油田抽油機實時數據在系統中的設計應用

武瑛

摘要：抽油機管理工作作為油田生產管理的重要組成部分，抽油機實時數據采集及監控系統融合了抽油機的生產控制、數據監測以及管理等一系列生產過程自動化控制體系。應用該系統，能夠根據抽油機作業信息對其進行實時監控與管理，根據監控的具體情況制定不同的管理方案。研究設計抽油機實時數據采集與監控實現了傳統管理模式的創新，提升了油井生產管理的效率與水平。就油田抽油機實時數據采集及監控在系統中的設計應用進行了簡單探討。

關鍵詞：油田抽油機；實時數據采集及監控；系統設計

一、前言

在油田抽油機實際作業過程中，因為所處的地理位置以及周圍環境存在一定的特殊性，加上油田的數量較多，呈分散分布，因此在抽油機工作過程中均需要配置一定的通信設備，但是由于油田所處的位置缺乏規律性且范圍廣，導致通信設備的分布也缺乏規律，再加上各個井場之間交通不便，測試維護技術人員需要完成的工作量較大，導致工作效率偏低，增加了采油成本，降低了油井的產量[1]。為了能夠及時掌握油井抽油機的實時工作狀況，需要設計出一種高效、科學的數據采集與監控系統。該系統通過分析抽油機的實時運行參數，全面了解各個系統組成關鍵部分的功能，從而提升數據采集的效率。相比于傳統的人工數據采集的方式，該系統具有安裝簡單、靈活性強、維護方便、性價比高等優點。

二、項目分析

采油場油井中應用的抽油機主要為游梁式抽油機，型號為CYJ8-3-37HY型，該抽油機的沖程共1.8米，沖次為5毫米，減速器的額定輸出扭矩設置為26kN.m，解構不平衡重為-0.3kN，電機的功率為11kW，型號為Y180L-8。結合該油場的生產現狀，針對抽油機設計出了一種新型的數據采集及監控系統，目的是對抽油機設備進行實時監控，以便掌握其實時工作狀況。

三、系統功能以及運行技術分析

（一）系統功能分析

在本系統中，結構選用集散式控制結構，即應用高精度的傳感器與高敏感器件對抽油機的工作參數（如：電壓、三相電流、荷載、示功圖、沖次、沖程、電流圖參數等）進行檢測，將檢測到的參數經過主機分析處理后，再通過GPRS通信模塊具備的數據分析作用對抽油機作業的相關參數進行采集，同時將數據及時傳輸至總站，再由總站借助PC機上的相關軟件根據獲得的參數分析抽油機的作業現狀。假如抽油機工作時出現異常便會自動發出報警信息，并在第一時間將相關信息發送至管理者連接的手機上，方便立即處理抽油機的異常情況。而在油田中設置的采集終端的液晶屏上還能夠將抽油機相關參數（例如：電流值、電壓值、工作日期、井上示功圖、報警信息等）顯示出來，以便管理人員能夠第一時間了解抽油機工作狀況以及相關參數[2]。

（二）系統運行技術分析

設計系統之前，應當提高系統控制結構的重視程度，確保該系統除了具備基本的集散式功能需求外，還應該優化系統的控制結構。在操作該系統時，考慮到傳感器裝置對精度的要求非常高，針對這一需求，需要對傳感器的質量進行分析，目的是重點關注抽油機中的一些敏感部分，全面提升抽油機控制的水平。按照抽油機裝置荷載的差異，需要對其配備的電機進行深入研究，以提升電機電流控制的水平。不僅如此，系統管理人員還應該提升對沖程的重視程度，對調節系統運行流程進行合理調節，目的是實現系統示功圖不斷趨于完善，提高系統運行的質量。在處理該系統之前，還需要深入分析本系統涉及的各項技術，深入調研處理流程，保證在系統中在對應模塊的輔助下通信系統及時處理相關數據。除了符合上述技術要求外，還應該確保設計的系統擁有信息報警的功能。提高處理系統信息的能力，不僅可以為系統高效、穩定運行提供硬件支撐，還能夠及時且規范地對各類系統信息進行處理，在保障抽油機工作效率方面發揮重要作用。

