游梁式抽油機生產故障自動監測系統設計

劉廣友，邵惠生，董超群

（1.中國石化股份勝利油田分公司 孤東采油廠，山東 東營 257237；2.山東省東營市人力資源和社會保障局山東 東營 257091；3.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580）

游梁式抽油機是有桿抽油設備系統的地面裝置，以結構簡單、制造容易、維修方便而得到廣泛應用，是油田生產的關鍵設備。在抽油機的生產過程中，由于設備連續運轉和社會治安問題，時常發生以下故障：1）電機皮帶斷、油井光桿斷造成電機空轉；2）曲柄銷斷裂或脫落引發油井翻機安全事故；3）電機或變壓器被盜導致油井停產。為此綜合應用傳感器、無線通信、計算機監控、數據庫和動態Web信息發布等多項技術設計和開發了一套適用于油田生產現場的油井生產故障自動監測系統，對油井的生產運行狀態進行在線實時監測，在油井地面裝置發生異常或故障時及時發出報警信息，提高不正常停井的監控和處理能力。

1 系統組成及工作原理

系統研發涉及到傳感器選型與應用、單片機系統設計與開發、無線通信電路設計、監控軟件功能開發、數據庫規劃與實現、動態Web開發與發布等，整體結構及原理如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統工作原理如下：首先現場前端利用各類傳感器對油井的生產運行狀態參數進行實時檢測，研發專用現場測控單元對狀態參數信息進行采集和預處理，并按所選通訊模塊的通訊協議進行編碼；然后通過GSM無線通信技術及時將其發送到監控系統上位機；監控系統上位機將所獲得的信息進行解碼，還原出曲柄銷（左、右）、電機及變壓器等抽油機地面裝置的工作狀態參數信息，將結果存放到數據庫服務器中，并編程實現對數據的實時顯示、報警處理、即時查詢、統計報表、打印輸出等系統功能；最后利用動態Web開發與發布技術將系統數據庫中的數據實時發布到油田局域網，使得采油廠、礦、隊各級用戶或工作人員可以通過授權分級瀏覽網站信息，實時監控所轄區域油井的生產運行狀態、及時對油井地面裝置的異常和故障進行排查和處理，實現數據的安全共享[1-2]。

2 現場測控單元設計

現場測控單元由故障檢測模塊、核心處理模塊、無線通信模塊及電源模塊4部分構成，如圖2所示。

2.1 故障信息檢測

主要檢測抽油機曲柄銷和變壓器兩種地面裝置的故障信息。

圖2 現場測控單元結構圖Fig.2 Diagram of the field measurement and control unit

2.1.1 曲柄銷故障檢測

現場曲柄銷故障細分為曲柄銷斷裂、曲柄銷斷齒、曲柄銷孔磨損、曲柄銷孔裂紋和曲柄銷鍵槽壓潰等情況。造成曲柄銷故障的主要原因有日常維護保養不及時、裝配不合理、鑄造工藝不合理產生鑄造缺陷、結構設計不合理造成局部強度不足等，不管故障形式如何、故障原因為何，發生故障后的最終結果都是曲柄銷停止運動，系統通過在曲柄銷固定軸上安裝電容式接近開關LJC30A3-H-Z/BX實現對曲柄銷運動狀態的檢測，當曲柄銷發生故障停止運動時發出報警信息。曲柄銷故障檢測流程如圖3所示。

圖3 曲柄銷故障檢測流程圖Fig.3 Flow chart of the crank pin failure detection

2.1.2 變壓器故障檢測

變壓器自身工作一般比較穩定，不容易出現故障，但是其被放置在野外，無人看守、容易被盜。系統主要檢測變壓器斷電故障，檢測流程如圖4所示，當系統檢測到變壓器斷電后立即切換到備用電池供電，及時把變壓器故障上報給中控室上位機進行處理。

2.2 核心控制芯片

核心處理模塊是現場測控單元的核心部分，負責實現各種故障的判斷與處理、報警信息上傳、回復上位機指令等功能，系統選用STC12C5206AD型單片機作為核心控制芯片進行電路設計和軟件開發，配備X5045外置看門狗復位芯片，防止系統運行時的意外死機，提高系統的穩定性和可靠性[3-5]。核心處理模塊的工作流程如圖5所示。

2.3 無線通信模塊

圖4 變壓器斷電故障檢測流程圖Fig.4 Flow chart of the power transformer fault detection

系統選用西門子的工業級高可靠性GSM模塊TC35i[6]，其支持中文短信息，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V，休眠狀態電流消耗為3.5 mA，空閑狀態為 25 mA，發射狀態為 300 mA（平均），峰值為 2.5A；可傳輸語音和數據信號，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）分別為2 W和1 W，在所選電池供電情況下可持續待機12 SIM讀卡器和天線，可通過AT命令雙向傳輸指令和數據。

