油田抽油机数据采集实时监控系统
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油田抽油机数据采集实时监控系统 ・51・ 油田抽油机数据采集实时监控系统 杜喜昭,石秀华,赵丽强 (西北工业大学航海学院,陕西西安710072) 摘要:根据陕北某油田的生产现状,设计了一种新型油井监控系统,系统采用ATmegal6-16MI微控制器 作为数据采集的主机,通过高精度传感器及高敏感器件检测抽油机的载荷及位移、电流、电压、冲程、冲 次等参数,并在现场液晶屏上显示各参数值和抽油机示功图;监控主站软件采用LabVIEW与Matlab混 合编程,完成示功图识别和油井工况诊断等功能。对系统功能、硬件组成、工作原理和软件设计做了详 细的论述,该系统基本满足了油田对于抽油机监控的需要,和市场上现成的RTU组态方案相比,具有系 统资源利用率高、价格低廉、便于维修等特点,具有一定的应用价值和市场前景。 关键词:游梁式抽油机;AVR微处理器;数据采集;远程监控 中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1000—8829(2010)09—0051—03 Design and Application of Real-Time Monitoring in Oilfield Pumping Data Acquisition System DU Xi—zhao,SHI Xiu—hua,ZHA0 Li—qiang (School of Marine Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China) Abstract:According to the production status of an oil ifeld in noahern ShaanXi province.a new oil welJ moni— toting system is designed,which uses ATmegal6—16MI micro-controller to collect data,by application of the high—precision sensors and highly sensitive detection devices.The load and displacement pumping unit,cur— rent,voltage,stroke,frequency of stroke parameters have been tested,and each parameter value and the pum— ping work can be displayed on a LCD screen.Software in the monitoring master station uses both LabVIEW and Matlab programming to complete the pumping work display and to identify the oil wells working condition diag— nosi8 functions.The system functions,hardware composition,theory and software design work are discussed. The system basically meets the needs of oil pumping unit indication.Compared with the current RTU configura— tion system,the new system has a higher using efficiency of system resources,lower prices and easy to main. tain.And it will receive richer value in application and wider prospects in market. Key words:beam pumping unit;AVR microprocessor;data acquisition;remote monitoring 石油开采行业中抽油机井的管理是油田生产管理 中最关键的环节之一,目前我国大多数油田抽油井的 现状是:油井分散、分布范围广、地区偏远,不易管理; 油井管理中的大量生产数据全靠人工进行采集,耗费 求。因此保证采油时效的提高和抽油机连续正常地运 行显得尤为重要。 靖边某采油厂采用CYJY6-2.5-26HF型的游梁式 抽油机,冲程为1.8 m,冲次为5 mm,减速器额定输出 了大量的人力和财力;油田现场基本没有测量测试设 备,判断抽油机的工作状态主要靠工人的经验。这种 现状导致抽油机出现故障无法及时发现,影响了油田 的正常生产,造成了不必要甚至是巨大的经济损失;在 技术、经济上不能适应油田自动化、信息化发展的要 收稿日期:2010—01—14;修回日期:2010—03—12 扭矩为26 kN・m,结构不平衡重为一0.3 kN,电机型 号为Y180L.8,功率为11 kW。 本文主要针对该油田的生产现状,设计了一种新 型油井监测系统¨J,介绍了该监测系统的功能、硬件 组成、工作原理和软件设计。本系统可以广泛应用于 油田的有杆抽油设备的监控,具有一定的应用价值。 作者简介:杜喜昭(1984一),男,河北保定人,硕士,主要研究方 向为测控技术和传感器。 