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油井远程监控方案

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:106

  1. 系统设计说明
  油田自动化信息系统建设主要包括油井远程监控、配电线路自动化系统、输油管线泄露监测、集输站库自动化监控等四个部分,其目的是利用现场监控系统,实现数据源头自动采集,借助油田现有网络资源自动加载到厂级实时数据库,为各级管理部门应用提供开放的数据平台,使生产和管理人员及时控制和掌握生产动态,从而实现整个生产过程的自动化;并可以对取得的实时数据进行统计、分析、优化,从而为保证生产设备正常运转、降低生产成本提供重要依据。下面我们就油井远程监控系统进行论述。
  1.1. 现状综述
  全国各地各采油厂已不同程度地进行了油井监控的试点工作,目前参与的厂商数量比较多,水平参差不齐,各个厂家都是在做试点工作,也有个别厂家开始规模推广。也暴露出很多的问题,主要表现在油井现场设备可靠性差,可维护性差,不能承受油井现场恶劣的工作环境(包括高温、低温、潮湿和沙尘)。数据开放性不够,往往是各个厂家互不兼容,软件数据不能共享,呈现一个个的自动化孤岛。
  全国十几万口油井,已经采用油井监控的油井不会超过两万口,不足总数的15%。
  1.2. 设计思想
  目的:
  油井远程监控系统主要是通过对井口参数的实时检测,采用轮询-应答的通信方式,将检测到的油井状态,通过无线方式传送给采油厂实时数据库服务器,并以C/S或B/S模式,使生产管理的各个部门能够及时掌握油井工作状态,缩短油井故障处理时间,提高开井时率,增加原油产量,提高工作效率。另外,油井井口的控制器具有电量计算功能,可以为6kV 电力线路配电自动化系统提供基础计算数据。
  原则:
  自动化工程必须按照“统一规划、统一标准、统一数据库”的原则建设,系统方案必须整体考虑网络通讯、系统安全等问题,保证实时数据库标准开放,使整个系统具有极高的可靠性与实用性。
  系统设计遵循“实用性、可靠性、先进性、易维护”的基本原则,以方便操作、可靠运行为实施根本;方案设计既立足于实际,便于实施,又着眼于未来,为发展留有余地。技术方案普遍采用近几年发展和改进的新技术、新设备、新系统,其所有硬件和软件均应经过生产现场考验,经验证具有先进性和可靠性。
  整个油田自动化系统在局域网上根据地域特点在每个采油厂设一个实时数据传控中心(包括通讯处理机、实时数据库服务器、应用服务器),用于集中管理和存放各采油厂所辖区域内生产井、6KV 配电线路、联合站、输油管线的现场实时数据,做到实时数据库开放的原则。
  整个系统构成如下:
  方案说明:
  井口控制器采集油井示功图、电量、井口压力、井口温度、套管压力等参数,经CDMA/GPRS 网或者数传电台,以CDMA/GPRS 专线方式或者数传电台接口(RS232) 接入采油厂通讯机、实时数据库服务器,厂矿小队的计算机可以用浏览器或客户端方式对实时数据库进行访问。井口控制器改变以往只采电压、电流有效值地模式,而是实时采集计算电机电量参数,可为配电线路自动化系统提供所需的数据。
  6kV 配电线路远方终端、采油厂通讯机、实时数据库、配电SCADA 应用服务器、工作站等,利用CDMA/GPRS 网,组成配电线路自动化系统,实现对配电线路运行状况的实时监控和管理。
  集输站库自动化系统与输油管线泄漏检测系统均是相对独立的一个系统,经局域网将系统采集的生产数据上传采油厂实时数据库,实现网上数据共享。
  通过B/S 模式,可以使管理者浏览和查询全厂实时数据,及时了解现场生产情况。也可以通过C/S 模式对生产数据进行统计、分析。  为了保证系统的时钟一致性,系统配备专用的GPS 时钟,用于同步全网的系统时钟,包括定时与各FTU、SU 远方对时。
  系统中通讯机、实时数据库服务器、应用服务器等重要节点采用双机热备用配置,保持主机和备机之间数据的一致性,使主、备机可以在故障时可以随时切换运行。
  数据中心采用双网冗余配置,且与油田局域网隔离,当主网出现故障,备网可随时切换为主网运行。
  网络安全性设计,采用防火墙、数据加密、网络隔离、用户权限管理等技术和手段保证网络和信息的安全。用户权限管理工作包括系统用户资料库管理、用户注册、用户级别设置、用户权限设置等主要内容。
  目前全油田网络范围内已建立起了病毒防治体系,因此本系统病毒防治依照油田统一规范执行。
  1.3. 油井远程监控系统
  根据油井分布的地域特点与无线通讯技术发展的水平,油井远程监控系统考虑用CDMA/GPRS 或者数传电台通讯模式,系统主要由传感器、井口控制器SU、CDMA/GPRS (数传电台)通讯模块DTU、采油厂通讯机、实时数据库服务器、WEB 服务器、监控浏览终端等组成。系统框图如上面总图所示。
  油井工作状态传感器主要有温度传感器,压力传感器,电机电流、电压传感器、抽油机载荷、位移传感器、变压器一次侧电流传感器,它们将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值送至井口控制器SU。然后经CDMA/GPRS 网或数传电台,接入采油厂通讯机,数据通讯机采用轮询方式收集井口控制器数据,数据经过分析经处理后,进采油厂实时数据库。厂矿小队的计算机可根据不同的权限,采用C/S 或B/S模式对实时数据库进行访问。
  1.3.1. 系统实现的功能
  井口控制器功能
  电泵井 SU 主要进行电压、电流、井口压力、井口温度等参数的测量。且保留油井遥控启停功能。 电潜泵井停机、电压过压、欠压、电流过流、欠载、井口回压过高、过低等异常情况检测报警;
  游梁式抽油机井SU 主要进行示功图、电压、电流、井口压力、井口温度等参数的测量,且保留油井遥控启停功能。 游梁式抽油机井停机、电压过压、欠压、电流过流、欠载、井口回压过高、过低、载荷过低等异常情况检测报警。?
