抽油機(jī)減速器運(yùn)行工況數(shù)字化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡小英，蘇 煒，胡加興，段存麗

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

眾所周知，抽油機(jī)的運(yùn)行工況直接決定了油田的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]，在油田作業(yè)中起著舉足輕重的作用，但作為抽油機(jī)的心臟——減速器[2]，它是抽油機(jī)工作組中將動(dòng)力減速傳遞給抽油機(jī)的核心零部件，它的運(yùn)行工況直接決定了抽油機(jī)采油效率及整個(gè)油田的經(jīng)濟(jì)效益[3]。如果工作中出現(xiàn)因?yàn)闈?rùn)滑油的質(zhì)量問(wèn)題而引起的震動(dòng)、竄軸等問(wèn)題[4]，輕者會(huì)降低工作效率，影響到減速機(jī)的使用壽命，重者將直接導(dǎo)致減速機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成抽油機(jī)停止工作[5]，直接影響油田的生產(chǎn)效益。針對(duì)油田管理自動(dòng)化水平低，效率差，成本高等問(wèn)題[6]，設(shè)計(jì)了油田抽油機(jī)減速器運(yùn)行工況數(shù)字化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)外接安裝溫度、液位、電導(dǎo)率、及電流電壓等傳感器，可方便地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)減速器的工作狀況及其過(guò)程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)及運(yùn)行工況的監(jiān)控，超限停機(jī)聲光報(bào)警，實(shí)時(shí)獲取減速器油溫、油質(zhì)、油位等參數(shù)信息。真正實(shí)現(xiàn)了“同一平臺(tái)、信息共享、多級(jí)監(jiān)視、分散控制”，達(dá)到強(qiáng)化安全、過(guò)程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)是集傳感技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)、采油工藝整體優(yōu)化技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)整合技術(shù)、數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)，并結(jié)合油田特點(diǎn)，集成、整合現(xiàn)有的綜合資源于一體的數(shù)字化管理系統(tǒng)。以各井口處的抽油機(jī)減速器作為一個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行子網(wǎng)互聯(lián)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)傳輸給檢測(cè)站，檢測(cè)站也可作為一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)和更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，這樣一級(jí)一級(jí)鏈接成一個(gè)油田現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，在終極中央控制室中管理者可隨時(shí)查看各節(jié)點(diǎn)處的抽油機(jī)減速器的運(yùn)行狀態(tài)，其原理框圖如圖1所示。

檢測(cè)報(bào)警終端的主要功能是將減速器現(xiàn)場(chǎng)的油溫、油質(zhì)、油位等物理量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電信號(hào)并進(jìn)行智能分析，實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)減速器的運(yùn)行工況，當(dāng)減速器的運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)能自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，如果報(bào)警在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有采取措施，則可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)繼電器切斷動(dòng)力電機(jī)電源以防止事故發(fā)生，達(dá)到強(qiáng)化安全、過(guò)程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目的。其組成原理框圖如圖2所示。

1）減速器油溫監(jiān)測(cè)模塊

溫度傳感器選用Pt100熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)，測(cè)量溫度范圍為－20～120℃；信號(hào)調(diào)理電路采用高精度的儀表放大電路AD620組成低通濾波器，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行橋式放大；AD轉(zhuǎn)換模塊采用片內(nèi)AD；人機(jī)交互接口及顯示部分采用LCD，以便能在現(xiàn)場(chǎng)觀察潤(rùn)滑油油溫，也可通過(guò)鍵盤設(shè)置上下限報(bào)警溫度，實(shí)現(xiàn)了電腦的“一鍵式”操作。

圖1 數(shù)字化油田減速器運(yùn)行狀況檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.1 Network frame of reducer work detection in digitalized oilfield

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)原理組成框圖Fig.2 Principle block diagram on-the-spot checkpoint

2）減速器油質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊

圖3 Pt100溫度檢測(cè)電路Fig.3 T emperature detecting circuit of Pt100

電導(dǎo)率傳感器采用電極式傳感器，傳感器封裝在不銹鋼殼體內(nèi)，通過(guò)密封螺紋可和減速器殼體進(jìn)行安裝。當(dāng)減速器潤(rùn)滑油發(fā)生變質(zhì)時(shí)電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)率發(fā)生變化，加在電極兩端電橋上的輸入信號(hào)也發(fā)生變化，在電橋的輸出端利用差動(dòng)放大器可以將該信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，最后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再送到現(xiàn)場(chǎng)處理單片機(jī)中進(jìn)行處理，在單片機(jī)中對(duì)該電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)LCD將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，同時(shí)可通過(guò)按鍵設(shè)置上下限值，以便控制聲光報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。

3）減速器油位監(jiān)測(cè)模塊

液位傳感器選用電子式微壓液位傳感器，將其封裝在不銹鋼殼體中，通過(guò)殼體外的密封螺紋和減速器油箱連接安裝。傳感器件采用霍尼韋爾高精度微壓力傳感器件，該器件可將液體上下表面的壓力差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大濾波，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)中進(jìn)行處理，最終在上微機(jī)控制軟件系統(tǒng)中顯示。

4）單片機(jī)信息處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)選用MICROCHIP公司的高性能工業(yè)級(jí)單片機(jī)PIC18F458，該單片機(jī)功能強(qiáng)大、帶有10位高性能的AD轉(zhuǎn)換器、抗干擾能力強(qiáng)、帶有現(xiàn)場(chǎng)總線CAN控制器，可方便組成現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)。單片機(jī)的功能是將外圍電路采集的信號(hào)進(jìn)行綜合分析處理，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)站的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，保證計(jì)算機(jī)能夠觀察到檢測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行工況。

