油田抽油机实时数据在系统中的设计应用

武瑛

摘要：抽油机管理工作作为油田生产管理的重要组成部分，抽油机实时数据采集及监控系统融合了抽油机的生产控制、数据监测以及管理等一系列生产过程自动化控制体系。应用该系统，能够根据抽油机作业信息对其进行实时监控与管理，根据监控的具体情况制定不同的管理方案。研究设计抽油机实时数据采集与监控实现了传统管理模式的创新，提升了油井生产管理的效率与水平。就油田抽油机实时数据采集及监控在系统中的设计应用进行了简单探讨。

关键词：油田抽油机；实时数据采集及监控；系统设计

一、前言

在油田抽油机实际作业过程中，因为所处的地理位置以及周围环境存在一定的特殊性，加上油田的数量较多，呈分散分布，因此在抽油机工作过程中均需要配置一定的通信设备，但是由于油田所处的位置缺乏规律性且范围广，导致通信设备的分布也缺乏规律，再加上各个井场之间交通不便，测试维护技术人员需要完成的工作量较大，导致工作效率偏低，增加了采油成本，降低了油井的产量[1]。为了能够及时掌握油井抽油机的实时工作状况，需要设计出一种高效、科学的数据采集与监控系统。该系统通过分析抽油机的实时运行参数，全面了解各个系统组成关键部分的功能，从而提升数据采集的效率。相比于传统的人工数据采集的方式，该系统具有安装简单、灵活性强、维护方便、性价比高等优点。

二、项目分析

采油场油井中应用的抽油机主要为游梁式抽油机，型号为CYJ8-3-37HY型，该抽油机的冲程共1.8米，冲次为5毫米，减速器的额定输出扭矩设置为26kN.m，解构不平衡重为-0.3kN，电机的功率为11kW，型号为Y180L-8。结合该油场的生产现状，针对抽油机设计出了一种新型的数据采集及监控系统，目的是对抽油机设备进行实时监控，以便掌握其实时工作状况。

三、系统功能以及运行技术分析

（一）系统功能分析

在本系统中，结构选用集散式控制结构，即应用高精度的传感器与高敏感器件对抽油机的工作参数（如：电压、三相电流、荷载、示功图、冲次、冲程、电流图参数等）进行检测，将检测到的参数经过主机分析处理后，再通过GPRS通信模块具备的数据分析作用对抽油机作业的相关参数进行采集，同时将数据及时传输至总站，再由总站借助PC机上的相关软件根据获得的参数分析抽油机的作业现状。假如抽油机工作时出现异常便会自动发出报警信息，并在第一时间将相关信息发送至管理者连接的手机上，方便立即处理抽油机的异常情况。而在油田中设置的采集终端的液晶屏上还能够将抽油机相关参数（例如：电流值、电压值、工作日期、井上示功图、报警信息等）显示出来，以便管理人员能够第一时间了解抽油机工作状况以及相关参数[2]。

（二）系统运行技术分析

设计系统之前，应当提高系统控制结构的重视程度，确保该系统除了具备基本的集散式功能需求外，还应该优化系统的控制结构。在操作该系统时，考虑到传感器装置对精度的要求非常高，针对这一需求，需要对传感器的质量进行分析，目的是重点关注抽油机中的一些敏感部分，全面提升抽油机控制的水平。按照抽油机装置荷载的差异，需要对其配备的电机进行深入研究，以提升电机电流控制的水平。不仅如此，系统管理人员还应该提升对冲程的重视程度，对调节系统运行流程进行合理调节，目的是实现系统示功图不断趋于完善，提高系统运行的质量。在处理该系统之前，还需要深入分析本系统涉及的各项技术，深入调研处理流程，保证在系统中在对应模块的辅助下通信系统及时处理相关数据。除了符合上述技术要求外，还应该确保设计的系统拥有信息报警的功能。提高处理系统信息的能力，不仅可以为系统高效、稳定运行提供硬件支撑，还能够及时且规范地对各类系统信息进行处理，在保障抽油机工作效率方面发挥重要作用。