  井口控制器具有电机有功功率、无功功率、功率因数、日用电量等参数的计算功能。线路来电瞬间,也作为异常情况报警。
  软件功能
  采油队监控机按照管理权限仅能查询本队油井的工作状态、实时收据、及相关通信模块工作状态、配电线路工作状态。
  抽油机井示功图、电流图、功率图、功率因数图等,除定时采集保存外,采油队可根据生产情况,手动选择油井井号,实时索要示功图、电流图(或功率图)。
  ??当电潜泵井出现过载停机故障时,将停机前一分钟内三相电流(Ia、Ib、Ic)与线电压 的数据上传数据库,为电泵故障诊断提供分析数据。
  ??采油队监控机具有静态数据浏览和编辑等功能:包括抽油机型号、配置电机型号、油井井号、冲程、线路名称、量程上、下限、报警上、下限、油井井况等方面的数据,并能够添加新开油井、删除停产油井、修改作业井的基本数据。
  系统具有示功图、电流图、功率图、功率因数图、电流、电压等参数的实时趋势、历史趋势监视功能,可方便地了解长时间的参数变化情况,方便快速分析。
  系统应将地理概念引入图形系统,使图形能反映地理信息,可以非常直观形象反映整个油区的工作状况。
  ??采油厂、矿与相关科室能够通过浏览器查询厂、矿、队油井的工作状态与实时数据,当天停井情况、开机时率统计,以及历史数据与历史记录。
  1.3.2. 需要传输的数据
  游梁式抽油机井需上传数据主要有:载荷(最大与最小值)、井口压力、井口温度、电流(最大与最小值)、电压有效值、有功功率、无功功率、功率因数、上下冲程最大电流值、上下冲程功率、平衡率、日用电量、累计电量、冲次、系统状态、采集时间等数据。示功图、电流图(或功率图)需要一个冲次内载荷、电流(或功率)的所有采集量,每个图约需要200 个数据。因此,数据总量约为430 个数据,其中基本数据量为30 个数据。
  电潜泵井需上传数据主要有:回压、井口温度、电流(Ia、Ib、Ic)、电压(Ua、Ub、Uc)、变有功功率、无功功率、功率因数、日用电量、累计电量、系统状态、采集时间等数据。数据总量约为20 个数据。
  1.3.3. 采油队主站
  油井生产监测系统由安装在油井上的监测终端、安装在采油厂级的通讯和数据服务器、采油队等用户使用的监测界面、现场通讯系统和管理通讯系统五个部分组成。系统结构如下图所示:
  油井监测系统软件由工程管理器、图形开发软件、IO通讯软件、实时数据库、报警和事件处理软件、安全控制软件、图形界面软件和网络服务组建组成。
  工程管理器用于创建工程、工程管理等,主要是工程的创建、删除、备份、恢复选择当前工程等。
  图形开发软件用于生成和显示用户图形界面。
  IO通讯软件主要负责通过设定的通讯规约和接口与现场设备进行通讯,获取现场设备所采集的数据或向现场设备发送数据和指令。IO通讯软件收到的数据,处理后存入实时数据库;实时数据库的数据的改变交给IO通讯软件,发给下位机。
  实时数据库是整个软件的数据处理核心,主要负责将通讯软件得到的原始数据按现场采集点的类型进行转换、判断是否需要产生报警及数据存储管理;处理用户的下发命令、将命令转换为IO通讯软件控制指令,并协调多个用户同时下发命令时的关系。
  报警和事件处理软件负责实现预定的报警效果、对报警和事件进行记录、存储。一般由用户根据实际应用编写。
  安全控制软件负责管理系统用户的认证和授权信息,对系统用户进行身份认证和权限检查。
  图形界面软件用于显示用户界面
  网络附件包括:
  数据通讯软件,不同的网络接点上的软件间的通讯处理,利用TCP/IP协议进行通讯。
  WEB服务器程序,主要用于监控系统的网络发布,这样只要在INTERNET 或者INTRANET的客户端就可以通过标准的浏览器,浏览监控画面,监控生产过程,获得所需要的信息。
  系统可以集中配置,也可以分散配置。集中配置指各个软件模块安装在一台计算机上,构成系统。分散配置是指不同的模块安装在不同的计算机上,构成各种不同的服务器,通过网络进行数据交换。
  系统基本处理流程为:
  油井的数据由井口控制器负责采集,井口控制器上装有通讯模块DTU,采集到的数据由通讯模块DTU送至位于采油厂信息中心的通讯服务器。数据经处理后存入实时数据库。采油厂用户通过应用服务器获取系统服务,应用服务器访问实时数据库获取数据。
  由用户发起的操作,如手工召测数据、更改配置等,由应用服务器进行处理,并通知通讯服务器执行相应的操作。
  1.3.3.1. 功能
  系统主要有以下功能:
  (1) 数据采集功能
  ??数据定时采集:能够采集各种可以通过通道传递到主站的遥测、遥信、电度及其它类型的量测数据。系统定时召唤油井终端数据,召唤周期可按功图、电流图等和其它量分别以分钟为单位设置,最小为1 分钟,最大为255 分钟;
