分布式抽油機遠程監控系統結構設計與測試

鄭 華，李會英，陳 敬，魚 崗

(1.長慶油田 第五采油廠，西安 710200；2.長慶油田 第七采油廠，甘肅 慶城 745100；3.川慶鉆探 長慶鉆井總公司，西安 710018)①

分布式抽油機遠程監控系統結構設計與測試

鄭 華1，李會英2，陳 敬3，魚 崗2

(1.長慶油田 第五采油廠，西安 710200；2.長慶油田 第七采油廠，甘肅 慶城 745100；3.川慶鉆探 長慶鉆井總公司，西安 710018)①

基于油井現場管理提出的遠程監控系統的總體要求，進行了分布式抽油機遠程監控系統的總體結構方案設計，分別給出了遠程監控中心和無線通訊網絡的設計方案。通過分析分布式遠程監控系統中不同的遠程數據傳輸方式以及無線通訊網絡的接入方案，確定了基于 GPRS 的無線傳輸方案，并采用 Internet接入方案。介紹了分布式抽油機遠程監控系統測試平臺的搭建；分別對PC監控軟件和Web瀏覽器進行了相關測試，并對測試結果進行了分析。

遠程監控；抽油機；Web 服務器；GPRS 無線傳輸

隨著技術的發展、人力成本的提高和生產效率提高，油田的監控向著數字化、智能化方向發展，油井監控也向著分布式遠程監控方向發展。國內油田絕大部分都在偏遠地區且分布零散，為了降低巡井難度、降低人工勞動強度、降低采油成本、提高生產效率和油田自動化管理水平，基于自動化、網絡化、智能化的分布式抽油機遠程監控系統是未來的發展趨勢。本文設計了一種分布式抽油機遠程監控系統，該系統能實時監抽油井的生產狀況，有效地解決了相對分散的抽油機設備參數的實時采集和無線傳輸等問題，能夠集中、系統化地管理所有的油井[1]，使油井自動化管理水平大幅提高，降低了采油難度和勞動強度，極大地提高了油井生產的可靠性。

1 系統總體要求

為了對偏遠地區且分散的油井進行監控和管理，要求監控系統能實時監測現場的運行信息，并能提供故障報警及診斷信息。此外，大部分油田都有視頻監控的需求，以觀察是否有不明人員闖入油田[2-3]，因此監控系統需要能夠實時監控油井的視頻信息?？紤]到實時監測油井的數據量較大，監控系統還需具備數據存儲和歷史數據查詢等功能。另外，隨著網絡技術的快速發展，監控系統應能實現不同油井數據的共享，并能提供遠程訪問的功能[3]。監控系統主要包括6個功能：①井場運行參數實時讀取及傳輸功能；②現場視頻信息實時監測及傳輸功能；③數據庫管理功能；④自動報警及故障診斷功能；⑤用戶權限管理功能；⑥網站發布與數據共享功能。

2 系統總體方案設計

該分布式抽油機遠程監控系統主要由遠程監控中心、遠程通訊網絡和現場設備(數據采集終端)3部分組成。遠程監控系統模型如圖1所示。

圖1 遠程監控系統模型

數據采集終端從油田現場采集到油井的工作狀態參數，通過遠程通訊網絡將數據傳輸到遠程監控中心，進行相關處理、分析之后顯示；監控中心也可以向數據采集終端發送控制指令，控制數據采集終端的啟停。

2.1 遠程監控系統總體結構

分布式抽油機遠程監控系統基于GPRS和互聯網的遠程無線傳輸網絡架構，再根據系統總體要求，總體結構方案如圖2所示。

遠程數據采集終端實時采集現場抽油機的運行參數及運行狀態信息，將這些信息發送至 GPRS數據傳輸模塊；然后在發送到GPRS網絡；GPRS網絡與遠程監控中心通過Internet相連。為傳輸過程中數據的安全性，在遠程監控中心之前設置防火墻；監控端通過實時獲取采集的信息，將數據存儲到數據庫服務器中，同時PC端監控軟件能與攝像頭連接，顯示攝像頭的實時視頻圖像；數據庫使用的是SQL Server 2008，供PC端監控軟件存儲和查詢數據，Web瀏覽器端也能夠查詢數據庫中油井的實時數據和歷史數據；用戶通過Web瀏覽器訪問數據庫，顯示數據庫中相應查詢結果。通過設置路由器和交換機實現了監控端、數據庫、服務器及瀏覽端的互聯和數據共享。

