传感器在抽油机井远程监控系统中的应用

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• 作者：黄兵
• 摘要：本文介绍了用于油田的WB最新成套传感器，以及WB在基于CDMA通迅的抽油机井远程监控系统中的设计应用。 The paper introduce the latest a set of WB’s sensor for oil well,and how can apply WB series sensor to remote control system for oil well,communicating by CDMA.

一、引言
抽油机井大多都分布在油田各采油场，其工作状况的监测和控制，一直是采油场一项重要和困难的内容，一般的油井为巡视员或维修工定期巡回检查，随着油田现代化管理水平的不断提高，早期的巡视员方式已逐渐被油井无人值守所代替。随着工业控制技术的发展，无线遥测系统在国内油井中也得到了广泛的应用。在该系统中，基于CDMA通迅信道的HLD4000型远程监控系充分利用现有的计算机网络，通过对现场的监控和数据采集、传输，可以实现油井远程监控需求从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率，WB系列传感在该系统得到了广泛的应用。
二、WB成套传感器介绍
WB系列电量隔离传感器是由维博电子有限责任公司于八十年代末九十年初研制并拥有自主知识产权率先向市场推出的新一代高性能电量检测产品，可以对电路中的电流、电压、频率、功率、功率因数等电参量进行高速、高精度的隔离测量和变换，也可以对微弱的电参量信号进行高速、高精度的隔离放大和传送，将其变换调理成符合国际通用标准的电压、电流、频率等模拟信号输出，或将其变换成数字量输出、开关量状态输出、RS485/232输出等，既可以和传统的指针式仪表相接，更适合于与现代的数字式自控仪表、各种A/D转换器、以及计算机系统直接配接，广泛应用于电力、通信、铁路、矿山、冶金、交通、仪表等行业。
本系列产品的输入端与输出端完全隔离，可以解决自动检测及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问题，有效克服共模干扰，提高系统精度，简化系统设计，降低系统成本。与传统的电测器具相比，本系列产品具有精度高、体积小、功耗低、通频带宽、性价比高等特点。
为了满足广大客户需要成套提供传感器的要求，维博公司于03年率先推出油田专用成套传感器，特点简介如下：
1、 抽油机井电源监测 三相电压电流输入、RS485输出
专门针对抽油机井用电设备而设计的隔离型组合参数智能传感器，取代模拟变送器。其检测信号为交流3相电压，3相电流；输出内容为3电压（有效值）、3电流（有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度、无功电度和频率数据。输出可由通讯接口获取所需的电参量数椐的标幺值，无须RTU做交流采样。
2、专用固定负荷传感器 量程：0～150kN； 输出灵敏度：1mV/V；
全密封防水设计，满足全天候使用； 优化插头，提高可靠性； 操作方便安全； 输出一致，完全互换，使用寿命长。
3、压力传感器 量程：从0~10Kpa到0~500Mpa，输出：标准二线制
本产品是本所利用进口充油隔离组件或整体不锈钢应变引压体，把固态集成工艺与隔离膜片技术结合在一起，扩散硅芯片被安装在充满硅油的圆柱腔体内，通过不锈钢膜片和外壳把其与测量介质隔离开。产品可在恶劣环境下工作（如埋到地下）
4、角位移传感器 量程：0~100、0~180、0~270、0~340（连续） 输出0-5V
本品是一种以电压输出与轴旋转角度为线性关系的用于测量物体旋转位置的传感器，其特点是精度高、寿命长、输出平滑性好等等。
5、温度传感器 （井口温度） PT1000电阻输出
进口PT1000封装；耐静压大于30Mpa；温度响应时间快；传感器外型可根据用户要求定；工作温度：-50℃~+400℃，精确度等级A级。
6、红外双监（三监）报警传感器。
综合当今安防领域最高科技的高性能双窗口探测器，由主从双组高精度被动红外探测装置和抗强光电路及模糊逻辑数码核心组成，防水外壳，造型优美。
三、HLD4000油井远程监控系统组成及功能
HLD4000油井监控系统是胜利油田联合电子科技大学共同研制的新一代油井远程监控系统。
1、监控系统运行环境
Ø 服务器操作系统：Windows (Advance) Server 2000 或Windows Server 2003服务器操作系统
Ø 服务器数据库服务器：Microsoft SQL-Server 2000 标准版数据库服务器
Ø 服务器Web服务器：Microsoft Internet Information Services (IIS) 5.0以上Web服务器
Ø 数据库访问组件：Microsoft Data Access Components (MDAC) 2.7及以上
Ø Microsoft .NET Framework: Microsoft .NET Framework 1.1
Ø 客户端操作系统：Windows 9X以上
Ø 客户端Web浏览器：IE5.5以上Web浏览器
2、监控系统架构
拓朴图如图1所示