四、系統的硬件構成

由于本次擬設計的實時數據采集及監控系統應用的主機型號為ATmega16-16MI，該主機由于是在AVR RISC低功耗8位CMOS微控制器基礎上增強而來，因此該型號的主機指令集比較先進，再加上采用的是單時鐘周期指令作為執行時間，因此ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，通過這種方式能夠在一定程度上減少系統在功耗與處理速度二者之間存在的矛盾，該系統的硬件結構如圖1所示。從圖1可以看出：抽油機實時數據采集的硬件系統主要包括傳感器及信號處理模塊、A/D轉換模塊、時鐘校準輸入模塊、液晶顯示模塊、I/O擴展模塊（包含鍵盤輸入與微型打印輸出）、GPRS通信模塊、無線數據傳輸模塊、聲光報警模塊以及電機控制模塊。接下來就主要的硬件結構進行詳細分析：

（一）傳感器及信號處理模塊選擇與設計

本次設計的系統中，傳感器主要有四類，分別是負荷傳感器、角位傳感器、流量傳感器、電流電壓互感器。在本次設計中，井口儀表采用LoRa協議的無線儀表，傳感器選擇一體化抽油機電控箱。選擇適當的傳感器后，再將其安裝于抽油機的平衡鐵位置上，只需監測抽油桿加速度值，再采用二次積分處理獲得數據便可以獲得原理測量位移值。此外，抽油桿工作信號應用433MHZ無線信號還可以成功傳遞給無線傳輸模塊，該模塊接下來將自身接收到的示工圖數據通過RS232接口傳輸至GPRS模塊上，最終達到遠程監控示功圖的目的。在保證抽油機安全生產的基礎上還能發揮節能減排的目的。本次系統中傳感器為霍爾電流傳感器，安裝位置為電機主回路，其主要用于對電機定子線圈的輸入電流信號進行采集，對電流進行分析，最終掌握電機的運行狀態。將確定好型號的電壓傳感器安裝于電機的主回路上，如此便可以實現保護電機電壓缺相檢測的功能。采用LC型橢圓齒輪流量計對儲油罐上的流量進行計算，結果測量出液體的黏度范圍為1～200mPa，輸出的波形為矩形波[3]。

（二）A/D以及時鐘電路設計

本系統的A/D轉換器芯片選用的是8路輸入ADC0809芯片，待獲得抽油機采油的各種工作信息與參數后，在傳感器的作用下將其轉變成能夠被單片機識別的信號，完成傳輸。該系統通過檢測并記錄抽油機工作過程中的各項參數，在對這些參數記錄的同時，還應該對涉及時間的信息進行保存，目的是方便用戶逐一分析這些數據并提出相應的措施。不僅如此，還通過擴展了一片XI205為該系統的運行提供時間基準。

（三）顯示電路設計以及I/O擴展

本系統應用的液晶顯示器型號為MZI02-12864，該顯示器中控制模塊的構成包含22個指令，通過在控制模塊中輸入不同的控制字，完成液晶顯示器初始條件的設置，選擇好想要的運行條件，液晶顯示器便可以將系統的運行狀態和模式顯示出來。系統中I/O擴展應用的是8255A芯片。

（四）GPRS通信模塊設計

本系統中的GRPS通信模塊設計選用的是MD-609G，其分別具備RS232、485、422以及TTL四種類型的數據接口，方便迅速連接至現場的數據采集設備。可以設置數據接口的波特率，并發揮支持串口硬流控的目的，而且該系統還具備支持標志TCP/IP協議的功能[4]。

（五）無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊選擇型號為PTR2000無線收發一體數據傳Modem模塊，其主要用于接收無線傳輸載荷位移。該模塊應用的FSK調制/解調模式，擁有較高的抗干擾能力，不僅工作頻率可靠、發射功率較低以及靈敏度較高，能夠較好地滿足無線管制的要求，而且該模式無需應用許可證，實現最遠的傳輸距離可達1000米。

五、抽油機實時數據采集及監控在系統工作中的原理分析

（一）采集抽油機電參數

該系統能夠結合抽油機的負荷大小以及電壓等級的差異，在系統安裝的電流或電壓互感器的輔助下，準確采集到抽油機的工作參數。在抽油機橫梁位置處安裝一個控制開關，從而對一個周期內的上沖程電流與下沖程電流，通過調理信號的方式有效去除干擾信號，而且還能把該信號統一轉換成標準的電壓信號，將參數輸入至專門的數據采集芯片內進行存儲，最后再由通信模塊讀取儲存在采集芯片內的數據，通過GPRS網絡將上述信息傳輸至后臺服務器上，完成對應的處理。