  ??按需数据采集:采油厂用户终端可在任何时刻请求召唤一口或多口井的数据;
  ??通讯控制功能:启动/停止对油井终端的数据采集、切换终端使用的通道等;
  ??通道质量监视及故障诊断,通讯流量计算;
  ??GPS 对时:接入GPS 时钟信号,定时统一全系统时钟,并向各油井终端发送对时命令;
  ??可支持多种开放的通讯规约、多种通讯通道;
  ??添加/删除油井终端,修改终端通讯参数,如地址、通讯规约、数据召唤周期等;
  ??修改油井终端参数,如各种报警限值,抽油机冲程、冲次、各传感器量程等参数。
  (2) 数据处理功能
  ??事项报警处理功能:系统对模拟量可分别设置报警上、下限,有效上、下限,当数据越限值时可生成报警记录。可定义报警的音响效果,活给出语音报警提示;
  ??事件记录,系统记录所有用户操作、通讯事件和终端报警;
  ??数据保存周期可按不同数据类型设置为逢变即存、10 分钟、30 分钟、60 分钟(保存周期应大于等于采集周期);
  ??权限管理。所有系统操作均有授权控制;
  (3) 人机界面功能
  ??界面循环显示:授权用户可选择油井,使基本信息界面可自动循环显示,显
  示时间可在5 秒-30 秒之间以秒为单位设置;
  ??报警发生时,可自动推出报警画面,并伴有声音或语音报警;
  ??结合地理位置图显示油井信息,如开/关井,基本运行数据等;
  ??结合地理位置图显示与油井相关的电力线路运行信息,如是否停电等;
  ??生成各采集参数的时间曲线;
  ??显示示功图:功图迭加和并列对比;
  ??计算功能:支持常用函数功能;
  ??历史数据综合查询及生成报表;
  ??遥控启/停井(预留功能)
  (4) 系统维护功能
  为油井终端维护人员提供手持终端,以便于现场维护,并可在局信息网出现故障时接收现场的报警信息;
  (5) 报表功能
  可自定义报表格式,生成EXCEL 报表。
  1.3.3.2. 应用服务器
  应用服务器负责接收用户终端的请求,通过访问实时数据库向用户返回所需的数据,在必要时向通讯服务器发出指令。油井应用服务器包含数据处理软件、命令处理软件、报警和事件处理软件、安全控制软件、图形制作软件。油井应用服务器软件应至少提供以下基本功能:
  (1) 生成客户终端画面
  画面应可以以采油厂地图做背景,按油井的近似地理位置显示油井的基本运行状态,如是否开井、是否有报警等;鼠标移动到油井位置可弹出信息框,显示油井的基本运行数据,如电流、电压、回压、温度等;鼠标点击该井转入详细的油井信息画面,提供了显示示功图、查询历史记录、进行功图对比等功能选项。
  以地图做背景的画面可以方便地进行放大、缩小、平移等操作,图形应在正常缩放范围内保持不失真。
  (2) 安全控制
  ① 系统应能对用户采用基于组的权限控制方式,对终端采用基于区域的控制方式;
  ② 系统向用户提供以下权限:系统管理、终端管理、控制、浏览,能控制每个用户对每个终端的访问权限;
  ③ 系统管理员负责注册(修改)新用户,并为用户分配权限;负责维护系统级参数,包括:生产井缺省轮询周期、生产井缺省保持日期;
  ④ 一般授权用户可以添加(修改)其管辖范围内的终端的配置参数
  (3) 通过查询配电实时数据库,获取配电线路的实时数据显示在地图背景上,使小队用户可以及时掌握油井供电情况,当发生停井时能更好地分析停井原因;
  (4) 数据处理
  收通讯服务器采集的数据,通过配置库中配置的变换参数和报警限值设定,将原始数据转换为工程值,并与报警限值比较,如果需要产生报警,则交给报警和事件处理软件。
  (5) 历史数据存储
  可对每个采集点配置历史存储周期,历史存储周期至少可设置为以下两种:逢变即存、以分钟为单位设置存储周期。
  (6) 报警控制
  系统可为每种报警定义报警级别,对每个报警级别提供不同的报警效果,如颜色、音响、闪烁等。
  可为每个报警级别定义自动确认及时间或人工确认。
  可支持多种报警音响效果,至少包括以下两种:以PC 机的蜂鸣器作为音响效果,使用自定义的wav 文件
  (7) 图形工具
  提供绘制用户界面的图形工具。绘制好的图形界面可自动下发到用户终端。
  (8) 双机备用系统维护
  在系统正常运行时,可随时停止双机备用系统中的任何一台机器而不影响系统运行;可手动切换主/从机
  (9) 实时/历史数据库维护
  提供维护实时/历史数据库的工具,主要是进行数据备份。一般使用数据库自带工具即可。
  1.3.3.3. 通讯服务器
  通讯服务器主要用于与现场设备通讯,处理在通讯过程中遇到的问题,以向系统提供有效的数据。通讯服务器软件应具备以下基本功能:
