010,29(05)： 52-54.

[7]王群.物联网体系结构研究及模拟实验平台的组建[J].实验技术与管理,2010,27(10)： 178-181.

[8]熊卿青,邓媛嫄.现代无线通信技术的现状分析及其发展前景[J].科技创新导报,2012(02)： 31.

[9]杨伟,邓镭.变电站监控软件系统介绍[J].电力自动化设备,2001,21(05)： 33-35.

[10]王井清.基于无线通信技术可提供本地交互应用和信息服务系统的实现[J].价值工程,2010(25)： 89-90.

Development of Wireless Monitoring and Control System of Pumping Unit

Gao Zhaoling

(Rongsheng Machinery Manufacture LTD. of Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstract：According to actual working condition of oilfield site, a wireless pumping unit monitoring and control system from data acquisition, control to upload is designed by converging multiple wireless technologies. One monitoring and control system framework based on wireless technology for pumping unit is proposed. The wireless solutions for every layer of system are introduced in detail. Four quadrant common DC bus technology is applied in system to further improve system stability and decrease system energy consumption. The development of wireless pumping unit monitoring and control system solves the problem of wire distribution at oilfield site with reduction of construction time and engineering cost. Problems of equipments easily being destroyed and stolen are solved with system application. The safety of oil&gas production equipment is guaranteed efficiently.

Key words:pumping unit; wireless technology; supervisory control and data acquisition; remote control

基金项目：沧州市科技计划项目“数字化抽油机及控制系统的研制”(项目号： 142107002D)。

作者简介：高肇凌(1981—)，2008年毕业于燕山大学模式识别与智能系统专业，获硕士学位，现主要从事石油装备自动化、控制产品的研制工作，任工程师。

中图分类号：TP277

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0028-04

稿件收到日期： 2016-01-25，修改稿收到日期： 2016-03-28。