圖2 抽油機遠程監控系統總體方案

本系統實時性好，可靠性高，能滿足大量數據的遠距離無線傳輸，建設成本低，安裝和維護方便，通過設置多層防火墻極大地提高了分布式抽油機遠程監控系統的安全性，能夠滿足現代化抽油機遠程監控系統的需求。

2.2 遠程監控方案設計

該監控系統包括遠程監控中心、遠程通訊網絡、數據采集終端3部分。遠程監控方案的設計主要包括遠程監控中心和遠程通訊網絡的設計。

2.2.1 遠程監控中心

遠程監控中心主要包括PC端監控軟件、數據庫服務器、Web瀏覽器和Web服務器4部分，其基本結構如圖3 所示。

圖3 分布式抽油機遠程監控系統基本結構

PC端監控軟件接收現場采集的數據信息和視頻信息，并將其存儲在數據庫中；同時可以控制井場抽油機的運行和啟停；通過Web服務器，將油井的各種實時數據和視頻數據發布到局域網上，從而實現用戶之間數據共享；用戶可以通過Web 瀏覽器訪問數據庫查看井場相關信息。

2.2.2 遠程通訊網絡

遠程監控系統除了遠程數據采集終端、監控中心外，遠程通訊網絡也是其關鍵部分之一。對于遠程通訊網絡，首先應該選擇數據的傳輸方式，通常包括有線和無線2種傳輸方式[4]?？紤]到國內油田相對分散且都在偏遠地區，有線傳輸組網困難、維護成本高，因此有線傳輸不符合油田實際需求。無線數據傳輸方式建網更加靈活，后期維護更加方便、簡單，因此無線傳輸方式更加適合抽油機遠程監控系統。

常見無線傳輸方式有衛星通訊、微波通訊、GSM 短消息、紅外線、藍牙、GPRS 等。在上述幾種無線傳輸方式中，GPRS連接不需要等待，數據傳輸速度較高，使用成本低，數據傳輸的可靠性和穩定性較高，能夠遠距離傳輸，能夠無盲區覆蓋國內主要油田，是現階段抽油機遠程監控系統常用的傳輸方式[5]。因此，本文選擇基于 GPRS 的無線網絡傳輸方式?；?GPRS 的無線網絡傳輸接入到遠程監控中心主要有3種方式，分別為特定專線接入方式、Internet 接入方式及 GPRS 接入方式，如圖4所示。

圖4 三種 GPRS 接入方式

3種GPRS接入方式各有特色，專線方式需要通過專線傳輸，系統具有較高的安全性，傳輸延時性很小，但是成本較高[6]；Internet 接入方案的整體費用比專線接入方案低，并且 Internet 接入不受地域的影響，在全國都可以來訪問某地的GGSN 網關，由于該方案數據通過 Internet 傳輸，系統的安全性不高，需要設置安全防火墻提高系統的安全性[7]；GPRS接入方案中，數據也不通過Internet傳輸，完全在GPRS內部網絡中進行傳輸，該方案安全性能一般，但是相較于上述2種方案，其成本最低，但是由于后臺監測中心也是采用GPRS無線傳輸模塊[8]，所以傳輸速率將受到GPRS系統帶寬的限制[9]，適合少量數據遠程傳輸。

考慮到油井分布偏遠和零散的特點，并且需要實時監測抽油機的運行信息和現場的視頻信息，數據量較大，本系統選擇Internet接入方式，至于其數據傳輸的安全性問題，可以通過設置多層防火墻來加以改善。

3 系統調試與應用

3.1 測試平臺的搭建

測試平臺由抽油機、控制柜、攝像頭和遠程監控中心組成抽油機通過電纜線與控制柜相連，數據采集控制器安裝在控制柜中，遠程監控中心與數據采集控制器通過網線連接。測試平臺的數據采集終端是RTU控制器，其主要功能是：采集抽油機的運行參數信息，包括電壓、電流、功率、頻率以及運行狀態等信息，并將運行狀態信息通過網絡通訊對外傳輸到遠程監控中心。