  (1) 增/删终端
  系统可支持多种类型的终端。至少支持以下两种:抽油机井终端、电泵井终端
  (2) 配置终端通讯参数,包括通讯规约及属性;
  系统可支持多种通讯规约。至少支持MODBUS、MODBUS TCP、 DNP3.0/UDP/IP 规约。
  (3) 下发终端采集参数;
  (4) 按照终端的配置执行与终端的通讯过程和规约处理
  系统根据终端的通讯通道和厂家将终端分组,一个组中的终端应是同一通讯方式同一厂家的产品,一个组最多可容纳20 个终端(与通讯的轮询周期有关)。在循检时间到来时,通讯服务器根据终端的分组情况,为每个组建立一个通讯线程,由每个现场负责该组中所有终端的通讯。一个组应使用相同厂家的接口模块。
  (5) 对终端进行时间同步;
  (6) 将接受到的模拟量进行标度变换,转换为工程值;
  (7) 将处理过的数据存入实时数据库;
  (8) 通道质量监视
  对通道的速率、误码率等指标进行监测,并随时做出统计结果
  (9) 双机热备用,保障系统可靠性;
  (10)接受应用服务器发出的指令;
  1.3.4. 通信
  DTU 设备技术要求
  a.基本功能
  通过RS485 直接连接SU 油井数据采集单元实现数据流和指令通信。
  预留RS232 口或RJ45 接口以备PDA 或手提电脑对DTU 进行配置。
  带双向协议,实现双向数据传输。
  具有CRC 纠错和重发机制能实现断点续传
  短消息数据备用通道
  自诊断与告警输出
  抗干扰设计,适合电磁环境恶劣的应用需求
  防潮设计,适合室外应用
  b.电源和功耗
  电压:5VDC 1A
  通信中平均〈350mA(0%DTX,Pmax)
  空闲时〈5mA
  c.工作环境温度
  -40℃~+85℃
  d. DTU 设备软件的要求
  链路层采用PPP 协议,网络层采用IP 协议,传输层采用UDP 协议,对应用层数
  据不做任何处理。
  或者采用数传电台,不需要DTU
  数据流量计算
  以上是依照每个采油厂1800 口油井、200 口电泵井、配电系统500 个测控点和500个电表为基础计算的,油井基本数据每两分钟轮巡一次,配电FTU 数据每一分钟轮巡一次,其中包头数据:每次数据上传时,符合TCP/IP 协议的包头数据量下行数据:软件轮巡时所传送的数据量
  运营费用:按照每0.03 元/K 计算
  数据格式:
  1.3.5. 井口控制器
  油井控制器功能:
  ??检测光杆载荷、位移、电机的电压、电流、井口回压、井口温度等参数,且具有抽油机启停的远程遥控功能。?
  ??能够计算电机功率、电量等指标。
  ??具有远程设置或组态功能。
  ??可以通过RS232 或RS485 接口与通讯设备连接,通讯方式采用轮询-应答模式。
  ??提供RS232 现场维护接口。
  ??依据井口供电情况,控制器分别适用110/380/660/1140 VAC±25%电压等级。
  ??可以估计要求提供备用电源,能保证在断电情况下与监控中心通讯一次,将数据上发。推荐采用电容做备用电源。
  油井控制器特点:
  ??使用工业级组件生产,可靠性高。
  ??适用温度范围:-40~85℃,可在恶劣野外环境下工作。
  ??控制器与检测元件的安装考虑防盗与防破坏的措施。
  2. 设备说明
  选用计算机硬件软件的原则为够用,一定时间内不落后。选用油井控制器的原则价格合理,可靠性高。
  2.1. 厂站端主站软件硬件
  2.1.1. 硬件
  根据实现情况配置个人计算机和服务器,包括监控工作站、通信服务器和数据库服务器。
  监控工作站选用流行的个人计算机或者工控机。P4 2.0GHz ,512M RAM,80G 硬盘,20英寸显示器或者17英寸LCD显示器,键盘、鼠标和多媒体套件。配备打印机一台。
  通信服务可以选择服务器或者工控机,对机器要求不是非常高,可以灵活配置。
  数据库服务器选择小型工作组服务器即可。
  2.1.2. 软件
  软件主要包括:
  IO通讯软件、实时数据库软件、报警和事件处理软件、安全控制软件、图形界面软件和图形开发软件和高层应用软件。
  由于目前油田各家的规约都不完全一致,选用哪家的井口控制器就要选用哪家的软件,没有一个公开的标准。我们倡导采用开放的规约和开放的软件。规约我们采用标准的MODBUS规约,软件采用国内专业的组态软件,三维力控的PCAUTO 3.62。
  软件包括支撑软件平台、用户界面和高层应用软件,
  支撑软件平台包括IO通讯软件、实时数据库软件、报警和事件处理软件、安全控制软件、图形制作软件.
