1 引言
油田中的油井大量分布在野外或海上，設備均為露天安裝，管理維護費時費力。目前，大部分油井仍采用人工巡視的方式進行油井的狀態(tài)監(jiān)測，這種監(jiān)測方式效率低，不能做到實時監(jiān)測，已經(jīng)遠遠不能適應油田生產(chǎn)發(fā)展的需要。據(jù)統(tǒng)計，全國油田共有油井12萬多口，站點1.5萬個左右，而目前已經(jīng)安裝自動化設備的井站不到5％。因此，將融合了無線通信和智能檢測技術的遠程數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)應用于油井監(jiān)測，已經(jīng)成為油田發(fā)展的必然趨勢。
基于GPRS的油井遠程監(jiān)測終端是油井遠程監(jiān)測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，該設備通過對油井抽油機載荷、電機電壓及電流、周圍環(huán)境狀態(tài)等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集，根據(jù)油井各項參數(shù)對油井工作情況進行初步診斷，并通過GPRS移動通信平臺將數(shù)據(jù)傳送到油田局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，實現(xiàn)油井日常工作數(shù)據(jù)的實時采集和安全防范。大大提高了油井狀態(tài)監(jiān)測的效率和可靠性。由于該設備工作環(huán)境惡劣，系統(tǒng)的健壯性設計尤為重要。
2 系統(tǒng)概述
2.1 系統(tǒng)組成
基于GPRS的油井監(jiān)測系統(tǒng)由遠程監(jiān)測終端(簡稱RTU)、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡和測控中心站組成，如圖1所示:
RTU將現(xiàn)場采集到的油井參數(shù)進行處理和初步的抽油機故障診斷，當抽油機正常工作時，定時通過內(nèi)置的GPRS/GSM模塊無線發(fā)送的測控中心站。測控中心實時接收和顯示最新數(shù)據(jù)并通過WEB服務器在油田局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布;當抽油機出現(xiàn)故障時，RTU即時將故障代碼和相關故障參數(shù)上傳測控中心服務器，服務器不但通過WEB發(fā)布油井故障，并根據(jù)油井所處礦、隊，將故障信息通過短信即時通知相關負責人。
2.2 通信網(wǎng)絡
本系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡采用GPRS承載的VPN，保證了網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院徒?jīng)濟性。
虛擬專用網(wǎng)(VPN-Virtual Private Network)是一門網(wǎng)絡新技術，為我們提供了一種通過公用網(wǎng)絡安全地對企業(yè)內(nèi)部專用網(wǎng)絡進行遠程訪問的連接方式。VPN網(wǎng)絡采用專用的網(wǎng)絡加密和通信協(xié)議，可以使企業(yè)在公共網(wǎng)絡上建立安全的虛擬專網(wǎng)。
GPRS是通用分組無線業(yè)務的簡稱，GPRS最大的特點就是“永遠在線”。由于GPRS用戶的數(shù)據(jù)通信費用是按數(shù)據(jù)量計算的，不考慮通信時長，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，如定時(或故障)自報和召測方式傳送油井數(shù)據(jù)[1>[2>[3>。
3 遠程監(jiān)測終端功能
RTU實現(xiàn)的功能主要有以下幾點:
(1) 檢測電機實時電壓、電流，并定時上傳服務器;
(2) 檢測抽油桿位移和載荷，計算示功圖和平衡度并定時上傳服務器;
(3) 跟據(jù)油井各項參數(shù)，診斷停井、停電、電壓異常、電流異常、躺井等故障，當出現(xiàn)故障時，即時將故障代碼、油井參數(shù)上傳服務器;
(4) 統(tǒng)計油井停井次數(shù)、開井時間、采油時率并上傳服務器;