四、系统的硬件构成

由于本次拟设计的实时数据采集及监控系统应用的主机型号为ATmega16-16MI，该主机由于是在AVR RISC低功耗8位CMOS微控制器基础上增强而来，因此该型号的主机指令集比较先进，再加上采用的是单时钟周期指令作为执行时间，因此ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，通过这种方式能够在一定程度上减少系统在功耗与处理速度二者之间存在的矛盾，该系统的硬件结构如图1所示。从图1可以看出：抽油机实时数据采集的硬件系统主要包括传感器及信号处理模块、A/D转换模块、时钟校准输入模块、液晶显示模块、I/O扩展模块（包含键盘输入与微型打印输出）、GPRS通信模块、无线数据传输模块、声光报警模块以及电机控制模块。接下来就主要的硬件结构进行详细分析：

（一）传感器及信号处理模块选择与设计

本次设计的系统中，传感器主要有四类，分别是负荷传感器、角位传感器、流量传感器、电流电压互感器。在本次设计中，井口仪表采用LoRa协议的无线仪表，传感器选择一体化抽油机电控箱。选择适当的传感器后，再将其安装于抽油机的平衡铁位置上，只需监测抽油杆加速度值，再采用二次积分处理获得数据便可以获得原理测量位移值。此外，抽油杆工作信号应用433MHZ无线信号还可以成功传递给无线传输模块，该模块接下来将自身接收到的示工图数据通过RS232接口传输至GPRS模块上，最终达到远程监控示功图的目的。在保证抽油机安全生产的基础上还能发挥节能减排的目的。本次系统中传感器为霍尔电流传感器，安装位置为电机主回路，其主要用于对电机定子线圈的输入电流信号进行采集，对电流进行分析，最终掌握电机的运行状态。将确定好型号的电压传感器安装于电机的主回路上，如此便可以实现保护电机电压缺相检测的功能。采用LC型椭圆齿轮流量计对储油罐上的流量进行计算，结果测量出液体的黏度范围为1～200mPa，输出的波形为矩形波[3]。

（二）A/D以及时钟电路设计

本系统的A/D转换器芯片选用的是8路输入ADC0809芯片，待获得抽油机采油的各种工作信息与参数后，在传感器的作用下将其转变成能够被单片机识别的信号，完成传输。该系统通过检测并记录抽油机工作过程中的各项参数，在对这些参数记录的同时，还应该对涉及时间的信息进行保存，目的是方便用户逐一分析这些数据并提出相应的措施。不仅如此，还通过扩展了一片XI205为该系统的运行提供时间基准。

（三）显示电路设计以及I/O扩展

本系统应用的液晶显示器型号为MZI02-12864，该显示器中控制模块的构成包含22个指令，通过在控制模块中输入不同的控制字，完成液晶显示器初始条件的设置，选择好想要的运行条件，液晶显示器便可以将系统的运行状态和模式显示出来。系统中I/O扩展应用的是8255A芯片。

（四）GPRS通信模块设计

本系统中的GRPS通信模块设计选用的是MD-609G，其分别具备RS232、485、422以及TTL四种类型的数据接口，方便迅速连接至现场的数据采集设备。可以设置数据接口的波特率，并发挥支持串口硬流控的目的，而且该系统还具备支持标志TCP/IP协议的功能[4]。

（五）无线传输模块设计

无线传输模块选择型号为PTR2000无线收发一体数据传Modem模块，其主要用于接收无线传输载荷位移。该模块应用的FSK调制/解调模式，拥有较高的抗干扰能力，不仅工作频率可靠、发射功率较低以及灵敏度较高，能够较好地满足无线管制的要求，而且该模式无需应用许可证，实现最远的传输距离可达1000米。

五、抽油机实时数据采集及监控在系统工作中的原理分析

（一）采集抽油机电参数

该系统能够结合抽油机的负荷大小以及电压等级的差异，在系统安装的电流或电压互感器的辅助下，准确采集到抽油机的工作参数。在抽油机横梁位置处安装一个控制开关，从而对一个周期内的上冲程电流与下冲程电流，通过调理信号的方式有效去除干扰信号，而且还能把该信号统一转换成标准的电压信号，将参数输入至专门的数据采集芯片内进行存储，最后再由通信模块读取储存在采集芯片内的数据，通过GPRS网络将上述信息传输至后台服务器上，完成对应的处理。