  用户界面指在支撑平台上进行的IO通讯组态、人机界面组态、实时数据库组态、报警事件组态、历史数据组态、历史趋势组态。
  高层应用软件包括:历史数据分析、示功图显示、电流图显示、功率图、无功功率图、功率因数图,抽油机理论示功图、泵效分析等。
  软件一般包括软件安装、软件组态调试和户化定制的要求。
  软件安装、组态调试一般需要2周到4周的时间,客户化定制的工作要根据用户的要求和工作量来计算时间。
  2.2. 通信设备
  系统通信设备可以选择GPRS/CDMA的MODEM,或者是数传电台。
  GPRS/CDMA MODEM 我们可以推荐经过实际应用我们认为比较可靠的产品 ,支持透明传输方式。用户也可以选择其他公司的GPRS 设备。
  一般推荐厂商:北京计算中心的MD600 系列DTU,厦门桑容的DTU,北京嘉复欣的DTU,北京万维盈创科技发展有限公司的DTU。
  数传电台我们可以推荐经过实际应用我们认为比较可靠的产品。
  天线: 对于GPRS选择其专用天线,一般有GPRS设备厂家提供。
  对于数传电台应选择全向天线,并作架高处理。
  通信系统应注意防雷。
  数传电台一般推荐厂商:日精电台、美国MDS电台、深圳固迪电台等
  2.3. 井口控制器
  2.3.1. MDS-104井口控制单元
  MDS-104井口控制单元,具有如下功能:
  1 功图数据采集和数据远传
  功图数据包括地面示功图数据、电动机电流图数据、电动机有功功率数据、电动机无功功率数据、电动机功率因数数据等。
  2 套管压力、井口压力、温度测量
  3 电参数标准测量值
  ? 相电压:UA, UB, UC
  ? 电流:IA,IB,IC,I平均
  ? 功率:PA,PB,PC,P
  ? 无功:QA,QB,QC,Q
  ? 频率,功率因数
  ? 正向有功电度,反向有功电度
  ? 正向无功电度,反向无功电度
  ? 当日用电量
  4 控制项目
  ? 电机缺相、超载等自动停机保护控制
  ? 电动机空载告警功能
  ? 停电自动延时启动控制
  ? 井口压力过大停机功能
  ? 储油罐液位过高停机功能
  ? 抽油机空抽控制(针对老油田油井开采供液不足的空抽节能控制器)
  规约:MODBUS
  工作温度范围-40~85摄氏度,电源为直流24V。
  2.3.2. 防盗功能
  MDS-104配上红外接近传感器都可以起到防盗作用。
  现场只要安装3个红外接近传感器,一旦有人靠近,就会输出信号,接到井口控制器的遥信输入,就可以报警。详细内容参考 6.9
  2.3.3. 告警显示控制模块
  可以选择易控微网公司的DDM-3模块。DDM-3是我公司为配合本公司产品开发的显示、设置单元。与本公司产品接口可以采用MODBUS规约ASCII或者RTU方式。由于液晶工作温度的限制,该型号不适合于东北地区和西北地区安装。
  ? 显示所有的基础测量。
  ? 可以循环显示,也可停留显示。
  ? 1路RS485通信接口,支持MODBUS规约,1个RS232/红外接口。
  ? 汉字液晶显示,5个按键。
  2.3.4. 现场仪表
  温度、压力:
  为了现场安装方便,我们考虑到众多油田的实际情况,我们订制了专业的井口压力温度传感器和变送器。温度传感器采用工业标准的PT100传感器。输出采用两线制,共4根导线。供电采用12~36V的电源供电。
  载荷:我们采用在国内经过检验的供货厂商,解决用户对载荷传感器的怀疑。
  位移传感器和变送器:位移传感器有两种,一种为位置传感器,一种为绝对位移传感器,位置传感器特点是便宜,安装方便,可靠性高,缺点精度差,因为这种方式是假设电动机的转动速度是均匀的。绝对位移传感器特点时测量准确,但是安装复杂,价格昂贵,容易损坏。
  我们的系统和软件可以保证位置传感器安装在任何位置,只要能够在游梁式抽油机每个冲刺周期内给出一个脉冲信号就可以了。
  绝对位移传感器采用倾角传感器,这种传感器可以直接安装在游梁上,通过游梁的倾角的大小得到与位移线性的输出,误差仅2%。再根据实测的油井的冲程,得到相当准确的位移。这样就为泵效计算、由示功图计产等应用打下良实的基础。
  如果用户想得到准确的功图,请用户选用倾角传感器。位置开关的方法假设电动机转速是均匀的而通过计算获得的位移。而实际应用中,电动机转速不是均匀的,有变化,得到的示功图在位移上可能有较大的误差,一般不会影响功图的形状,但是对于功图的定量应用,误差较大。
  2.4. 规约说明
  2.4.1. MODBUS 规约
  MODBUS规约是MODICOM公司开发的一个为很多厂商支持的开放规约应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。
  此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
  当在Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
  标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。
  控制器通信使用主—从技术,即仅设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据做出相应反应。典型的主设备:主机和可编程仪表。典型的从设备:可编程控制器。
  主设备可单独和从设备通信,也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信,从设备返回消息作为回应,如果是以广播方式查询的,则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。
  从设备回应消息也由Modbus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。
  在其它网络上,控制器使用对等技术通信,故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中,控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。