1 系统功能 系统采用集散式控制结构,通过高精度传感器及 ・52・ 工作状况。 《测控技术12010年第29卷第9期 高敏感器件检测抽油机的载荷、电机三相电流、电压、 冲程、冲次、示功图、电流图等参数,经过主机分析处 理,再通过GPRS通信模块把采油井工作数据及工况 传回总站,总站通过运行在PC机上的软件分析油井 工作状况,如果采油井工作不正常则自动产生报警信 2硬件组成 该监测系统以ATmegal6.16MI_2 为主机,AT— megal6是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位 息,并把该报警信息转发到相关管理人员的手机中,以 便该井的事故得到及时处理和防范。现场采集终端的 液晶显示屏可以显示电流电压值、井上示功图、报警信 息和日期时间等,方便现场工作人员及时了解抽油机 CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周 期指令执行时间,ATmegal6的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之问 的矛盾。硬件结构示意图如图1所示。 l 模块 l 看门狗 时钟 模块 存储 模块 通信模块I l采集模块 RSR¥232]2 辑字量 IATmegal6L-8AI 微控制器 电源 模块 模拟量 l 1 GPRS/CDMA 采集模块l I 通信模块 图1 油井现场数据采集终端结构不意图 硬件电路主要包括:传感器及信号处理部分、A/D 转换部分、时钟校准输入部分、液晶显示模块、I/O扩 展(键盘输入、微型打印输出)、GPRS通信模块、无线 机定子线圈的输入电流信号,通过分析电流判断电机 的运行状态。在电机主回路上安装霍尔电压传感器, 用来实现电机电压缺相检测保护。 数传模块、声光报警系统以及电机的控制等。 2.1传感器选择 本系统所用到的传感器主要有负荷传感器、角位 移传感器、流量传感器和电流电压互感器。对于位移 储油罐上流量计采用LC型椭圆齿轮流量计,测 量液体粘度范围为1~200 mPa・S,输出波形为矩形 波。 2.2 A/D及时钟电路设计 和载荷,传统的测量方法分别是:载荷信号通过信号线 穿过抽油机塔架引入安装在配电柜里面的测量模块; 位移冲次信号或通过圆盘式拉线精密滑动变阻器测 量,或通过安装在塔架上部的角位移模块来测量。这 采用8路输入ADC0809作为A/D转换器芯片, 把传感器产生的关于抽油机的有关信息转化为单片机 能识别的数字信号。系统对抽油机的有关参数进行检 测并记录,在记录数据的同时,必须保存有关时间的信 息,以便用户对数据进行分析并采取正确的应对措施。 系统扩展了一片X1205来为系统提供一个时间基准。 2.3显示电路设计及I/0扩展 两种参数的测量都存在安装不便、施工复杂、存在严重 安全隐患的问题。为解决这些问题,本系统采用蚌埠 赛英电子科技发展有限公司生产的CSF.3GD型无线 传输载荷位移一体化传感器,该产品只需安装在抽油 杆的平衡铁上,通过测量抽油杆的加速度,对数据经过 二次积分即得到原理测量位移;另外,信号通过433 MHz无线通信的方式传递给无线传输模块,无线传输 模块把接收到的示功图数据通过RS232接口传送给 GPRS模块 J,从而实现示功图的远程监控,为油田安 全生产和节能减排提供了技术保障。 在电机的主回路上安装霍尔电流传感器,采集电 系统采用MZL02-12864液晶显示器。MZL02— 12864液晶控制模块具有22个指令控制字。通过写 入不同的控制字,设置液晶显示器的初始条件以及各 种运行条件,以实现液晶显示器的运行状态和运行模 式。I/O扩展采用8255A芯片。 2.4 GPRS通信模块 GPRS通信模块采用北京驿唐的MD-609G,它具 有RS232/485/422/TI'L数据接口,可以快速与现场数 油田抽油机数据采集实时监控系统 ・53・ 据采集设备相连接。数据接口波特率可设,支持串口 然后系统接收监控中心发送来的相关控制命令,并执 硬流控,支持标准TCP/IP协议。 2.5无线传输模块 用来接收无线传输载荷位移一体化传感器数据的 无线传输模块采用PTR2000无线收发一体数传Mo— dem模块。该器件采用抗干扰能力较强的FSK调N/ 解调,工作频率可靠、发射功率低、灵敏度高,可满足无 线管制的要求且无需使用许可证,传输距离最远可达 1000 m。 3 工作原理 3.1电参数的采集 根据油井的负荷及不同的电压等级,采用相应的 电流互感器、电压互感器采集油井的电流、电压等电参 数。在抽油机横梁处安装位置开关,判断一个周期内 的上、下冲程电流。通过信号调理将干扰信号去除,并 统一转换为标准的电压信号,输出到专用数据采集芯 片中存储起来,再由通信模块读取数据采集芯片中存 储的数据,通过GPRS网络传至后台服务器进行处理。 3.2示功图的采集 在抽油机光杆上安装载荷/位移传感器,测量抽油 机的载荷及位移,生成标准的4—20 mA电流信号,送 人数据采集芯片,将采集到的载荷及位移信号进行模 数转换,并整合为一段代码进行存储,再由通信模块读 取数据采集芯片中存储的数据,通过GPRS网络传至 后台服务器进行处理。 3.3原油流量采集 原油流量采集采用触发方式,当储油罐抽油阀门 打开或者排水阀门打开后,即开始采集原油流量和排 水量。 4 软件设计 4.1现场采集系统软件设计 油井监测系统的主要功能就是把现场采集的数据 通过MD-609G模块传送到监控中心,在现场显示电流 电压值、井上示功图、报警信息和日期时间等;同时接 收监控中心下传的各种指令并产生控制动作(如远程 控制抽油机开/关机、系统报警以及系统远程复位 等),软件流程如图2所示。