基于GPRS的油井监测终端设计
日期：2008-11-19 22:49:11 来源：中国自动化网
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1 引言
油田中的油井大量分布在野外或海上，设备均为露天安装，管理维护费时费力。目前，大部分油井仍采用人工巡视的方式进行油井的状态监测，这种监测方式效率低，不能做到实时监测，已经远远不能适应油田生产发展的需要。据统计，全国油田共有油井12万多口，站点1.5万个左右，而目前已经安装自动化设备的井站不到5％。因此，将融合了无线通信和智能检测技术的远程数据实时监测系统应用于油井监测，已经成为油田发展的必然趋势。
基于GPRS的油井远程监测终端是油井远程监测系统的重要环节，该设备通过对油井抽油机载荷、电机电压及电流、周围环境状态等参数的实时数据采集，根据油井各项参数对油井工作情况进行初步诊断，并通过GPRS移动通信平台将数据传送到油田局域网内的数据监测中心，实现油井日常工作数据的实时采集和安全防范。大大提高了油井状态监测的效率和可靠性。由于该设备工作环境恶劣，系统的健壮性设计尤为重要。
2 系统概述
2.1 系统组成
基于GPRS的油井监测系统由远程监测终端(简称RTU)、数据通讯网络和测控中心站组成，如图1所示:
RTU将现场采集到的油井参数进行处理和初步的抽油机故障诊断，当抽油机正常工作时，定时通过内置的GPRS/GSM模块无线发送的测控中心站。测控中心实时接收和显示最新数据并通过WEB服务器在油田局域网内发布;当抽油机出现故障时，RTU即时将故障代码和相关故障参数上传测控中心服务器，服务器不但通过WEB发布油井故障，并根据油井所处矿、队，将故障信息通过短信即时通知相关负责人。
2.2 通信网络
本系统的通讯网络采用GPRS承载的VPN，保证了网络传输的安全性、可靠性和经济性。
虚拟专用网(VPN-Virtual Private Network)是一门网络新技术，为我们提供了一种通过公用网络安全地对企业内部专用网络进行远程访问的连接方式。VPN网络采用专用的网络加密和通信协议，可以使企业在公共网络上建立安全的虚拟专网。
GPRS是通用分组无线业务的简称，GPRS最大的特点就是“永远在线”。由于GPRS用户的数据通信费用是按数据量计算的，不考虑通信时长，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，如定时(或故障)自报和召测方式传送油井数据[1>[2>[3>。
3 远程监测终端功能
RTU实现的功能主要有以下几点:
(1) 检测电机实时电压、电流，并定时上传服务器;
(2) 检测抽油杆位移和载荷，计算示功图和平衡度并定时上传服务器;
(3) 跟据油井各项参数，诊断停井、停电、电压异常、电流异常、躺井等故障，当出现故障时，即时将故障代码、油井参数上传服务器;
(4) 统计油井停井次数、开井时间、采油时率并上传服务器;
(5) 无法登录GPRS网络，诊断网络故障，并通过短信通知服务器。
4 远程监测终端构成
如图2所示，RTU由传感器部分、信号处理部分、RTU控制系统主板、GPRS\GSM通信模块和不间断电源构成。
4.1 传感器与信号处理
传感器用于完成油井参数的原始测量。包括电压传感器、电机电流传感器、载荷传感器和位移传感器，并可根据用户的要求进行扩展。
(1) 电压参数采集:游梁式抽油机的电机一般采用75kW的大功率电机，供电电压有1140V和380V两种。根据供电电压不同的特点,本系统采用两种输入,相同输出电压传感器。将电机电压信号转化为14V交流信号进行测量。信号处理部分将该交流信号进行整流、分压、滤波转化直流电压信号以供AD采样。
(2) 电流参数采集:由于不同油井所采原油的地质情况、抽油机的配重不同，其电流的变化范围较大，最小值接近10A,最大值接近100A。本系统采用150/5的电流传感器，再通过1Ω/50W的电阻将电机电流信号转化为0~5V的交流电流信号。由于电流传感器的测量信号属于交流小信号。故信号处理部分采用精密整流技术，以克服常规整流由于二极管的导通压降产生的对于交流小信号的死区和严重的非线性。
(3) 抽油机载荷信号采集。本系统采用的载荷传感器将0~15kN的抽油杆压力信号转化为1~5V的直流电压信号，通过电压跟随电路以提高输出阻抗，再经分压、滤波转换为0~3V的直流信号进行AD采样。
(4) 抽油杆位移信号采集。本系统采用两个接近开关以测量游梁抽油机经过上死点和下死点的时间。再经抽油杆位移公式推算出抽油杆的实时位移。该方法结构简单、易于实现且成本低廉，在一定精度范围内完全可以满足使用要求。
4.2 RTU控制系统主板
RTU控制主板是RUT的控制中心，提供信号采集、转换、预处理、存储、抽油机故障初步诊断与通信控制等功能。CPU采用Philip公司生产的低功耗、高性能、低成本的P89LPC935。由于它集成了许多系统级的功能。可大大减少元件的数目和电路板的面积。该CPU具有256字节的RAM，512字节的附加片内RAM，512字节的EEPROM存储器，8kB可擦除的flash程序存储器。2个4路的8位A/D、增强型UART。
RTU控制主板包含时钟电路、16KB数据存储器、电源监视电路、主板温度监视电路等辅助部分，并且预留有RS232和485通信接口作为扩展通讯接口。
4.3 GPRS\GSM通信模块
GPRS\GSM通信模块采用WaveCOM公司的Q2406B模块。该通信模块包含内置的无线收发模块和TCP\IP栈模块。结合相关的软硬件驱动模块，解决了目前常用GPRS MODEM登陆时间长、数据传输差错率高、SMS/GPRS切换不正常、易于死机等通病，数据传输的可靠性及实时性大为增强。
4.4 不间断电源
系统采用380V或1140V动力电为主供电方式，并且包含蓄电池后备电源。内置蓄电池以及充电电路和电源控制电路。以保证系统连续可靠运行。
5 系统健壮性设计
由于RTU装置露天放置在野外，环境十分恶劣。RTU充分考虑了系统的健壮性设计要求。
经测试，在满足终端设备的正常维护条件下，RTU的MTBF(平均无故障时间)大于或等于8000小时。电源和所有的I/O接口设计有多级保护电路，以防止监测现场雷电、浪涌电流的冲击和高压静电对IC电路的破坏。设置了看门狗电路和电源复位监控电路，防止软件死锁。系统完全采取密封设计，以达到了防水、防盐、防雾的“三防”要求。
6 结束语
该系统具有可靠性高、便于安装、运行费用较低等优点。应用于河南油田某矿，实际运行中满足了设计要求。
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油田中的油井大量分布在野外或海上，设备均为露天安装，管理维护费时费力。目前，大部分油井仍采用人工巡视的方式进行油井的状态监测，这种监测方式效率低，不能做到实时监测，已经远远不能适应油田生产发展的需要。据统计，全国油田共有油井12万多口，站点1.5万个左右，而目前已经安装自动化设备的井站不到5％。因此，将融合了无线通信和智能检测技术的远程数据实时监测系统应用于油井监测，已经成为油田发展的必然趋势。