  在消息位,Modbus协议仍提供了主—从原则,尽管网络通信方法是“对等”。如果控制器发送消息,它只是作为主设备,并期望从从设备得到回应。同样,当控制器接收到消息,它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。
  .查询
  查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息:从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。
  .回应
  如果从设备产生正常的回应,在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据:像寄存器值或状态。如果有错误发生,功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的,同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。
  控制器能设置为两种传输模式(ASCII或RTU)中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式,包括串口通信参数(波特率、校验方式等),在配置每个控制器的时候,在Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。
  所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络,它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。
  在该系统中,我们仅仅支持RTU的帧格式。
  每个字节的位
  . 1个起始位
  . 8个数据位,最小的有效位先发送
  . 1个奇偶校验位,采用偶校验
  . 1个停止位
  错误检测域
  . CRC校验
  地址域
  消息帧的地址域包含两个字符(ASCII)或8Bit(RTU)。可能的从设备地址是0...247 (十进制)。单个设备的地址范围是1...247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时,它把自己的地址放入回应的地址域中,以便主设备知道是哪一个设备做出回应。
  地址0是用作广播地址,以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于更高水准的网络,广播可能不允许或以其它方式代替。
  功能域
  消息帧中的功能代码域包含了两个字符(ASCII)或8Bits(RTU)。可能的代码范围是十进制的1...255。当然,有些代码是适用于所有控制器,有此是应用于某种控制器,还有些保留以备后用。
  当消息从主设备发往从设备时,功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取输入的开关状态,读一组寄存器的数据内容,读从设备的诊断状态,允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。
  当从设备回应时,它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生(称作异议回应)。对正常回应,从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应,从设备返回一等同于正常代码的代码,但最重要的位置为逻辑1。
  支持主要功能码:
  Read Coil Status
  Read Input Status
  Read Holding Registers(读保持寄存器)
  Read Input Registers (读输入寄存器)
  Force Single Coil (设置单个继电器)
  Preset Single Register (设置单个保持寄存器)
  Force Multiple Coils(设置多个线圈)
  Preset Multiple Registers(设置多个保持寄存器)
  Read General Reference (读文件)
  Write General Reference
  Mask Write 4X Register
  Read/Write 4X Registers (读写保持寄存器)
  Read FIFO Queue(读FIFO队列)
  我们采用MODBUS 规约是因为该规约支持厂商众多,完全开放,不需要向第3方支付费用。
  详细内容请参考MDS-104SGT用户手册内容
  3. 系统安装
  考虑用户使用和安装的方便,我们把系统分为两个部分:其中一部分为转接端子箱,个头很小,主要用于导线的转接。 载荷传感器、位置开关信号(或者倾角传感器)、井口压力、井口温度等,通过转接箱,接入到IP55防护的RTU箱中。
  RTU箱中包括 隔离变压器一台,开关电源一台,通讯设备一台(数传电台或者GPRS/CDMA)等,小型空气开关一个,MDS-104SGT远程终端(RTU)一台,端子若干,按照用途分组。参见6.11井口控制器图。
  安装整体分为如下几个部分:
  1 RTU机箱的安装 RTU机箱一般安装在电动机控制柜附近,也可以焊接在电动机控制柜上。一般安装在由角铁焊接的架子上,架子埋在土中,架子可以根据用户的要求用水泥混凝土做基础。
  2 转接箱的焊接 转接箱焊接在井架上
  3 载荷传感器的安装
  载荷传感器安装需要停井,需要人员的配合。对于开口型载荷传感器卡在抽油杆上。对于圆柱型需要套在抽油杆上。载荷传感器的位置在悬绳器和发卡之间。
  4 位置开关或者倾角传感器的安装
  位置开关包括位置开关支架的焊接和接近开关凸块的焊接。首先找到一个抽油机配重臂可以经过的位置,而且要方便焊接。焊上位置开关支架。支架边缘距离配重臂要保证在90mm左右,误差10mm以内。把凸块的安装螺丝焊接在配重臂与接近开关的相交的位置,拧上凸块。
  倾角传感器安装底座焊接在游梁上,把倾角传感器用螺丝固定在安装底座上,保证倾角传感器可以随游梁倾角变化即可。 如下图
  5 井口压力温度的安装
