无线IO模块在抽油机远程启停中的应用

何莉莉 骆明星 李春梅 李勇

摘 要：抽油机远程启停在油气生产管理、井控管理、节能管理等方面发挥着重要作用。文章介绍了抽油机远程启停有线控制技术现状及存在的问题，并针对存在的问题开展基于无线IO模块的抽油机远程启停无线控制改造，化解了原有远程启停控制的挖沟布线、人力物力消耗、电缆损伤断裂等一系列问题，极大提升了工程实施效率及系统灵活性，具有很好的应用性和推广性。

关键词：抽油机;远程启停;无线;IO模块

0    引言

受国际油价“断崖式”下跌及新冠疫情双重影响，石油开采企业的生产经营遭受极大冲击。就目前来看，上游板块处于且可能将在较长时期内都处于寒冬期。因此，充分利用信息化、自动化手段开展数字油田建设成为提升油气生产本质安全、降低人力、物力、财力消耗的必由之路。近两年，抽油机远程启停在油井生产管理、井控管理等方面作用明显。但现场通过控制线缆实现控制信号传输的方式存在布线困难、施工效率低、成本高、维护不方便、故障查找难、灵活性差等缺陷，需要寻找更有效的解决方法。

1    抽油机远程启停

1.1  抽油机远程启停原理

抽油机远程启停是上位机软件系统通过网络发送指令，井口控制器执行指令，抽油机电气部分执行动作实现抽油机远程启停，如图1所示。

抽油机远程启停系统由启停按钮、井口控制器、交流接触器、空气开关、过载保护器、继电器、变频器、三相电参模块等电气元件组成控制系统。启动按钮与继电器并接，可实现本地和远程启停控制。远程启/停原理：PCS（生产指挥系统）发送启动指令—井口控制器执行控制指令—输出继电器信号—接触器线圈得电/失电—接触器主触头闭合/断开—接触器自锁触头闭合/断开—电机运转/停转[1]。

1.2  抽油机远程启停现状及存在问题

截至目前，某厂已有274口机抽井实现了抽油机远程启停，在降低人工劳动强度、提高生产效率、保障安全生产、降低生产成本等方面应用效果明显。

由于井口RTU控制柜安装在井场变压器旁，抽油机控制柜在位于井场中间的抽油机平台上，RTU控制柜距离抽油机控制柜约有100 m。为确保控制信号的传输，从RTU控制柜到抽油机控制柜之间通过敷设8芯铠装电缆完成抽油机的远程启停控制。

随着油田开发的深入，井场作业越来越多，重型机械、破土作业等导致电缆受伤、断裂等现象频繁;井场复垦导致电缆断裂、位置改变导致电缆长度不够;抽油机更换等造成了大量的重复劳动，人力、物力消耗巨大;更严重的是原本安全性、可靠性极高的有线控制方式变得不再安全可靠。

2    无线模块

无线模块（RF Wireless Module），是数字数传电台（Digital Radio）的模块化产品，是利用无线电技术实现的高性能专业数据传输模块。无线模块延伸到很多的系统中，工业控制的开关量IO（输入/输出）设备，模拟量采集和控制设备。

常见的无线模块可以分为3类：（1）ASK超外差模块，主要用在简单的遥控和数据传送。（2）无线收发模块，主要用于通过单片机控制无线收发数据，一般为FSK，GFSK调制模式。（3）无线传输模块，主要用于直接通过串口来收发数据，使用简单。常见工作频率有230 MHz，315 MHz，       433 MHz，2.4 GHz等[2]。

433 MHz是我国的免申请发射、接收频率，可直接使用不需要管理。433 MHz频段抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无线数据通信方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠、功率大、可长距离传输等特点。

2.1  无线传输与有线通信对比

（1）节约成本，施工效率高。有线通信方式的建立必须架设电缆，或开挖电缆沟，故需要大量的人力和物力;而用无线数据传输方式则无须架设电缆或挖掘电缆沟，只需在每个终端连接无线模块和架设适当高度的天线即可。相比之下用无线模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资更少。

（2）强适应性。有线通信的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或移动物体等布线较困难的应用环境时，对有线网络的布线工程有着极大的制约，而用无线模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制，所以说用无线模块建立专用无线数据传输方式将比有线通信有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。

（3）易维护性。有线通信链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线模块建立专用无线数据传输方式只需维护传输模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。

3    实现方案

3.1  抽油机远程启停无线控制设计思路

在原来的抽油机远程启停系统的基础上，PCS平台保持不变，RTU控制部分保持不变，通过一对无线IO模块替换RTU控制柜至抽油机控制柜之间的8芯铠装电缆（图2中虚线圈内线缆），实现无线启停。即在井场RTU控制柜内增加一个无线IO模块1，在抽油机控制箱内增加一个无线IO模块2，模块1的sw1与模块2的sw2始终保持一致，如图2所示。

3.2  抽油機远程启停无线控制原理

在PCS上点击“启动/停止”按钮，PCS服务器收到指令后下发指令，通过VPDN专网，传达到现场DTU，DTU解析后转发给RTU，RTU在指定端口下发启/停DO信号至无线模块，模块经调制发送启/停信号;启动柜接收端无线模块接收信号，解调出启/停DO信号，经连接启动柜启/停按钮的交流电磁接触器放大后，将DO信号转变成对启/停按钮的通断信号，完成对抽油机电机的启/停控制，实现抽油机的远程启停。

3.3  无线IO模块选择

此次，实验选择了具有工业级品质的无线IO模块，用于开关量信号的无线传输及控制，其嵌入高速单片机并采用最新高性能射频芯片，采用可靠的传输机制，发射功率最大500 mw，可视环境下通信距离可达2 700 m以上。用于代替有线的开关量传输。本次选择的无线IO模块支持4路开关量输入、输出，可与其他多路开关量产品配合使用。

4    应用效果

抽油机远程启停有线控制现场施工需要在井场挖沟布线（长约100 m，深不低于0.8 m），需4人，安装调试需2人，1天。

基于无线IO模块的抽油机远程启停首次在AT1-8井试验成功，2人安装调试仅用了0.5天，测试运行效果良好。目前，某采油厂共有102口井的抽油机远程启停使用了该无线控制技术，全部安装调试完成仅用了51天，经过90天的试运行，故障率零，运行效果良好。

5    结语

与有线控制相比，无线控制因施工时无须挖沟布线，不仅可以大大节约人工成本，还可以避免因井场施工等造成线缆受损导致的远程控制失效，确保了远程控制系统的稳定可靠;当某口井因复垦、长停等原因不再需要抽油机远程控制时，还可将该套设备快速迁移至其他井场使用，实现资源的合理利用和盘活，抽油机远程启停无线控制更具优势。

无线IO模块可实现一对一、一对多、多对一、多对多的灵活配置;可与无线中继器配合使用，实现无线传输的多级转发，延展传输距离;可与无线RTU配合使用，在远程对无线IO模块进行控制。输出通道与模块核心控制单元电气隔离，抗干扰能力强。因此，无线IO模块不仅可以用于抽油机远程启停无线控制，同样可以用于油井生产现场的其他自动化建设，搭建强大的工业无线网络，可推广性极强。

[参考文献]

[1]韩江，黄烽耘，田源.抽油机远程启停控制分析及实践探讨[J].中国管理信息化，2019（14）：71-72.

[2]高青云.基于43Mhz频段无线模块和wifi技术的无线点菜系统[D].北京：北京邮电大学，2012.

（编辑 姚 鑫）