油田抽油機數據采集實時監控系統研究

董云峰

摘 要：油田抽油機的控制質量直接影響著油田的工作質量，為此，必須重視對油因抽油機的控制。文章簡單介紹了油田抽油機數據采集實時監控系統的功能及運行技術，嘗試利用Atmega16-MI微控制器當作主機，以具高精度的傳感器來檢測抽油機的各類參數，并將檢測結果顯示于現場液晶屏上，從而實現油田抽油機的數據采集實時監控系統的軟硬件設計，以有效采集作業現場數據，并對現場進行實時監控，加強對油田抽油機的質量控制，從而保證油田的工作質量。

關鍵詞：抽油機；數據采集；實時監控

對于油田的生產管理而言，在進行石油開采的過程當中，有效管理抽油機井至關重要。我國油田抽油井的分布范圍較廣且相對分散，多數抽油井地處偏僻地區，管理難度較大。而為油井管理服務的大部分生產數據卻多是依靠人工采集，這不但加大了抽油機數據采集的人力、物力成本，而且因人工采集多依靠工作人員自身經驗，現場基本無測量設備，人工判斷存在較大誤差，不利及時發現抽油機故障，致油田無法順利進行生產，給油田企業帶來巨大的經濟損失[l]。

1 系統功能及運行技術

1.1 系統功能

系統采取的是集散式控制結構，需采集抽油機的各項參數，如載荷、電壓、電流、示功圖等，并對其實施分析和處理，再經GPRS通信將所采集的各類現場數據傳輸至總站，在總站利用PC機進行分析，若油井工作發生異常則會產生自動報警信息，且此信息會自動傳輸至相關管理人員的移動終端當中，以及時處理并防范相關油井事故。現場可將電流電壓值、示功圖、報警信息及相應的時間和日期等均顯示于采集終端的顯示屏上，以便于工作人員及時掌握抽油機的工作狀況[2]。

1.2 系統運行技術

在對油田抽油機數據采集實時監控系統進行考察時，要特別關注系統的控制結構，使系統在滿足集散式功能需求的基礎上能進一步優化控制結構。系統操作時，應依傳感裝置對于精度要求較高的需求，分析傳感器質量，以提高系統對敏感器件的關注度，從而提高抽油機質量控制性能。依抽油機裝置荷載不同，深入研究抽油機所配備的電機，以有效控制電機電流。相關操作人員應高度重視沖程，合理調節系統運行流程，以不斷完善系統示功圖，從而提高系統運行質量。實施系統處理前，應分析相應技術，調查相關處理流程，使通信系統能利用運行模塊來處理相關工作數據。此外，還要加強關注系統總站和報警信息，加強系統信息處理能力，一方面為系統的運行提供硬件保障，另一方面可及時、規范地處理各類系統信息，從而提高油田抽油機數據采集實時監控系統的工作質量。

2 系統的軟硬件設計

本案所設計的油田抽油機數據采集實時監控系統是以Atmega16-16MI作為主機，其是一種低功耗微控制器，結構為AVR RISC結構，擁有諸多先進指令集及單時鐘周期指令執行時間，數據吞傳輸功率達1 MIPS/MHz，有效解決了系統功耗及處理速度間的矛盾。

2.1 系統的硬件設計

系統的硬件部分由傳感器和信號處理、A/D轉換、時鐘校準、顯示器、I/O擴展、GPRS通信、無線數據傳輸、報警器和電機控制等構成[3]。

2.1.1 傳感器的選取

現油田抽油機數據采集實時監控系統應用的傳感器有很多種，包括負荷傳感器、角位移傳感器、流量傳感器等。以往對位移和載荷進行測量主要采取的方式是利用配電柜中的測量模塊和滑動變阻器或是角位移模塊進行測量，但其安裝困難、工藝復雜且存在一定安全隱患，為此，在對系統進行設計時，務必要選取適當的傳感器。本系統所選擇的傳感器為無線傳輸載荷位移一體化傳感器，將其安裝于抽油桿的平衡鐵上，經測量抽油桿的加速度，再行二次積分即可分析出原理測量位移；另，可利用433 MHz無線通信將信號傳輸至無線模塊，經無線模塊的RS232接口，可將信號轉換為示功圖，并將其傳輸至GPRS模塊，從而讓總站了解抽油機作業現場的相關數據，對現場實施遠程監控。在電機的主回路上安裝霍爾電流傳感器，可通過采集定子線圈的電流輸入信號從而了解電機的運行狀況，并可檢測保護缺相。儲油罐的流量計可選擇LC型橢圓齒輪流量計對液體黏度進行測量，并對矩形波進行輸出。