首先对系统各项参数进 行初始化,包括设置中断人口地址、工作区单元清零、 设置堆栈指针、启动时钟芯片和液晶显示器及初始化 计时器和串口。其中串口初始化包括设置通信格式 为:波特率9600 b/s,8位数据位,1位起始位,无奇偶 校验位。初始化之后就定时向监控中心发送现场数 据,若连续发送超过3 min都不成功就重新开始。若 有参数超限就产生报警并将该信息发送到监控中心, 行相关的输出控制模块。 图2软件流程图 4.2监控中心软件设计 监控中心负责各子站上传数据的接收、处理、存储 和各种状态的判定显示及判断报警,并将各种信息通 过计算机网络实时地传送到各相关部门。 监控中心的PC软件采用LabVIEW 与Matlab混 合编程,充分利用了Matlab提供的大量高效可靠的算 法和LabVIEW高效的图形化编程能力。利用Lab. VIEW设计用户图形界面,负责采集数据和网络通信; LabVIEW调用Maflab的大型算法进行示功图的绘制 与识别。其监控系统主画面如图3所示。 图3监控系统主画面 (下转第57页) 纯电动汽车电池管理系统研究与设计 ・57・ 以作为真值参考。本试验中,将电池管理系统测量的 结果通过UART输送到Pc机与真值进行比较。 表1给出了7组随机采样的电压、电流、温度的测 试值、真值以及测量误差。 表1 周期性放电试验结果 电状态的估算算法,以实现对电池电量的准确估计。 参考文献: [1] (日)电气学会电动汽车驱动系统调查专门委员会.电动 汽车最新技术[M].康龙云,译.北京:机械工业出版社, 2008:1—6. [2] 祝占元.电动汽车[M].郑州:黄河水利出版社,2007:1— 5. [3]Ehsani M,Gao Y M,Gay S E,et a1.Modern electirc,hybird electric,and fuel cell vehicles:fundamentals,theory,and de— sign[M].CRC Press,2005:1—17. [4] 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京: 北京理工大学出版社,2002:238—248. [5]Qiang J x,Yang L,Ao G Q,et a1.Battery management sys— tem for electric vehicle application[A].IEEE International 由表l可知,该电池管理系统电压测量精度小于 Conference on Vehicular Electronics and Safety[C].2006: 0.5%,电流测量精度小于0.5%,温度误差小于 134一l3. ±0.5℃。测试表明,该电池管理系统测量精度较高, [6] Wang X P.A modular battery management system for HEVS 功能完善,运行稳定,能够有效地提高锂电池性能。 [D].The University of Toledo,2002. [7] Chatzakis J,Kalaitzakis K,Voulgaris N C,et.a1.Designing a 4 结束语 new generalized battery manangement system[J].IEEE Transactions on Industrical Electronics,2003,50(5):990— 本文设计了基于PIC18F4585电动汽车电池管理 999. 系统,实现了数据采集、通信、安全控制、热管理、SOC [8]Pesaran A A.Battery thermal models ofr hybrid vehicle simu— 估计等功能。与传统电池管理系统相比,该系统具有 lations[J].Journal of Power Sources,2002,110(2):377— 预加电测试和防漏电功能,更能有效保证乘员的安全, 382, 并且系统精度高、可靠性强,有较强的应用价值,对纯 [9] 曹莹瑜,齐铂金,郑敏信.电动汽车电池管理系统抗干扰 电动汽车的发展有良好的促进作用。 设计[J].工业控制计算机,2005,18(12). 在进一步的研究中,将深入探讨电动汽车电池荷 口 (上接第50页) (上接第53页) 了基于TMSF240DSP的软件控制系统,充分利用了 DSP的高速运算能力和丰富的片内外设资源,提高了 5 结束语 软件系统的实时性、准确性,最后还详细分析了试验结 本文针对该油田的实际生产状况设计了油井监测 果,对无轴承永磁同步电机控制系统的设计具有实用 系统,基本满足了油田对于抽油机监控的需要。和市 的参考价值。 场上现成的RTU_5 组态方案相比,具有系统资源利用 参考文献: 率高、价格低廉、便于维修等特点,具有一定的应用价 [1]章云,谢莉莲,熊红艳.DSP控制器及其应用[M].北京: 值和市场前景。 机械工业出版社,2006. [2]刘和平,严利平,张学峰,等.TMS320LF240x DSP结构、原 参考文献: 理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002一 [1]李正军.计算机测控系统设计与应用[M].北京:机械工 (j4. 业出版社,2004-01. [3] 清源科技.TMS320LF240x DSP应用程序设计教程[M]. 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