  对于部分井,仅仅需要把采油树的一个堵头拧下,换上一体化的井口压力温度变送器就可以了。对于有的油井,可能需要用气割割开油管,焊上一段可以安装有压力温度变送器的油管。参见载荷安装图上标注。
  6 电流互感器的安装
  电流互感器是小型的150A/100A.50A:5A 或者150A/100A/50A:1A的标准电流互感器,只要把系统进线穿过互感器即可。没有选用开口型互感器的原因是开口型的精度和角差较差,而且开口面锈蚀后,根本无法保证精度
  7 系统接线
  电缆穿铝塑管埋入地下,或者选用铠装电缆直接埋入地下。载荷传感器的线要专门处理,否则长时间可能会导致断线。
  系统接线包括 传感器接线、电源接线、电压接线、电流接线和通讯系统接线。接线时请严格按照井口控制器所附的接线图接线。接线完成后,请仔细检查,确认无误后方可通电。由于接线错误导致的烧毁或者故障不在保修之列。
  8 系统调试
  接线完成后,接通电源,系统运行正常后,可以用我们的测试软件或者系统软件对其进行测试和设置。主要包括 :载荷数据是否有,是否在变化,是否正确。温度压力数据是否有,是否在变化,是否正确。接近开关在配重臂旋转到其位置时是否有正确输出(指示灯闪亮一次,不亮或者闪亮多次均为故障)。倾角传感器数据是否有,是否在变化,是否正确。电压数据是否有,是否正确。电流数据是否有,是否在变化,是否正确。功率数据是否有,是否变化,是否正确(如果个别相功率为负,请仔细查找接线)。负序电流是否有,如果有,肯定电流互感器接线有错误,请查找。
  如果数据都正确,通讯也正常,就可以到中心站进行组态了。
  4. 系统服务
  我们可以根据用户不同层面的需求,提供不同层面的服务包括:
  系统售前咨询、系统售前的技术支持、技术方案的拟订、传感器的选型采购、井口控制器供货、系统的集成、安装前的实地勘查、系统的安装调试、用户画面的组态、井口控制器的安装调试、售后服务等。
  售前技术咨询:电话免费支持
  售前技术支持:用户支付差旅费和相关费用,公司按照人天收取费用
  技术方案制定:免费支持
  传感器选型采购:用户需要支付全部货款和采保费用
  系统集成:用户需要支付相应的集成费用
  安装前的实地勘查:用户支付差旅费和相关费用,公司按照人天收取费用
  系统安装调试:用户支付差旅费和相关费用,公司按照项目大小难易收取费用
  售后服务:按照系统的总金额的百分比收取费用。
  用户几种合作方式
  1 购买井口控制器自己集成
  2 我们提供井口控制器、传感器,用户自己安装和售后服务
  3 我们提供井口控制器、传感器,我们负责安装调试和售后服务
  5. 报价
  请和我们销售部门联系
  6. 附录
  6.1. 工业级微型RTU MDS-104概述
  6路开关量(光隔)输入(交流0V-400V或直流0V-400V),可作脉冲计数,支持SOE
  4路开关量输出(继电器一常开一常闭触点),可作保护动作输出、告警等,容量:10A,AC250V
  4路直流量输入线性光耦隔离(0-20mA或0-5V可选)
  2路隔离485(或232)通讯口,支持MODBUS规约RTU或ASCII方式,可按用户需要订制特殊规约,支持国内外多种组态软件,波特率可达38400bps
  准确计算三相电压、三相电流、有功、无功、频率、功率因数和零序电流、积分电度等电参量,数据刷新快(10mS)(交流输入均经互感器隔离)
  三相异步电动机反时限过负荷保护
  三相不平衡(负序过流)保护
  接地(零序过流保护)保护
  电动机过流速断保护
  启动时间过长保护和堵转保护
  欠电压保护或告警
  过电压保护
  交流输入电压达1140V
  数据掉电保存
  多层板布线
  工作温度范围:-40℃~+85℃ ( 24V) –20℃~+70℃ (220V)
  螺丝安装固定
  6.2. MDS-104交流计算原理
  MDS-104可以直接接入交流信号,经过交流采样后,通过数学模型计算电压、电流、功率、无功、功率因数、有功电度、无功电度等。具体原理如下:数据采样:把输入波形进行采样,每个周波32点,得到各相的电压电流波形,如下图。
  通过FFT算法得到各次谐波,再根据数学原理,计算交流参数如电压、电流、功率等。这样,省去了变送器,提高了系统的精度,而且可以计算交流电的功率、无功等。还可以计算各相间的向量关系。
  6.3. 电动机保护原理
  MDS-104SGT本身包括电动机保护功能,主要包括:
  不平衡保护(负序过流)当电动机的负序电流超过电流定值,时间超过设置值时跳闸。负序电流时不平衡和缺相的特征量,正常没有,缺相很大,所以保护非常灵敏。不但可以保护低压回路的缺相,而且可以保证在高压供电线路缺相时,可靠跳闸,避免烧毁电机。实践表明对于油田的比较差的供电环境是很有作用的,可以有效避免电动机烧毁。
  接地(零序过流)保护,主要用于电动机金属性接地故障的保护,不能作为人体触电保护。
  启动时间过长保护,堵转保护,用于电动机无法启动或者卡死的保护。
  反时限过载保护(非常反时限,极端反时限,热方程)根据严格的数学和物理模型实现,可以有效避免误动和拒动。
  欠压保护,过压保护,零序电压保护,故障范围判别在油田行业使用不是很普遍。
  电动机空载告警
  主要用于电动机皮带断带或者电动机传动装置脱落的告警。对方便生产很有帮助。我们的保护特征量是电动机功率,只要把定制整定时间超过 1个冲刺周期就不会误报。
  在油田主要用于电动机皮带断脱报警。皮带断脱后抽油机停止工作,可能导致的结果是油管堵塞,对于稠油井,如果没有及时发现,可能需要作业,才能恢复正常的生产
  直流模拟量保护功能
  MDS-104有4路直流模拟量输入,每路模拟量都可设置定值和时间定值,只要模拟量超过定值和时间超过时间定值,跳闸停机。
  这种功能主要用于井口压力和储油罐液位保护。
  当油管堵塞时,井口压力会上升到很大的值,可能会导致非常严重的事故。MDS-104SGT的直流输入,如果接上井口压力变送器,设置好两个定值,一旦出现上述情况,就会跳闸停机,避免事故发生。
  储油罐的液位如果超过的罐高,就会出现原油外溢的情况,不但会损失原油,而且会导致原油污染土壤和水源。MDS-104SGT的直流输入,如果接上液位变送器,设置好两个定值,一旦出现上述情况,就会跳闸停机,避免事故发生。