2.1.2 A/D和時鐘電路設計

A/D轉換器芯片為8路輸入的ADC0809，可將傳感器所生成信息轉化為數字信號。系統利用X1205以提供時間基準，通過檢測和記錄抽油機各類參數，同時還會保存相關時間信息，以供用戶分析相應數據，從而采取有效解決措施。

2.1.3 顯示電路及I/O擴展設計

系統顯示屏為MZL02-12864液晶顯示屏，其包含22個指令控制字，輸入控制字即可對顯示屏的初始條件及運行條件進行相應設置，從而控制顯示屏的運行狀態和模式。I/O擴展功能所使用的是8255A芯片。

2.1.4 GPRS通信設計

GPRS通信可采取MD-609G，其擁有眾多數據接口，如RS232，RS485，RS422，TTL等，其可與現場的數據采集設備相互連接，并且可自行設置數據接口的波特率，支持串口硬流控，也可采取標準TCP/IP協議。

2.1.5 無線傳輸設計

無線傳輸模塊的主要功用是接收源于傳感器所傳輸過來的數據，在此可選擇PTR2000無線數傳Modem模塊，其所使用的FSK調制/解調器具強抗干擾能力、高靈敏度、低發射功率，傳輸距離可達1 km，可很好地滿足無線管制需求。

2.2 系統的軟件設計

2.2.1 現場數據采集系統軟件設計

油田抽油機數據采集實時監控系統中的現場數據采集子系統的功能主要是將現場所采集的數據經MD609G模塊傳輸至監控中心，并將所采集的各類參數信息顯示于現場的顯示屏上，包括電流、電壓、示功圖、報警信息、時間和日期等。此外，系統還要與監控中心相互連接，以接收相關指令并作出反映，如控制抽油機開關機、報警、遠程復位等。為此，現場數據采集子系統的軟件設計首先應重置各類系統參數，如入口地址、工作區單元、時鐘、顯示屏、串口等，其中串口的初始化還需設置通信格式。初始化完成后中，即定期將現場數據傳輸至監控中心，若連續發送3 min以上均未成功，即應重新再次發送；若參數超出允許范圍系統即會自動報警，系統會自動將此參數及報警信息均傳輸至監控中心，以供監控中心工作人員參考，在進行分析后會再次給予現場相關控制命令，現場執行相應命令即可對系統相關狀態進行有效控制。

2.2.2 實時監控中心軟件設計

油因抽油機數據采集實時監控系統中的實時監控中心的職責在于接收、處理、存儲所上傳的數據，顯示各類數據狀態，若出現異常，即發出報警，并將各類信息經網絡傳輸至各相關部門。系統實時監控中心軟件可采取LabVIEW及Matlab進行混合編程，系統利用LabVIEW可用于設計用戶圖形界面，以采集相關數據，同時兼具網絡通信功能，再結合Matlab算法，還可繪制并識別示功圖。整個系統的計算能力較強，且可有效實現圖形與編程間的轉化。

3 系統數據采集

油田抽油機數據采集實時監控系統的數據采集主要包括3方面：（1）電參數采集。因油井負荷和電壓等級不同，所應用的互感器也有所不同，因此，在采集電參數時，應選擇恰當的互感器，以有效采集油井電壓和電流參數。數據的讀取可利用通信模塊實現，利用GPRS網絡，還可將數據傳輸至總站主機，以供后臺進行分析處理。（2）示功圖采集。在抽油機光桿處所安裝的載荷位移傳感器可對其載荷和位移進行測量，并生成4～20 mA電流信號，在進行數模轉換后即可以數字信息形式存儲于數據采集芯片當中，經通信模塊可讀取所存儲的信息，再經GPRS網絡，即可將所獲取的信息傳輸至總站主機后進行分析和處理。（3）原油流量采集。系統主要采取觸發式方式來采集原油流量，即在抽油閥門或是排水閥啟動后，即可開始采集原油流量及排水量。

4 結語

總而言之，抽油機數據采集實時監控系統的建立為油田開采質量提供了重要保障，本文在深入分析系統功能的前提下，對系統軟硬件部件進行了全面分析和研究，并進行了相應設計，以實現抽油機的數據采集及對現場進行實時監控的需求。相比于現下使用相對廣泛的RTU組態方案，本案所設計系統的利用率較高，研發成本較低，后期維護便利，具較高應用價值，且有著廣闊的市場發展前景。

[參考文獻]

[1]胡知楊.油田抽油機數據采集實時監控系統[J].化工管理，2016 （8）：245

[2]巫從亮，趙紫汐，孫雅然.監控及數據采集系統在抽油機管理中的運用探討[J].中國石油石化，2017（4）：111-112.

[3]陳鴻龍，涂玲，孫良，等基于無線傳感器網絡的抽油機監控實驗平臺[J]實驗技術與管理，2014（9）：95-97