圖5 核心處理模塊工作流程圖Fig.5 Flow chart of the core processing module

2.4 供電電路設計

現場測控單元采用雙供電模式，即交流電源供電和電池供電。交流電源通過工業級AC/DC模塊LH10-10B09轉化為直流輸入，經各種穩壓芯片轉換為各個模塊所需的供電電壓。高容量備用電池在交流電源掉電時為系統供電，并在交流電源正常工作時通過充電控制芯片BQ2057WSN進行充電。

3 系統功能開發

信息中心計算機系統負責完成如下主要功能：1）作為監控系統上位機，通過GSM無線通信網絡連接現場測控單元，實現油井生產運行狀態參數的實時檢測；2）作為系統數據庫服務器，存儲、維護和管理曲柄銷、電機及變壓器等抽油機地面裝置的工作狀態參數信息；3）作為系統動態Web服務器，為油田局域網授權用戶提供數據信息服務。

3.1 上位機監控軟件開發

上位機通過上海龍蘭新電子公司生產的SH-LLXDZ型GSM短信DTU與現場測控單元進行連接，實時檢測油井的生產運行狀態參數。上位機監控軟件采用Delphi7.0進行開發，實現油井生產運行狀態參數的采集、處理、存儲、查詢、顯示等功能。

3.2 數據庫服務器功能設計

系統選用功能強大的Oracle 10g網絡數據庫平臺，數據庫編程方面的主要工作包括系統數據的存取、實時顯示、查詢統計、報表、打印、網絡數據庫組建等部分。

3.3 動態Web網站開發及發布

系統動態Web網站的開發以JSP為核心技術，發布工具為Tomcat。網站采用典型的B/S架構進行設計和開發。由于采用B/S架構，用戶終端不需要專門的設備和軟件，只需要一臺接入網絡的計算機和網頁瀏覽器，即可登錄系統實現對油井的生產運行狀態參數的訪問。

4 結 論

油井生產故障自動監測系統自投入運行以來，達到了預期的設計效果：1）現場測控單元工作狀態良好，硬件電路設計達到了可靠連續運行的目的；2）數據傳輸狀況良好，系統數據能夠連續、可靠的發送與接收，且在數據傳輸過程中，誤碼率極低，可以保證現場監測數據準確的發送到信息中心計算機系統；3）信息中心計算機軟硬件系統運行穩定，數據的存取、實時顯示、瀏覽、查詢、統計、報表、打印等功能均通過了嚴格的測試；4）動態Web網站開發及發布正常，運行安全穩定，頁面設計簡潔明了，實現了預期功能。現場應用表明，該系統較好的完成了預期任務、后期維護管理方便，具有較大的推廣價值和應用前景。

[1]劉尊民，林海波，儀垂杰．基于GPRS的油井監控終端設計[J]．自動化與儀表，2010，30（2）：58-60．LIU Zun-min，LIN Hai-bo，YI Chui-jie.Design of oil well monitor terminal unit based on GPRS[J].Automation&Instrumentation，2010，30（2）:58-60．

[2]吳雷，王國華，王金濤，等．CDMA無線通信技術在自動授時中的應用[J]．無線電通信技術，2010，36（4）：55-57．WU Lei，WANG Guo-hua，WANG Jin-tao，et al.Application of CDMA to automatic time-service[J]．Radio Communications Technology，2010，36（4）:55-57．

[3]李云勝，李曉虹．基于STC單片機的商品電子防盜系統設計[J]．自動化與儀表，2009，29（7）：38-41．LI Yun-sheng，LI Xiao-hong.Design of electronic article surveillance system based on STC microcontroller[J]．Automation&Instrumentation，2009，29（7）:38-41．

[4]李建蘭，邵建龍，張志宏，等.基于STC12C系列單片機的DS18B20編程[J].國外電子測量技術，2009，28（1）：23-26．LI Jian-lan，SHAO Jian-long，ZHANG Zhi-hong，et al.Programs for DS18B20 based on STC12Csingle-chip computer[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28（1）:23-26．

[5]邢婭浪，趙錦成，孫世宇.基于STC系列單片機的SPWM波形實現[J]．國外電子測量技術，2009，28（12）：51-56．XING Ya-lang，ZHAO Jin-cheng，SUN Shi-yu.Design of SPWM control waveform based on STCsingle chip[J]．Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28（12）:51-56．

[6]梅燁，杜清珍．TC35i在遠程壓力監控系統中的應用[J]．自動化儀表，2006，27（12）：59-62．MEI Ye，DU Qing-zhen.Application of TC35i in remote pressure monitoring system[J].Process Automation Instrumentation，2006，27（12）:59-62．