  而且,所有的保护,一旦发生,都会存有数据记录,上位机软件在几分钟后就能了解到抽油机停机和停机的原因,做出反映,避免停井、出现事故、造成污染等。
  6.4. 温度传感器原理
  工业环境采用的传感器多为 PT100,这种温度传感器在0℃,电阻值是100欧,温度系数在相当的范围内维持线性,100摄氏度时电阻为138.51欧。通过温度变送器,输出4~20mA信号。
  一般变送器标称:
  型号:XXX--100
  量程: -50~150
  精度:0.5级
  输出:4~20mA
  6.5. 倾角传感器变送器原理
  倾角传感器是有一个转动的重臂,转臂指向地心,在传感器倾角变换时,重臂与传感器形成夹角,重臂上的磁体输出磁场与磁阻传感器的磁场强度发生变化,导致磁阻元件的电阻变化,从而形成输出,通过变送器得到4~20mA信号输出。
  一般倾角传感器标称:
  型号:XXX--60
  量程: -60~60度
  精度:0.5级
  输出:4~20mA
  6.6. 压力传感器变送器原理
  压力传感器为一个桥式应变片,在压力作用下,弹性体发生形变,导致应变片形变,导致桥电路的各臂电阻变化,得到一个与形变线性的输出,通过放大器放大和变送器电路得到4~20mA信号输出。
  一般压力传感器标称:
  型号:XXX--4
  量程: 0~4MPa
  精度:0.5级
  输出:4~20mA
  6.7. 载荷传感器原理
  载荷传感器为一个桥式应变片,在压力作用下,弹性体发生形变,导致应变片形变,导致桥电路的各臂电阻变化,得到一个与形变线性的输出,通过放大器放大和变送器电路得到4~20mA信号输出。
  一般载荷传感器变送器标称:
  型号:XXX--150
  量程: 0~150KN
  精度:1.0级
  输出:4~20mA
  6.8. 地面示功图
  地面示功图是悬点载荷和悬点位移在一个冲刺周期内画出的闭合曲线,从地面示功图可以得到整个油井的工作状况。理论示功图如下:
  电流曲线图:
  是电动机电流与位移的关系曲线,一个配重平衡的抽油机电流曲线如下图:
  功率曲线图:
  是电动机的输入功率与位移的关系曲线,功率曲线如下图所示。
  6.9. 防盗报警
  柜子开门报警:柜门安装一个轻触开关,当柜门大可时,开关闭合,接通遥信电路,给上位机报警。
  油井防盗报警:
  采用被动红外传感器,在室温条件下,任何物品均有辐射。温度越高的物体,红外辐射越强。人是恒温动物,红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外,即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境,在无人或动物进入探测区域时,现场的红外辐射稳定不变,一旦有人体红外线辐射进来,经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号,而发出警报。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。
  被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器(或称为红外传感器)及报警控制器等部分组成。其核心是不见是红外探测器件,通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是8~14μm,人体辐射的红外峰值波长约为10μm,正好在范围以内.
  这样在现场只要安装3个这样的传感器,一旦有人靠近,就会输出信号,接到井口控制器的遥信输入,就可以报警。
  6.10. 抽油机节能问题
  根据我们的经验,油田采用变频器节能技术对于产量很低的井以及产量一般的井,不能起到节能的效果。采用晶闸管的软启和降压等技术,也不能起到节能效果。
  电容器的功率因数补偿可以提高电动机的功率因数,降低进线电流,降低线损,从而起到一定的节能作用。这个作用在油井井口是无法测量的,只能在高压供电回路的入口测量,才可以看到效果。节能效果有限。
  关于电动机功率因数补偿需要动态跟踪补偿,还是静态补偿的问题,我们认为,电动机在其一个冲刺周期内,动态补偿基本找不到合适的开关,进行频繁的投切,而且其无功功率根据我们测量的结果,基本不发生变化。
  我们的结论:只要测量准确电动机需要补偿的无功功率,选择合适的电容器,接上即可。这样最可靠,也最省钱,效率最高。
  我们认为油田节能的出路:
  1 选择高效的电力变压器
  2 改造供电线路
  3 改造电动机,或增加功率因数补偿电容,提高功率因数
  4 提高抽油机的泵效
  5 间抽控制
  6.11. 常见问题及解决
  1 安装了软件,载荷数据也正确,安装好了位置开关,但是没有示功图
  软件配置问题,在选择设备驱动的WIZARD时,把 是否通过计算获得位移 □ 选中即可。
  2 载荷数据 与 实际数据不同
  软件设置问题 ,在设备驱动选择时,请选择正确量程
  3 有一相功率为负,其他两相正确
  接线问题,把该相的电流互感器接线倒一下就可以了
  4 两相功率都不正确,不单是正负问题
  接线问题,可能电压和电流没有对应正确,检查接线
  6.12. 附图
  井口控制器图
  MDS-104 产品图片
  DDM-3 产品图片
  载荷传感器
  软件部分界面
  开机画面( 所有的画面用户均可以自行设计)
  表 17
  电力仪表画面( 所有的画面用户均可以自行设计)
  图表 18
  示功图画面( 所有的画面用户均可以自行设计)
  【备注】
  修改说明:该方案是参照胜利油田信息中心自动化项目组2003 年4 月编写的《胜利油田自动化信息系统技术方案》为基础要求,结合我们多年来对油井自动化的产品开发和工程实施,结合本公司和外协厂家的产品和经验而编写的。比《胜利油田自动化信息系统技术方案》更为具体,更具有实施性。文中有大量《技术方案》的内容和思想就不足为怪了。
  修改说明:V1.6版本是结合我们公司在2004~2005年在油田的应用,结合了大量应用经验,对原来的技术方案做了较大的修改。

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