基于GPRS的油井監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)概述
2.1 系統(tǒng)組成
基于GPRS的油井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端(簡(jiǎn)稱RTU)、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)和測(cè)控中心站組成，如圖1所示:

RTU將現(xiàn)場(chǎng)采集到的油井參數(shù)進(jìn)行處理和初步的抽油機(jī)故障診斷，當(dāng)抽油機(jī)正常工作時(shí)，定時(shí)通過內(nèi)置的GPRS/GSM模塊無線發(fā)送的測(cè)控中心站。測(cè)控中心實(shí)時(shí)接收和顯示最新數(shù)據(jù)并通過WEB服務(wù)器在油田局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布;當(dāng)抽油機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，RTU即時(shí)將故障代碼和相關(guān)故障參數(shù)上傳測(cè)控中心服務(wù)器，服務(wù)器不但通過WEB發(fā)布油井故障，并根據(jù)油井所處礦、隊(duì)，將故障信息通過短信即時(shí)通知相關(guān)負(fù)責(zé)人。
2.2 通信網(wǎng)絡(luò)
本系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)采用GPRS承載的VPN，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院徒?jīng)濟(jì)性。
虛擬專用網(wǎng)(VPN-Virtual Private Network)是一門網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，為我們提供了一種通過公用網(wǎng)絡(luò)安全地對(duì)企業(yè)內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的連接方式。VPN網(wǎng)絡(luò)采用專用的網(wǎng)絡(luò)加密和通信協(xié)議，可以使企業(yè)在公共網(wǎng)絡(luò)上建立安全的虛擬專網(wǎng)。
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，GPRS最大的特點(diǎn)就是“永遠(yuǎn)在線”。由于GPRS用戶的數(shù)據(jù)通信費(fèi)用是按數(shù)據(jù)量計(jì)算的，不考慮通信時(shí)長(zhǎng)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，如定時(shí)(或故障)自報(bào)和召測(cè)方式傳送油井?dāng)?shù)據(jù)[1>[2>[3>。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端功能
RTU實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾點(diǎn):
(1) 檢測(cè)電機(jī)實(shí)時(shí)電壓、電流，并定時(shí)上傳服務(wù)器;
(2) 檢測(cè)抽油桿位移和載荷，計(jì)算示功圖和平衡度并定時(shí)上傳服務(wù)器;
(3) 跟據(jù)油井各項(xiàng)參數(shù)，診斷停井、停電、電壓異常、電流異常、躺井等故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，即時(shí)將故障代碼、油井參數(shù)上傳服務(wù)器;
(4) 統(tǒng)計(jì)油井停井次數(shù)、開井時(shí)間、采油時(shí)率并上傳服務(wù)器;
(5) 無法登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)，診斷網(wǎng)絡(luò)故障，并通過短信通知服務(wù)器。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成
如圖2所示，RTU由傳感器部分、信號(hào)處理部分、RTU控制系統(tǒng)主板、GPRS\GSM通信模塊和不間斷電源構(gòu)成。