5）通信接口電路

通信接口電路選用RS485接口進(jìn)行通信，傳輸協(xié)議采用MODELBUS協(xié)議，可方便的組成多節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)系統(tǒng)，單網(wǎng)情況下其節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以達(dá)到64個(gè)之多，如果要擴(kuò)展可以通過(guò)中繼進(jìn)行擴(kuò)展。如圖4、圖5分別為RS485接口互聯(lián)電路及接口應(yīng)用電路圖。

圖4 RS485接口互聯(lián)電路Fig.4 I nterface interconnection circuit of RS485

6）通信協(xié)議

通過(guò)MODBUS協(xié)議，控制器之間、控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)串行通信。采用MODBUS協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制器設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

7）隔離控制繼電器電路

圖5 接口應(yīng)用電路Fig.5 I nterface application circuit of RS485

隔離控制繼電器電路由單片機(jī)控制并通過(guò)光電隔離防止對(duì)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，當(dāng)系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常且報(bào)警后，如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有專業(yè)人員處理現(xiàn)場(chǎng)，為了避免發(fā)生意外，設(shè)置了強(qiáng)制電機(jī)斷電裝置，該裝置原理如圖6所示。

8）報(bào)警電路

現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警電路利用聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警相結(jié)合的方式，選用高亮度的LED和聲音報(bào)警電路，效果好，避免一種報(bào)警方式失靈引起的事故。報(bào)警電路由現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)控制，靈活有效。其原理圖如圖6所示。

圖6 聲光報(bào)警電路Fig.6 S ound-light alarm circuit

2 檢測(cè)站系統(tǒng)

檢測(cè)站系統(tǒng)主要由檢測(cè)控制計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口卡組成。檢測(cè)站能對(duì)本區(qū)域內(nèi)的抽油機(jī)減速器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析及報(bào)警，檢測(cè)人員在檢測(cè)站可查看每一臺(tái)抽油機(jī)減速器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，而不必安排專業(yè)人員在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)守候或巡視，節(jié)省了勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)點(diǎn)數(shù)字智能化值守。

1）通信轉(zhuǎn)換接口卡

由于每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，而一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中不具有相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制接口，因此需要通過(guò)一塊通信接口卡將現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行相連，一般選用PCI或者ISA內(nèi)插式通信轉(zhuǎn)換卡。

2）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)站軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)用VC++實(shí)現(xiàn)，其界面友好、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大。檢測(cè)軟件基于WINDOWS的MFC實(shí)現(xiàn)，通過(guò)單文檔或?qū)υ捒驅(qū)崿F(xiàn)，用戶只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊區(qū)域內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)號(hào)即可獲得該節(jié)點(diǎn)的抽油機(jī)減速器的工作狀況，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生報(bào)警，該軟件能夠自動(dòng)獲取并報(bào)警，并且播報(bào)該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，同時(shí)在界面上亮紅燈。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)、先進(jìn)性及創(chuàng)新性

1）采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)，自動(dòng)化程度高，使用方便直觀；

2）采用數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)與自動(dòng)識(shí)別算法，保證了系統(tǒng)結(jié)果的高可靠性和可參考性；

3）采用上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)同的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，使系統(tǒng)工作可靠、模塊易于集成；

4）采用高精度的多傳感器和高速信號(hào)處理技術(shù)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能突出；

5）軟件功能完善，操作簡(jiǎn)單，設(shè)定好后，可無(wú)人干預(yù)工作，方便查詢；

6）采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，使處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，效果良好；

7）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，方便布置，價(jià)格便宜便于安裝；

8）整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組織工作可靠，功能強(qiáng)大。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)為油田采油現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)字化的實(shí)施開(kāi)創(chuàng)了一種新機(jī)制，新理念，新思，是集溫度傳感與監(jiān)測(cè)、電導(dǎo)率傳感與監(jiān)測(cè)、液位傳感與監(jiān)測(cè)、以及控制系統(tǒng)于一體的新型檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集溫度檢測(cè)和傳感技術(shù)、電導(dǎo)率傳感技術(shù)、電子液位傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與通信技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等于一體的多種技術(shù)的結(jié)合，它具有功能強(qiáng)、精度高、理念先進(jìn)等特點(diǎn)，是多學(xué)科交叉結(jié)合于工程應(yīng)用的典范。具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]董世民，田丹丹，趙克亮，等.螺旋凸輪式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能仿真[J].石油機(jī)械，2010，38（10）:29-34.DONG Shi-Min，TIAN Dan-dan，ZHAO Ke-liang，et al.Optimal design and performance simulation of the spiral cam-pumping unit[J].China Petroleum Machinery，2010，38（10）:29-34.

[2]王建萍.直線電機(jī)抽油機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2006.

[3]張健.基于有限元熱分析的潛油螺桿泵伺服系統(tǒng)井下驅(qū)動(dòng)器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]郭東，邱元奎，楊勇紅，等.抽油機(jī)雙圓弧齒輪減速器傳動(dòng)分析及標(biāo)準(zhǔn)化[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）:9-12.GUO Dong，QIU Yuan-kui，YANG Yong-hong，et al.Analysis and standardization on transmission of double-circular-arcgear reducer of pumping units[J].Oil Field Equipment，2009，38（6）:9-12.

[5]李迎偉.基于GPRS的油井遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[6]趙聯(lián)逢.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)與工作原理研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.