CN203241817U

CN203241817U - 抽油机运行参数在线智能分析及控制系统

Info

Publication number: CN203241817U
Application number: CN2013203026127U
Authority: CN
Inventors: 成宝芝; 陈春雨; 董云峰; 郭险峰; 郭宗光
Original assignee: Daqing Petroleum Administration Bureau; China National Petroleum Corp
Current assignee: Daqing Petroleum Administration Bureau; China National Petroleum Corp
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2023-05-29

Abstract

抽油机运行参数在线智能分析及控制系统。能解决传统的巡井方式人工负担大、影响数据采集的实时性和准确性，并具有一定的滞后性的问题。单井运行参数采集单元包括主控模块，主控模块上连接有电能量芯片，主控模块与变频器连接，主控模块与电容柜连接，主控模块与压力传感器连接，控制模块与终端Zigbee传输模块连接，终端Zigbee传输模块以无线的方式与远程数据传输网络中的Zigbee传输模块连接，Zigbee传输模块与控制模块连接，控制模块与油田计算机局域网连接，油田计算机局域网上与抽油机运行参数监控管理中心中的服务器连接，服务器与前置机相连接。准确的、即时的测量油井参数，信息安全可靠。

Description

抽油机运行参数在线智能分析及控制系统

技术领域

本实用新型属于采油工程领域，具体是抽油机运行参数在线智能分析及控制系统。

背景技术

目前，由于油区地质构造不同和地下原油分布不均，导致各类油井分布范围广且比较零散，这其中大部分采用的是抽油机形式的采油方式，而此类油井的管理和维护方式采用的是传统的巡井方式，每天定期检查抽油机的运行情况，记录电机运行参数、井口参数等，并对油井进行维护保养，同时不定期用示功仪对每台抽油机进行示功图的绘制，从而为判断井下抽油泵运行状况提供依据，由于油井的分布范围广且零散，而传统的巡井方式又需要繁琐的进行一一人工巡查；这种生产管理方式不仅使工作人员的工作负担大，而且很大程度上影响了数据采集的实时性且准确性，所得到的数据需要通过人工分析，才能知道抽油机的工作状况，有一定的滞后性，而在此段时间若发生重大工况故障则会造成很大的损失。

发明内容

本实用新型为解决传统的巡井方式人工负担大、影响数据采集的实时性和准确性，并具有一定的滞后性的问题，而提出的抽油机运行参数在线智能分析及控制系统，包括单井运行参数采集单元，远程数据传输网络和抽油机运行参数监控管理中心，所述单井运行参数采集单元包括主控模块，主控模块上连接有电能量芯片，主控模块的变频信号输出端与变频器的信号输入端连接，主控模块的电容信号输出端与电容柜的信号输入端连接，主控模块的压力信号输入端与压力传感器的压力信号输出端连接，压力传感器设在输油管中，控制模块的数据输入输出端与终端Zigbee传输模块连接，终端Zigbee传输模块以无线的方式与远程数据传输网络中的Zigbee传输模块连接，Zigbee传输模块与控制模块的数据输入输出端连接，控制模块的以太网口RJ45与油田计算机局域网连接，油田计算机局域网上与抽油机运行参数监控管理中心中的服务器的第一数据输入输出端相连接，服务器的第二数据输入输出端与前置机相连接。

所述主控模块及控制模块均为ARM内核Cotex-M3的STM32F103RBT6控制器。

所述服务器中嵌有主要由VC＋＋6.0和SQL Server 2000数据库构成的软件系统。

所述终端Zigbee传输模块及Zigbee传输模块均为无线芯片CC2430。

本实用新型的有益效果：实现对抽油机驱动电机的三相电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参数以及采油井的油压等流体参数的实时监测与采集，并把数据存储在服务器中。系统能对空抽、电源缺相等可能出现的问题及时作出判断，及时断电停机，并发出报警信号，使工作人员及时得到信息，快速处理，将故障损失降到最低，该系统不影响生产，能快速准确地测出抽油机运行的电参数和热工参数、及时诊断抽油机可能出现的故障，在断电停机的同时，通过无线通信装置发出报警信息；同时，系统能根据测得的电参数，流体参数自动对抽油机驱动电机进行单机无功功率补偿，提高电机的工作效率，提高采油效能，有效的解决了传统的巡井方式人工负担大、影响数据采集的实时性和准确性，并具有一定的滞后性的问题。

