基于窄带物联网的抽油机远程监控系统设计

陈鸿龙， 林 凯， 李 哲， 代天骄， 孙 良

（中国石油大学（华东）控制科学与工程学院，山东青岛266580）

0 引 言

近年来物联网（Internet of Things，IoTs）技术的发展日新月异，取得了许多重大突破并得到了广泛应用［1］。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）［2-4］是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术，已经成为低功耗广域网的重要成员。NB-IoT所占用的带宽很窄，而且其使用授权频段可与现有的移动网络共存，部署成本低。NB-IoT 具有覆盖广、大连接、低功耗、低成本、低速率和低移动性等特点［5］，得到了全球主流运营商和设备商的青睐，并且广泛应用于不同的垂直行业，如智慧停车［6］、智慧城市［7］、智慧校园［8］以及石油石化［9］等。

石油是现代工业社会最重要的原料，也是国家不可或缺的战略资源，目前我国累计探明地质石油储量近400 亿t。抽油机是石油开采的常用设备［10］，可分为游梁式抽油机（俗称“磕头机”）和无游梁式抽油机。作为耗能大户，抽油机的用电量约占油田总用电量的40%，因此，保障抽油机正常运转以及提高抽油机运行效率具有非常重要的意义。然而，石油分布的特殊性使得抽油机通常工作在复杂多变的野外环境，其运行状态容易受诸多因素影响。因此，抽油机工作状态的实时监控面临重大挑战，尤其是对抽油机故障的有效检测、诊断及排除，处理不当容易造成巨大的经济损失、资源浪费和环境破坏。

本文所设计的实验系统［11-13］将NB-IoT 技术应用在抽油机的远程监控过程，通过对抽油机装置运行状况的参数采集、数据处理、NB-IoT 网络通信以及本地PLC控制和上位机的监控，实现对抽油机运行状况的远程监控和抽油机电机转速的远程控制。

1 游梁式抽油机工作原理

游梁式抽油机是我国油田目前主要使用的抽油机类型之一，如图1 所示。游梁式抽油机主要由驴头-游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置四大部分组成。游梁式抽油机在工作时，其电动机的转动经变速箱、曲柄连杆机构变换成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下抽油泵的柱塞做上下运动，进而把井下的原油抽出井筒。

抽油机运行过程中，其悬点载荷与悬点位移之间的关系曲线称为示功图［14］。示功图是了解抽油机、抽油杆和抽油泵工作状况好坏的一个主要手段。在理想的工作环境中，抽油机的示功图近似于平行四边形。抽油机工作过程中的一些异常现象可以在示功图上直观反映出来，结合相关资料，还可以进一步分析判断抽油设备与油层和原油性质是否适应，同时还可以对低产、低能油井指定合理的开关井时间，减少设备磨损和电能浪费。因此，对示功图的实时监测，是对抽油机运行状况监测和故障检测及诊断的基础。

2 监控系统设计

基于NB-IoT的抽油机远程监控实验系统总体结构如图2 所示。该系统主要由以下五部分组成：抽油机装置、Modicon M340 PLC［15］控制器、CVT-IOT-S5PX系统及NB-IoT节点、云端服务器和上位机。

图2 基于NB-IoT的抽油机远程监控系统总体结构示意图

（1）抽油机装置和Modicon M340 PLC 控制器。如图3 所示，我校施耐德电气联合实验室配备了8 套抽油机装置和Modicon M340 PLC 控制器。抽油机装置上装有3 个传感器（电动机转速传感器、载荷传感器和位移传感器）和一个变频器。Modicon M340 PLC则是一款高性能中型PLC，来自于施耐德电气公司，其CPU模块集成了USB口且内置两个通信接口，便于与NB-IoT节点进行数据交换。电动机转速传感器、载荷传感器和位移传感器分别通过数字和模拟输入通道连接到Modicon M340 PLC，由Modicon M340 PLC读取电动机转速、载荷和位移。同时，Modicon M340 PLC 还可通过数字量输出通道和变频器对电动机转速进行控制。