（二）采集抽油机的示功图

如果要利用该系统获得抽油机的荷载和位移等重要参数，就需要在抽油机的光杆位置安装荷载传感器或位移传感器，并形成标准的4～20mA电流信号，将其送至数据采集芯片内，将信号整合成一段代码，完成存储，最后再经过通信模块将存储在数据采集芯片内的数据完成读取，在GRPS网络作用传输到后台服务器上完成相应的处理。

（三）采集抽油机原油流量

关于原油采集的方式主要选择触发式，即只需打开长储油罐位置上的抽油阀门或者将排水阀门打开，便可以对原油流量与排水量进行采集。

六、油田抽油机实时数据采集及监控系统软件设计

（一）油田抽油机实时数据采集及监控系统功能

本系统具备的主要功能是将油井现场采集到的抽油机相关数据经MD-609G模块传输至监控中心，通过显示屏将电流电压值、井上示功图、日期时间、报警信息等显示出来，与此同时还能及时接收监控中心上下传达的各类指令并产生相应的控制动作，例如：该系统能够对实现抽油机开机或关机、系统报警以及系统远程复位等操作的远程控制。该系统首先完成系统内各项参数的初始化，内容包含中断入口地址的设置、工作区单元的清零、堆栈指针的设置、时钟芯片的启动、液晶显示器以及初始化解释器和串口的启动等等。而设置串口的初始值的关键是设置实现通信的格式，详细而言即要将伯特率设置为每秒9600b，数据位设置为8位，起始位设置为1，无奇偶效验。当初始化程序启动后便可以按照预设的时间准时将抽油机工作的参数发送给监控中心。如果连续发送的时间超过3min但是显示未发送成功时，需要重新启动系统。假如有参数超过时间限制便会发出报警信号，同时将报警的信息发送至监控中心，接下来便可以接收监控中心发送过来的控制命令，同时执行对应的输出控制模块。

（二）监控中心软件设计要点

监控中心的主要工作内容是接收各个子站上传来的数据，并完成这些数据的处理与存储，同时根据抽油机的数据参数判断其工作状态，一旦存在异常时便立即发出报警，同时将各类信息在网络与计算机的辅助下实时传递至相关部门。监控中心应用的PC软件编程模式为LabVIEW和matlab混合的模式，通过应用matlab提供的大量且高效、可靠的算法以及LabVIEW具备的高效图像化编程能力。其中用户图形的界面设计主要由LabVIEW完成，同时还需要对抽油机数据进行采集，完成网络通信，LabVIEW则是应用Matlab的大型算法实现示功图的绘制和识别[5]。

七、结语

伴随着经济的不断发展，社会各界对石油资源的需求量与日俱增，在新形势下，如何优化技术和管理系统，提升抽油机的采油质量，已成为亟待解决的重要课题。抽油机作为油田采集石油的主要设备，其自身管理水平的高低直接关系着油田质量与采油设备的安全。因此如何提升油田抽油机设备管理效率与管理水平显得非常重要。设计和应用油田抽油机实时数据采集及监控系统，不仅有助于提高采集石油资源的效率，减少抽油的成本支出，而且还能有效地为设备的运行以及维护提供良好的保障。因此，将油田抽油机实时数据采集及监控系统应用在抽油机管理中心，对各个组成系统的部件进行全面分析，结合实际情况利用该系统，从而提高采油效率。

参考文献

[1]董云峰，张宏伟.大数据背景下抽油机数据采集系统的设计与运行[J].企业科技与发展，2018（3）：119-120.

[2]李大海，张亚超，陈素.基于ZigBee和GPRS技术的油田抽油机无线数据采集传输系统[J]. 仪表技术与传感器，2018（11）：93-96，100.

[3]杜喜昭，石秀华，赵丽强.油田抽油机数据采集实时监控系统[J].测控技术，2010，29（9）：51-53+57.

[4]胡知杨.油田抽油机数据采集实时监控系统[J].化工管理，2016（8）：245.

[5]董云峰.油田抽油机数据采集实时监控系统研究[J].无线互联科技，2018，15（5）：118-119.

作者单位：新疆油田风城油田作业区