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基于GPRS的油井远程监测终端是油井远程监测系统的重要环节，该设备通过对油井抽油机载荷、电机电压及电流、周围环境状态等参数的实时数据采集，根据油井各项参数对油井工作情况进行初步诊断，并通过GPRS移动通信平台将数据传送到油田局域网内的数据监测中心，实现油井日常工作数据的实时采集和安全防范。大大提高了油井状态监测的效率和可靠性。由于该设备工作环境恶劣，系统的健壮性设计尤为重要。
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2 系统概述
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2.1 系统组成
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基于GPRS的油井监测系统由远程监测终端(简称RTU)、数据通讯网络和测控中心站组成，如图1所示:
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2.2 通信网络
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GPRS是通用分组无线业务的简称，GPRS最大的特点就是“永远在线”。由于GPRS用户的数据通信费用是按数据量计算的，不考虑通信时长，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，如定时(或故障)自报和召测方式传送油井数据[1>[2>[3>。
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3 远程监测终端功能
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RTU实现的功能主要有以下几点:
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(1) 检测电机实时电压、电流，并定时上传服务器;
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(2) 检测抽油杆位移和载荷，计算示功图和平衡度并定时上传服务器;
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(3) 跟据油井各项参数，诊断停井、停电、电压异常、电流异常、躺井等故障，当出现故障时，即时将故障代码、油井参数上传服务器;
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(4) 统计油井停井次数、开井时间、采油时率并上传服务器;
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(5) 无法登录GPRS网络，诊断网络故障，并通过短信通知服务器。
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4 远程监测终端构成
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如图2所示，RTU由传感器部分、信号处理部分、RTU控制系统主板、GPRS\GSM通信模块和不间断电源构成。
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4.1 传感器与信号处理
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(1) 电压参数采集:游梁式抽油机的电机一般采用75kW的大功率电机，供电电压有1140V和380V两种。根据供电电压不同的特点,本系统采用两种输入,相同输出电压传感器。将电机电压信号转化为14V交流信号进行测量。信号处理部分将该交流信号进行整流、分压、滤波转化直流电压信号以供AD采样。
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(2) 电流参数采集:由于不同油井所采原油的地质情况、抽油机的配重不同，其电流的变化范围较大，最小值接近10A,最大值接近100A。本系统采用150/5的电流传感器，再通过1Ω/50W的电阻将电机电流信号转化为0~5V的交流电流信号。由于电流传感器的测量信号属于交流小信号。故信号处理部分采用精密整流技术，以克服常规整流由于二极管的导通压降产生的对于交流小信号的死区和严重的非线性。
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(3) 抽油机载荷信号采集。本系统采用的载荷传感器将0~15kN的抽油杆压力信号转化为1~5V的直流电压信号，通过电压跟随电路以提高输出阻抗，再经分压、滤波转换为0~3V的直流信号进行AD采样。
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(4) 抽油杆位移信号采集。本系统采用两个接近开关以测量游梁抽油机经过上死点和下死点的时间。再经抽油杆位移公式推算出抽油杆的实时位移。该方法结构简单、易于实现且成本低廉，在一定精度范围内完全可以满足使用要求。
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4.2 RTU控制系统主板
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4.3 GPRS\GSM通信模块
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4.4 不间断电源
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系统采用380V或1140V动力电为主供电方式，并且包含蓄电池后备电源。内置蓄电池以及充电电路和电源控制电路。以保证系统连续可靠运行。
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5 系统健壮性设计
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由于RTU装置露天放置在野外，环境十分恶劣。RTU充分考虑了系统的健壮性设计要求。
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经测试，在满足终端设备的正常维护条件下，RTU的MTBF(平均无故障时间)大于或等于8000小时。电源和所有的I/O接口设计有多级保护电路，以防止监测现场雷电、浪涌电流的冲击和高压静电对IC电路的破坏。设置了看门狗电路和电源复位监控电路，防止软件死锁。系统完全采取密封设计，以达到了防水、防盐、防雾的“三防”要求。
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