图3 实验室中的抽油机装置和Modicon M340 PLC

（2）CVT-IOT-S5PX系统及NB-IoT节点和云端服务器。CVT-IOT-S5PX是武汉创维特信息技术有限公司开发的物联网教学实验系统，目前实验室拥有23 套该实验设备。如图4 所示，下方为CVT-IOT-S5PX 实验系统；上方为平台内置的NB-IoT节点。在该实验系统中，NB-IoT 节点与Modicon M340 通过USB 接口建立有线连接，进行双向通信。NB-IoT 节点则通过NBIoT网络（窄带物联网移动基站）实现与云端服务器的无线通信，并与之进行数据交换。

图4 CVT-IOT-S5PX实验系统及NB-IoT节点

（3）上位机部分。本实验系统基于LabVIEW 软件开发上位机远程监控系统。上位机通过网络连接，获取NB-IoT云端服务器中的抽油机运行参数，即电动机转速、载荷和位移，并将上述参数进行实时曲线显示。图5 所示为本实验系统设计的上位机软件界面，可见，上位机能够实现抽油机装置参数曲线的实时显示，还可对电动机的转速、正反转以及相关的PID参数进行相应的设置，进而实现对抽油机的远程控制。

图5 抽油机远程监控上位机软件界面

本文所设计的基于NB-IoT 的抽油机远程监控实验系统工作过程如下：Modicon M340 PLC 通过模拟量输入通道采集抽油机装置的载荷和位移两个参数数据，通过数字量输入通道采集抽油机装置的电动机转速数据，其中，作为Modicon M340 PLC 本地的PID 控制器的测量值，电动机转速参数用于控制抽油机装置中电动机的转速；Modicon M340 PLC通过USB接口将采集到的3 个参数值实时传输给CVT-IOT-S5PX 平台中的NB-IoT 节点；NB-IoT 节点通过NB-IoT 网络（窄带物联网移动基站）将接收到的3 个参数的实时数据发送给云端服务器；上位机通过网络连接获取云端服务器中的参数实时数据；上位机绘制并显示接收到的载荷、位移和转速的实时数据，操作人员根据收到的参数值分析抽油机装置的运行状态，并判断是否需要调整电动机转速以及相关的PID 参数。若需要调整，则将电动机转速的给定值及PID参数通过上位机发送给云端服务器；云端服务器将接收到的数据通过NB-IoT网络发送给NB-IoT 节点；NB-IoT 节点通过USB 接口将电动机转速给定值以及PID 参数转发给Modicon M340 PLC；Modicon M340 PLC将接收到的转速值作为PID控制器的给定值，并对PID 的参数进行相应的调整，Modicon M340 PLC通过数字量输出通道将PID 控制器的操纵值输出给变频器，通过控制电机的频率实现对抽油机装置的电动机转速的控制。

3 监控实验系统的教学应用

目前，我校自动化本科专业每个年级共有5 个班，约120 名学生。我校开设的“专业综合实验”课程，面向自动化专业的四年级学生，为期4 周。本文所设计的基于NB-IoT的抽油机远程监控实验系统可服务于《专业综合实验》课程。此外，我校自动化和测控技术与仪器两个专业开设了适用于三年级学生的专业选修课“无线传感网络”和“物联网控制技术”，本文所设计的实验系统同样可以在这两门课的物联网网络实验中发挥作用，有助于学生更深层次地理解和掌握物联网的框架结构、关键技术以及其在石油相关领域的实际应用。

4 结 语

本文设计了一套基于NB-IoT 的抽油机远程监控系统，通过对抽油机装置运行状况的参数采集、数据处理、NB-IoT网络通信以及本地PLC控制和上位机的监控，实现对抽油机运行状况的远程监控和抽油机电机转速的远程控制。基于该实验系统的相关课程学习和实验，能够让学生更深层次地掌握抽油机的工作原理，并且对物联网技术、NB-IoT 技术、传感技术和计算机控制技术等在自动化和石油石化相关领域中应用的认识和理解，有助于培养和提高学生针对复杂工程问题的创新意识和实践能力，为学生将来步入自动化和石油石化相关领域工作岗位奠定基础。