4.1 傳感器與信號(hào)處理
傳感器用于完成油井參數(shù)的原始測(cè)量。包括電壓傳感器、電機(jī)電流傳感器、載荷傳感器和位移傳感器，并可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行擴(kuò)展。
(1) 電壓參數(shù)采集:游梁式抽油機(jī)的電機(jī)一般采用75kW的大功率電機(jī)，供電電壓有1140V和380V兩種。根據(jù)供電電壓不同的特點(diǎn),本系統(tǒng)采用兩種輸入,相同輸出電壓傳感器。將電機(jī)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為14V交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。信號(hào)處理部分將該交流信號(hào)進(jìn)行整流、分壓、濾波轉(zhuǎn)化直流電壓信號(hào)以供AD采樣。
(2) 電流參數(shù)采集:由于不同油井所采原油的地質(zhì)情況、抽油機(jī)的配重不同，其電流的變化范圍較大，最小值接近10A,最大值接近100A。本系統(tǒng)采用150/5的電流傳感器，再通過1Ω/50W的電阻將電機(jī)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0~5V的交流電流信號(hào)。由于電流傳感器的測(cè)量信號(hào)屬于交流小信號(hào)。故信號(hào)處理部分采用精密整流技術(shù)，以克服常規(guī)整流由于二極管的導(dǎo)通壓降產(chǎn)生的對(duì)于交流小信號(hào)的死區(qū)和嚴(yán)重的非線性。
(3) 抽油機(jī)載荷信號(hào)采集。本系統(tǒng)采用的載荷傳感器將0~15kN的抽油桿壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為1~5V的直流電壓信號(hào)，通過電壓跟隨電路以提高輸出阻抗，再經(jīng)分壓、濾波轉(zhuǎn)換為0~3V的直流信號(hào)進(jìn)行AD采樣。
(4) 抽油桿位移信號(hào)采集。本系統(tǒng)采用兩個(gè)接近開關(guān)以測(cè)量游梁抽油機(jī)經(jīng)過上死點(diǎn)和下死點(diǎn)的時(shí)間。再經(jīng)抽油桿位移公式推算出抽油桿的實(shí)時(shí)位移。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉，在一定精度范圍內(nèi)完全可以滿足使用要求。
4.2 RTU控制系統(tǒng)主板
RTU控制主板是RUT的控制中心，提供信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、存儲(chǔ)、抽油機(jī)故障初步診斷與通信控制等功能。CPU采用Philip公司生產(chǎn)的低功耗、高性能、低成本的P89LPC935。由于它集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能?？纱蟠鬁p少元件的數(shù)目和電路板的面積。該CPU具有256字節(jié)的RAM，512字節(jié)的附加片內(nèi)RAM，512字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)器，8kB可擦除的flash程序存儲(chǔ)器。2個(gè)4路的8位A/D、增強(qiáng)型UART。
RTU控制主板包含時(shí)鐘電路、16KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源監(jiān)視電路、主板溫度監(jiān)視電路等輔助部分，并且預(yù)留有RS232和485通信接口作為擴(kuò)展通訊接口。
4.3 GPRS\GSM通信模塊
GPRS\GSM通信模塊采用WaveCOM公司的Q2406B模塊。該通信模塊包含內(nèi)置的無線收發(fā)模塊和TCP\IP棧模塊。結(jié)合相關(guān)的軟硬件驅(qū)動(dòng)模塊，解決了目前常用GPRS MODEM登陸時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率高、SMS/GPRS切換不正常、易于死機(jī)等通病，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皩?shí)時(shí)性大為增強(qiáng)。
4.4 不間斷電源
系統(tǒng)采用380V或1140V動(dòng)力電為主供電方式，并且包含蓄電池后備電源。內(nèi)置蓄電池以及充電電路和電源控制電路。以保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行。

5 系統(tǒng)健壯性設(shè)計(jì)
由于RTU裝置露天放置在野外，環(huán)境十分惡劣。RTU充分考慮了系統(tǒng)的健壯性設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)測(cè)試，在滿足終端設(shè)備的正常維護(hù)條件下，RTU的MTBF(平均無故障時(shí)間)大于或等于8000小時(shí)。電源和所有的I/O接口設(shè)計(jì)有多級(jí)保護(hù)電路，以防止監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)雷電、浪涌電流的沖擊和高壓靜電對(duì)IC電路的破壞。設(shè)置了看門狗電路和電源復(fù)位監(jiān)控電路，防止軟件死鎖。系統(tǒng)完全采取密封設(shè)計(jì)，以達(dá)到了防水、防鹽、防霧的“三防”要求。

6 結(jié)束語
該系統(tǒng)具有可靠性高、便于安裝、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于河南油田某礦，實(shí)際運(yùn)行中滿足了設(shè)計(jì)要求。