測試平臺的幾個部分通過局域網互聯，控制器安裝在控制柜中，通過局域網與遠程監控中心的PC電腦連接起來，攝像頭也通過局域網絡與遠程監控中心的電腦連接起來，形成了一個局域網絡環境?？刂破鲝挠途蝎@取數據，遠程監控軟件通過無線傳輸網絡獲取控制器采集的各種實時參數，顯示實時數據并通過控制器進行參數設置和控制。

3.2 測試結果及分析

本文主要是對PC端監控軟件和Web遠程監控進行功能測試，并且對測試結果進行分析。對于PC端監控軟件，主要是測試實時數據顯示和歷史數據顯示；對于Web瀏覽端，主要測試油井視頻。

3.2.1 PC端監控軟件測試

1) 實時數據測試。 實時數據包括電參數、設備參數、示功圖、報警信息。電參數包括三相電流、電壓、有功功率、無功功率、電能等參數；設備參數包括沖程、沖次、溫度等參數；示功圖反映了油井抽油機工作狀況的好壞，其利用位移和載荷等信息繪制出來；報警參數包括電機斷相報警，電機過熱報警、光桿等參數。示功圖是判斷井下抽油機工作狀況的重要依據，通過對示功圖的測試及分析，可以快速了解抽油機運行狀況，及時采取正確的處理方法，保證正常生產。圖5～6分別顯示抽油機正常工作時和光桿斷裂時的實時數據和示功圖。數據顯示油壓變化為 0 MPa，井口無壓力，油沒有抽上來，電流平均值為4.2 A；解析示功圖得出抽油機光桿斷裂，現場用虎鉗旋動抽油機光桿，初步判斷該抽油機光桿斷裂。

2) 歷史數據測試。歷史查詢界面提供用戶根據時間段和故障分類綜合查詢歷史數據的功能，用戶可以自行修改起止時間和選擇故障分類，從而進行精確的查詢。該界面能夠顯示油井的歷史數據，包括圖形記錄和數據記錄，同時可以根據歷史時段、故障類型進行查詢。

圖5 抽油機正常工作時的示功圖

圖6 抽油機發生光桿斷裂時的示功圖

3.2.2 Web 遠程監控測試

考慮到IE瀏覽器通用，且兼容性好，本文主要利用 IE瀏覽器來測試Web視頻監控功能。初次進入油井視頻頁面，Web瀏覽器會提示下載Active X控件，按照默認路徑下載并安裝 Active X 控件以后，進入監控主界面。

4 結語

針對油井分散的特點，開發了一種分布式抽油機遠程監控系統，能夠遠程實時監測抽油機的工作狀況及井場視頻信息，方便生產和管理。通過分析分布式遠程監控系統中不同的遠程數據傳輸方式以及無線通訊網絡的接入方案，確定了基于GPRS 的無線傳輸方案，并采用 Internet 接入方案?；谟途F場提出的遠程監控系統的總體要求，提出了總體設計方案；搭建了監控系統的測試平臺，分別對 PC段監控軟件和 Web 遠程監控進行了測試及測試結果的分析。本系統選擇基于GPRS及Internet接入的遠程監控方案，但是目前只是在局域網中得到了實現，在后續的開發過程中，將著重考慮遠程無線傳輸方式的實現。

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Design and Test of Distributed Remote Monitoring System for Pumping Unit

ZHENG Hua1，LI Huiying2，CHEN Jing3，YU Gang2

(1.No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710200，China；2.No.7OilProductionPlant，ChangqingOilfieldCompany，Qingcheng745100，China；3.ChangqingDrillingBranch，CCDE，Xi’an710018，China)

Based on the general requirements for wells site management proposed of remote monitoring system，a general structure program design of oil machine remote monitoring system for distributed control has been made，respectively the remote monitoring center and wireless communications network of design program were shown in this paper.Through analysis of distributed remote monitoring system in the different remote data way and wireless communications network of access program，wireless transmission program based on GPRS of was determined，and internet access program was used.Introduction was made for the distributed remote monitoring system for oil control test platform build respectively for PC monitoring software and Web browser related tests，and test results were analyzed.

remote monitoring and control；pumping unit；Web server；general packet radio service wireless transmission

1001-3482(2016)12-0033-04

2016-07-24

鄭 華(1982-)，女，陜西西安人，工程師，碩士，主要從事軟件工程及數字化管理工作。

TE933.3

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.009