(5) 無法登錄GPRS網(wǎng)絡，診斷網(wǎng)絡故障，并通過短信通知服務器。
4 遠程監(jiān)測終端構成
如圖2所示，RTU由傳感器部分、信號處理部分、RTU控制系統(tǒng)主板、GPRS\GSM通信模塊和不間斷電源構成。
4.1 傳感器與信號處理
傳感器用于完成油井參數(shù)的原始測量。包括電壓傳感器、電機電流傳感器、載荷傳感器和位移傳感器，并可根據(jù)用戶的要求進行擴展。
(1) 電壓參數(shù)采集:游梁式抽油機的電機一般采用75kW的大功率電機，供電電壓有1140V和380V兩種。根據(jù)供電電壓不同的特點,本系統(tǒng)采用兩種輸入,相同輸出電壓傳感器。將電機電壓信號轉化為14V交流信號進行測量。信號處理部分將該交流信號進行整流、分壓、濾波轉化直流電壓信號以供AD采樣。
(2) 電流參數(shù)采集:由于不同油井所采原油的地質(zhì)情況、抽油機的配重不同，其電流的變化范圍較大，最小值接近10A,最大值接近100A。本系統(tǒng)采用150/5的電流傳感器，再通過1Ω/50W的電阻將電機電流信號轉化為0~5V的交流電流信號。由于電流傳感器的測量信號屬于交流小信號。故信號處理部分采用精密整流技術，以克服常規(guī)整流由于二極管的導通壓降產(chǎn)生的對于交流小信號的死區(qū)和嚴重的非線性。
(3) 抽油機載荷信號采集。本系統(tǒng)采用的載荷傳感器將0~15kN的抽油桿壓力信號轉化為1~5V的直流電壓信號，通過電壓跟隨電路以提高輸出阻抗，再經(jīng)分壓、濾波轉換為0~3V的直流信號進行AD采樣。
(4) 抽油桿位移信號采集。本系統(tǒng)采用兩個接近開關以測量游梁抽油機經(jīng)過上死點和下死點的時間。再經(jīng)抽油桿位移公式推算出抽油桿的實時位移。該方法結構簡單、易于實現(xiàn)且成本低廉，在一定精度范圍內(nèi)完全可以滿足使用要求。
4.2 RTU控制系統(tǒng)主板
RTU控制主板是RUT的控制中心，提供信號采集、轉換、預處理、存儲、抽油機故障初步診斷與通信控制等功能。CPU采用Philip公司生產(chǎn)的低功耗、高性能、低成本的P89LPC935。由于它集成了許多系統(tǒng)級的功能?？纱蟠鬁p少元件的數(shù)目和電路板的面積。該CPU具有256字節(jié)的RAM，512字節(jié)的附加片內(nèi)RAM，512字節(jié)的EEPROM存儲器，8kB可擦除的flash程序存儲器。2個4路的8位A/D、增強型UART。
RTU控制主板包含時鐘電路、16KB數(shù)據(jù)存儲器、電源監(jiān)視電路、主板溫度監(jiān)視電路等輔助部分，并且預留有RS232和485通信接口作為擴展通訊接口。
4.3 GPRS\GSM通信模塊
GPRS\GSM通信模塊采用WaveCOM公司的Q2406B模塊。該通信模塊包含內(nèi)置的無線收發(fā)模塊和TCP\IP棧模塊。結合相關的軟硬件驅動模塊，解決了目前常用GPRS MODEM登陸時間長、數(shù)據(jù)傳輸差錯率高、SMS/GPRS切換不正常、易于死機等通病，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皩崟r性大為增強。
4.4 不間斷電源
系統(tǒng)采用380V或1140V動力電為主供電方式，并且包含蓄電池后備電源。內(nèi)置蓄電池以及充電電路和電源控制電路。以保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運行。
5 系統(tǒng)健壯性設計
由于RTU裝置露天放置在野外，環(huán)境十分惡劣。RTU充分考慮了系統(tǒng)的健壯性設計要求。
經(jīng)測試，在滿足終端設備的正常維護條件下，RTU的MTBF(平均無故障時間)大于或等于8000小時。電源和所有的I/O接口設計有多級保護電路，以防止監(jiān)測現(xiàn)場雷電、浪涌電流的沖擊和高壓靜電對IC電路的破壞。設置了看門狗電路和電源復位監(jiān)控電路，防止軟件死鎖。系統(tǒng)完全采取密封設計，以達到了防水、防鹽、防霧的“三防”要求。
6 結束語
該系統(tǒng)具有可靠性高、便于安裝、運行費用較低等優(yōu)點。應用于河南油田某礦，實際運行中滿足了設計要求。
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