附图说明

图1是本实用新型的连接结构示意图；

图2是本实用新型中单井运行参数采集单元的电路原理图；

图3是本实用新型中压力传感器的压力信号采集电路的原理图；

图4是本实用新型中远程数据传输网络的电路原理图；

图5是本实用新型抽油机运行参数监控管理中心软件系统的结构示意图；

图6是本实用新型的抽油机运行参数监控管理中心主程序流程示意图；

图7是本实用新型整个系统的工作状态示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至4及图7说明本实施方式，抽油机运行参数在线智能分析及控制系统，包括单井运行参数采集单元，远程数据传输网络和抽油机运行参数监控管理中心，所述单井运行参数采集单元包括主控模块，用于处理数据和控制各装置的连接，主控模块上连接有电能量芯片，用于电参数信号采集，主控模块的变频信号输出端与变频器的信号输入端连接，主控模块的电容信号输出端与电容柜的信号输入端连接，主控模块的压力信号输入端与压力传感器的压力信号输出端连接，压力传感器设在输油管中，控制模块的数据输入输出端与终端Zigbee传输模块连接，终端Zigbee传输模块以无线的方式与远程数据传输网络中的Zigbee传输模块连接，Zigbee传输模块与控制模块的数据输入输出端连接，控制模块的以太网口RJ45与油田计算机局域网连接，油田计算机局域网上与抽油机运行参数监控管理中心中的服务器的第一数据输入输出端相连接，作为存储告警信息的服务器的第二数据输入输出端与前置机相连接，这使得单井运行参数采集单元实时采集抽油机运行时产生的电参数和油压等流体参数，并控制变频器和电容柜工作；同时各Zigbee传输模块22之间构成无线传感器网络，通过由Zigbee和油田计算机局域网构成的远程数据传输网络，将数据采集单元得到的运行参数传输到抽油机运行参数监控管理中心。

具体的由于抽油机驱动电机使用的是工频50Hz，380V的三相电压，所以，电压电流监测电路是完成模拟电流、电压信号转换为数字信号，然后由STM32F103 RBT6进行读取进行监测的一类电路。其主要包含电压互感器、电流互感器、信号调理电路和电能量芯片等。控制系统中需要输入电流、电压两类模拟信号，因此要用多路模拟开关。此外由于采样的信号是一个快速变化的信号，因此在模拟开关和A/D转换芯片之前需加一个采样保持器。在采样电压信号时保持电流信号，这样才能保证采样的电压和电流信号为同一时刻的值。本具体实施方式中对三相电压和电流有效值的计算，采用以下公式：

计算电压有效值公式为：

电流有效值计算公式为：

ATT7022A集成了六路16位A／D转换器，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量频率，各相电流以及电压有效值，功率因数，相角等参数，提供两种视在电能PQS、RMS，充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作要求。ATT7022A内部的电压检测电路可以保证加电和断电时正常工作，提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校标参数的传递。支持全数字域的增益，相位校正，即纯软件校表。

结合图3，压力传感器16安装在输油管上，根据所安装管路的压力选用相应量程的传感器。根据油田输油管的具体情况，选用了HDP503压力传感器16，此压力传感器16的特性如下：量程为1~150Mpa，可以满足实际需要；供电电压VT为直流24V，可以选用4～20mA(二线制)，0～5V、1～5V、0～10V(三线制)）这两类输出信号方式，压力传感器16根据输油管压力的不同，发送出不同的电流值或者电压值，当压力传感器16输出的电流为4mA时，电压跟随器LM110输入引脚输入1V电压;当压力传感器16输出的电流为20mA时，LM110输入引脚输入5V电压。然后电压输入到STM32F103RBT6的A/D，根据不同电压，芯片可以判断出不同压力值。

