游梁式抽油机生产故障自动监测系统设计

刘广友，邵惠生，董超群

（1.中国石化股份胜利油田分公司 孤东采油厂，山东 东营 257237；2.山东省东营市人力资源和社会保障局山东 东营 257091；3.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东 青岛 266580）

游梁式抽油机是有杆抽油设备系统的地面装置，以结构简单、制造容易、维修方便而得到广泛应用，是油田生产的关键设备。在抽油机的生产过程中，由于设备连续运转和社会治安问题，时常发生以下故障：1）电机皮带断、油井光杆断造成电机空转；2）曲柄销断裂或脱落引发油井翻机安全事故；3）电机或变压器被盗导致油井停产。为此综合应用传感器、无线通信、计算机监控、数据库和动态Web信息发布等多项技术设计和开发了一套适用于油田生产现场的油井生产故障自动监测系统，对油井的生产运行状态进行在线实时监测，在油井地面装置发生异常或故障时及时发出报警信息，提高不正常停井的监控和处理能力。

1 系统组成及工作原理

系统研发涉及到传感器选型与应用、单片机系统设计与开发、无线通信电路设计、监控软件功能开发、数据库规划与实现、动态Web开发与发布等，整体结构及原理如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the system

系统工作原理如下：首先现场前端利用各类传感器对油井的生产运行状态参数进行实时检测，研发专用现场测控单元对状态参数信息进行采集和预处理，并按所选通讯模块的通讯协议进行编码；然后通过GSM无线通信技术及时将其发送到监控系统上位机；监控系统上位机将所获得的信息进行解码，还原出曲柄销（左、右）、电机及变压器等抽油机地面装置的工作状态参数信息，将结果存放到数据库服务器中，并编程实现对数据的实时显示、报警处理、即时查询、统计报表、打印输出等系统功能；最后利用动态Web开发与发布技术将系统数据库中的数据实时发布到油田局域网，使得采油厂、矿、队各级用户或工作人员可以通过授权分级浏览网站信息，实时监控所辖区域油井的生产运行状态、及时对油井地面装置的异常和故障进行排查和处理，实现数据的安全共享[1-2]。

2 现场测控单元设计

现场测控单元由故障检测模块、核心处理模块、无线通信模块及电源模块4部分构成，如图2所示。

2.1 故障信息检测

主要检测抽油机曲柄销和变压器两种地面装置的故障信息。

图2 现场测控单元结构图Fig.2 Diagram of the field measurement and control unit

2.1.1 曲柄销故障检测

现场曲柄销故障细分为曲柄销断裂、曲柄销断齿、曲柄销孔磨损、曲柄销孔裂纹和曲柄销键槽压溃等情况。造成曲柄销故障的主要原因有日常维护保养不及时、装配不合理、铸造工艺不合理产生铸造缺陷、结构设计不合理造成局部强度不足等，不管故障形式如何、故障原因为何，发生故障后的最终结果都是曲柄销停止运动，系统通过在曲柄销固定轴上安装电容式接近开关LJC30A3-H-Z/BX实现对曲柄销运动状态的检测，当曲柄销发生故障停止运动时发出报警信息。曲柄销故障检测流程如图3所示。

图3 曲柄销故障检测流程图Fig.3 Flow chart of the crank pin failure detection

2.1.2 变压器故障检测

变压器自身工作一般比较稳定，不容易出现故障，但是其被放置在野外，无人看守、容易被盗。系统主要检测变压器断电故障，检测流程如图4所示，当系统检测到变压器断电后立即切换到备用电池供电，及时把变压器故障上报给中控室上位机进行处理。

2.2 核心控制芯片

核心处理模块是现场测控单元的核心部分，负责实现各种故障的判断与处理、报警信息上传、回复上位机指令等功能，系统选用STC12C5206AD型单片机作为核心控制芯片进行电路设计和软件开发，配备X5045外置看门狗复位芯片，防止系统运行时的意外死机，提高系统的稳定性和可靠性[3-5]。核心处理模块的工作流程如图5所示。

2.3 无线通信模块

图4 变压器断电故障检测流程图Fig.4 Flow chart of the power transformer fault detection

系统选用西门子的工业级高可靠性GSM模块TC35i[6]，其支持中文短信息，工作在GSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3～4.8 V，休眠状态电流消耗为3.5 mA，空闲状态为 25 mA，发射状态为 300 mA（平均），峰值为 2.5A；可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2 W和1 W，在所选电池供电情况下可持续待机12 SIM读卡器和天线，可通过AT命令双向传输指令和数据。

图5 核心处理模块工作流程图Fig.5 Flow chart of the core processing module

2.4 供电电路设计

现场测控单元采用双供电模式，即交流电源供电和电池供电。交流电源通过工业级AC/DC模块LH10-10B09转化为直流输入，经各种稳压芯片转换为各个模块所需的供电电压。高容量备用电池在交流电源掉电时为系统供电，并在交流电源正常工作时通过充电控制芯片BQ2057WSN进行充电。

3 系统功能开发

信息中心计算机系统负责完成如下主要功能：1）作为监控系统上位机，通过GSM无线通信网络连接现场测控单元，实现油井生产运行状态参数的实时检测；2）作为系统数据库服务器，存储、维护和管理曲柄销、电机及变压器等抽油机地面装置的工作状态参数信息；3）作为系统动态Web服务器，为油田局域网授权用户提供数据信息服务。

3.1 上位机监控软件开发

上位机通过上海龙兰新电子公司生产的SH-LLXDZ型GSM短信DTU与现场测控单元进行连接，实时检测油井的生产运行状态参数。上位机监控软件采用Delphi7.0进行开发，实现油井生产运行状态参数的采集、处理、存储、查询、显示等功能。

3.2 数据库服务器功能设计

系统选用功能强大的Oracle 10g网络数据库平台，数据库编程方面的主要工作包括系统数据的存取、实时显示、查询统计、报表、打印、网络数据库组建等部分。

3.3 动态Web网站开发及发布

系统动态Web网站的开发以JSP为核心技术，发布工具为Tomcat。网站采用典型的B/S架构进行设计和开发。由于采用B/S架构，用户终端不需要专门的设备和软件，只需要一台接入网络的计算机和网页浏览器，即可登录系统实现对油井的生产运行状态参数的访问。

4 结 论

油井生产故障自动监测系统自投入运行以来，达到了预期的设计效果：1）现场测控单元工作状态良好，硬件电路设计达到了可靠连续运行的目的；2）数据传输状况良好，系统数据能够连续、可靠的发送与接收，且在数据传输过程中，误码率极低，可以保证现场监测数据准确的发送到信息中心计算机系统；3）信息中心计算机软硬件系统运行稳定，数据的存取、实时显示、浏览、查询、统计、报表、打印等功能均通过了严格的测试；4）动态Web网站开发及发布正常，运行安全稳定，页面设计简洁明了，实现了预期功能。现场应用表明，该系统较好的完成了预期任务、后期维护管理方便，具有较大的推广价值和应用前景。

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