（二）采集抽油機的示功圖

如果要利用該系統獲得抽油機的荷載和位移等重要參數，就需要在抽油機的光桿位置安裝荷載傳感器或位移傳感器，并形成標準的4～20mA電流信號，將其送至數據采集芯片內，將信號整合成一段代碼，完成存儲，最后再經過通信模塊將存儲在數據采集芯片內的數據完成讀取，在GRPS網絡作用傳輸到后臺服務器上完成相應的處理。

（三）采集抽油機原油流量

關于原油采集的方式主要選擇觸發式，即只需打開長儲油罐位置上的抽油閥門或者將排水閥門打開，便可以對原油流量與排水量進行采集。

六、油田抽油機實時數據采集及監控系統軟件設計

（一）油田抽油機實時數據采集及監控系統功能

本系統具備的主要功能是將油井現場采集到的抽油機相關數據經MD-609G模塊傳輸至監控中心，通過顯示屏將電流電壓值、井上示功圖、日期時間、報警信息等顯示出來，與此同時還能及時接收監控中心上下傳達的各類指令并產生相應的控制動作，例如：該系統能夠對實現抽油機開機或關機、系統報警以及系統遠程復位等操作的遠程控制。該系統首先完成系統內各項參數的初始化，內容包含中斷入口地址的設置、工作區單元的清零、堆棧指針的設置、時鐘芯片的啟動、液晶顯示器以及初始化解釋器和串口的啟動等等。而設置串口的初始值的關鍵是設置實現通信的格式，詳細而言即要將伯特率設置為每秒9600b，數據位設置為8位，起始位設置為1，無奇偶效驗。當初始化程序啟動后便可以按照預設的時間準時將抽油機工作的參數發送給監控中心。如果連續發送的時間超過3min但是顯示未發送成功時，需要重新啟動系統。假如有參數超過時間限制便會發出報警信號，同時將報警的信息發送至監控中心，接下來便可以接收監控中心發送過來的控制命令，同時執行對應的輸出控制模塊。

（二）監控中心軟件設計要點

監控中心的主要工作內容是接收各個子站上傳來的數據，并完成這些數據的處理與存儲，同時根據抽油機的數據參數判斷其工作狀態，一旦存在異常時便立即發出報警，同時將各類信息在網絡與計算機的輔助下實時傳遞至相關部門。監控中心應用的PC軟件編程模式為LabVIEW和matlab混合的模式，通過應用matlab提供的大量且高效、可靠的算法以及LabVIEW具備的高效圖像化編程能力。其中用戶圖形的界面設計主要由LabVIEW完成，同時還需要對抽油機數據進行采集，完成網絡通信，LabVIEW則是應用Matlab的大型算法實現示功圖的繪制和識別[5]。

七、結語

伴隨著經濟的不斷發展，社會各界對石油資源的需求量與日俱增，在新形勢下，如何優化技術和管理系統，提升抽油機的采油質量，已成為亟待解決的重要課題。抽油機作為油田采集石油的主要設備，其自身管理水平的高低直接關系著油田質量與采油設備的安全。因此如何提升油田抽油機設備管理效率與管理水平顯得非常重要。設計和應用油田抽油機實時數據采集及監控系統，不僅有助于提高采集石油資源的效率，減少抽油的成本支出，而且還能有效地為設備的運行以及維護提供良好的保障。因此，將油田抽油機實時數據采集及監控系統應用在抽油機管理中心，對各個組成系統的部件進行全面分析，結合實際情況利用該系統，從而提高采油效率。

參考文獻

[1]董云峰，張宏偉.大數據背景下抽油機數據采集系統的設計與運行[J].企業科技與發展，2018（3）：119-120.

[2]李大海，張亞超，陳素.基于ZigBee和GPRS技術的油田抽油機無線數據采集傳輸系統[J]. 儀表技術與傳感器，2018（11）：93-96，100.

[3]杜喜昭，石秀華，趙麗強.油田抽油機數據采集實時監控系統[J].測控技術，2010，29（9）：51-53+57.

[4]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.

[5]董云峰.油田抽油機數據采集實時監控系統研究[J].無線互聯科技，2018，15（5）：118-119.

作者單位：新疆油田風城油田作業區