结合图4，远程数据传输网络是整个抽油机运行参数监控管理系统的传输核心单元，在整个系统中，起着承上启下的作用，远程数据传输网络主要有Zigee无线传感器网络和油田计算机局域网构成，它们连接的节点位于油田的中转站，因为在目前油田的各个中转站基本实现了油田计算机局域网的覆盖，而中转站所管理的抽油机基本上都在5公里的范围内，所以利用Zigee无线传感器网络是可行的，这样通过STM32F103RBT6控制器实现ZigBee网络和油田计算机局域网间的数据交换，也就是将Zigbee无线传感器网络得到的各个单井参数，由STM32F103RBT6微控制器为核心构成的网关实现将ZigBee数据包转化为以太网的TCP/IP协议的数据包，实现数据在两个协议之间的双向传输，通过建立的两者之间的透明传输通道，完成ZigBee技术和以太网互通，从而实现对各单点抽油机现场工况数据的监测和远程控制。

本实施方式的有益效果：数据信号的精度满足监测要求，工况异常保护功能可靠、准确地体现了抽油机工况变化的过程及趋势，为油井管理人员准确掌握抽油机工况提供了必要的数据基础；通过基于计算机的数据处理软件对采集的参数数据处理和分析，可以得到油井工况比较准确的情况和处理意见，及时反映抽油机的故障模式及工况变化的具体原因，该系统可以对采油过程进行优化，达到降低抽油机故障率，提高采油效率和节能的效果。

具体实施方式二：结合图2及图4，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述主控模块及控制模块均为ARM内核Cotex-M3的STM32F103RBT6控制器，以STM32F103RB T6控制器、三相电能专用计量芯片、压力传感器为核心进行现场监测，实现对抽油机驱动电机的三相电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等电参数以及采油井的油压等流体参数的实时监测与采集，并把数据存储在服务器中，系统能对空抽、电源缺相等可能出现的问题及时作出判断，及时断电停机，并发出报警信号，使工作人员及时得到信息，快速处理，将故障损失降到最低，并且利用STM32F103RBT6控制器根据测得的电参数自动对抽油机电机进行无功功率优化补偿，提高电机的工作效率。微控制器根据采集的有功功率、无功功率参数进行分析，得出抽油机电机的实际功率因数，然后计算出所需补偿电容，驱动补偿电容柜，自动投入所需的补偿电容，提高电机功率因数，从而提高工作效率。

具体实施方式三，结合图5及图6，本实施方式与具体实施方式一或二的不同点在于：所述服务器中嵌有主要由VC＋＋6.0和SQL Server 2000数据库构成的软件系统，该系统由管理功能子系统、参数监测子系统和故障诊断子系统组成，它可以分析采集数据，对抽油机的运行工况进行预测和判断，给出最优设置参数，研究各种电参数的最佳图示方法，软件系统通过获取连续多次测试数据综合绘图，分别画出电压曲线、电流曲线、示功图等，根据采集数据进行分析建模，对抽油机可能出现的运行故障进行预测和判断，及时进行参数调整和报警，对可能发生的故障进行诊断，在故障萌芽状态将其解决，编制数据库对抽油机的工作参数进行增加、修改、保存，将每次测试数据及诊断出的故障保存在数据库中。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点在于：所述终端Zigbee传输模块及Zigbee传输模块均为无线芯片CC2430，以便于进行有效的无线传输。

Claims

1.抽油机运行参数在线智能分析及控制系统，包括单井运行参数采集单元，远程数据传输网络和抽油机运行参数监控管理中心，其特征在于：所述单井运行参数采集单元包括主控模块，主控模块上连接有电能量芯片，主控模块的变频信号输出端与变频器的信号输入端连接，主控模块的电容信号输出端与电容柜的信号输入端连接，主控模块的压力信号输入端与压力传感器的压力信号输出端连接，压力传感器设在输油管中，控制模块的数据输入输出端与终端Zigbee传输模块连接，终端Zigbee传输模块以无线的方式与远程数据传输网络中的Zigbee传输模块连接，Zigbee传输模块与控制模块的数据输入输出端连接，控制模块的以太网口RJ45与油田计算机局域网连接，油田计算机局域网上与抽油机运行参数监控管理中心中的服务器的第一数据输入输出端相连接，服务器的第二数据输入输出端与前置机相连接。

2.根据权利要求1所述的抽油机运行参数在线智能分析及控制系统，其特征在于：所述主控模块及控制模块均为ARM内核Cotex-M3的STM32F103RBT6控制器。

3.根据权利要求1所述的抽油机运行参数在线智能分析及控制系统，其特征在于：所述终端Zigbee传输模块及Zigbee传输模块均为无线芯片CC2430。