图1
3、监控系统功能
基于CDMA技术的抽油机井监测系统由抽油机井现场监控单元和监控中心设备及CDMA无线数据通信单元三部分组成。
现场监控单元主要由各传感器(如负荷、油管回压、油温、三相电流、三相电压等，根据需要选定)、数据采集存储处理分系统、CDMA通信分系统、电源分系统和相应的软件等组成。监控中心由路由器、服务器及其后台软件等组成（见图2）。








数据采集分系统应用先进的嵌入式处理器S3C4510以及高性能单片机MSP430F149。系统工作时数据采集分系统实时采集各传感器的数据，并按照相应数学计算模型进行处理，将处理结果和原始数据进行存储，然后按照要求和数据格式将信息传送给CDMA通信分系统。CDMA通信分系统在开机后首先与监控中心建立数据链路，中心收到链路信息后即可获得油井的运行信息，可随时接收数据采集分系统的数据信息。当通信分系统接收到数据采集分系统的信息后，通过公共CDMA网络经VPDN，将数据发给监控中心，或将控制中心发来的信息传给数据采集分系统。
监控中心是该系统的指挥中心，它可以通过VPDN经CDMA网向现场监控设备发送初始化命令和信息、可以对接收的数据进一步处理，可以将必要的信息通过网络发给各部门。
系统监测抽油机井电机三相电压值、三相电流值、以及抽油机负荷、井口油管回压、井口油管温度等，具体方式如下：
※ 定时上传信息
※ 轮循上传信息
※ 随机抽没信息
※ 故障实时报警
※ 设备故障自检
3．2 远程控制功能
监控中心可以对油井现场监测单元进行以下控制：
※ 设置油管回压、负荷、电动机功率等参数的超限值。
※ 设置冲程
※ 设置终端时间、修改IP地址
3、3 报警功能
油井现场监控设备连续采集各传感器数据，并对数据进行分析处理。当结果满足监控中心设定的正常范围时，现场监控制备就每隔一定时间(时间间隔由监控中心设定)上传 一次当前油井动行正常状态字；
当结果超出监控中心设定的正常范围时，判定设备出现异常，现场设备上传一个油井运行故障字，并将有关的超限参数等信息上传至监控中心并采取相应的措施.
3、4 辅助分析功能
监控中心处理接收到的数据，分析油井场运行状况项目有：
※ 抽油机平衡率分析。
※ 抽油机耗电量统计、分析。
※ 功图智能判别。
※ 历史数据比较、分析。
※ 三相电流的最大、最小值。
※ 有功功率最大、最小值。
※ 无功功率最大、最小值。
※ 上、下冲程最大电流值。
※ 功率因数量大、最小值。
四、 系统主要技术指标
1、检测内容及范围
三相电流: 0～100A 监测精度： 0.5%
三相电压: 0～1200VAC 监测精度： 0.5%
负 荷: 0～150KN 监测精度： 0.5%
油 温: 0～100℃ 监测精度： 0.5%
位 移: 0～6m 监测精度： 1%
井口油管回压: 0～10Mpa 监测精度： 0.5%
2、系统现场环境
工作电源：各油井监测点AC380V±20%或AC1140V；
温度：－40～＋70℃；
湿度：5%～95%
3、无线通信距离
在CDMA网络覆盖区域内通信距离不受限制。
4、系统检测时间
抽油机井现场监控系统检测参数和监测时间段可本地设置或由监控中心设定。
结束语
该系统已经成功应用于胜利油田，在该监控系统中，使用监测终端和配套组态软件，监测终端将检测到的单口抽油机采油的现场状态，通过CDMA送给监控中心，从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，有力的缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率，同时系统的性价比特高，无需采购价格昂贵的PLC控制器。另外，本系统还非常适合输油管漏油，计量站，联合站等油田生产过程自动化监控系统。