突破油井监控系统的瓶颈

作者:李鑫 柏小京 张瑞华 文章来源:华北油田采油工艺研究院自动化所 发布时间:2013-04-01

本文介绍了一种用于油井SCADA系统的无线传感器技术,并对该项技术的构成和应用情况进行了阐述。

近年来各种数据采集系统、监控系统在油田生产中得到了广泛应用。油井远程监控系统采集数据的准确性、可靠性和便于维护性成为制约整个系统正常运行的关键。目前抽油机井数据监测普遍选用载荷传感器、角位移传感器(或脉冲发生器)、RTU监控器、电参量传感器等,分别安装于悬绳器、游梁及控制柜上,各个信号采用有线方式汇集到RTU监控器上,成本高,安装工艺复杂,线缆易损坏,不易防盗,维护工作量大,很难长期可靠地工作。对于几百口井的监控,问题则更为突出。

基于以上情况,华北油田采油工艺研究院积累十几年油井监控工作的经验,结合当今自控技术的发展水平,提出并研制了以基于无线和嵌入式技术为基础,将微处理器嵌入到了传感器和转发器中,使各种传感器与RTU之间形成无线数据传输的设计思想,实现了油井工况的测量、转换、数据处理、无线通信等功能。

系统构成

采用无线技术作为传感器与RTU之间的通信方法,将传感器、变送器、MPU控制器及无线收发模块组合在一起,构成一体化的微功耗无线智能网络传感器,实现生产参数的无线采集。

为了保证正常情况下工作2~3年,在硬件设计上采用低功耗元器件;在软件设计上,除电源管理芯片外,其他芯片都处于休眠状态,每隔几秒微处理器中断唤醒来处理事件,工作完毕后继续休眠,从而使静态功耗控制在μA级。

无线收发模块

采用世界先进的nrf905半双工通信芯片,微功耗10mW,该芯片具有低电源电压工作1.9~3.6V、多通道工作ETSI/FCC兼容、可软件调节输出功率至-10db、“传输前监听”载波检测协议、数据准备就绪输出、低功耗ShockBurst工作模式、侦测数据包地址匹配、数据包自动重发、自动产生CRC和数据前导码等功能,使得被嵌入的传感器形成智能微网络型,各传感器之间由地址区分,统一频点,形成微型网络。

无线示功图测试仪

无线示功图测试仪由载荷传感器、微功耗MCU-MSP单片机、加速度传感器、无线收发模块、电池等组成,可实现示功图无电缆测试、150井次示功图数据存储、油井生产时率计算等功能。对于不同的用途,可以将无线收发模块改为GPRS模块,实现示功图的远程检测。硬件结构图和软件框图如图2所示。

无线模拟量传感器

在已有传感器的基础上加入了自主研发的数据采集电路,包括仪表电池和数据采集板。该无线模块可以与压力变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等可输出4~20mA信号的仪表,或带有专有通信协议的仪表。

无线RTU

该无线RTU将采集、控制、通信三种功能合为一体,实现对数据的采集和传输,它是整个系统的前端核心。利用自身所具有的开关量和模拟量数据采集接口采集数据,并通过自身所配备的RS232/RS484接口,可以采用有线或无线的通信方式将数据发送至远端监控中心,配备专用的通信软件可与组态软件实现无缝连接。

RTU的核心是监控器,由微处理器、微功耗无线收发模块、无线通信模块、时钟电路、存储电路、接口电路、操作键盘及液晶显示器构成,整体采用SMT表贴工艺集成在电路板上,具有采集模拟量、数字量、指令控制输出、数据存储、数据传输、显示及键盘设置功能,可以完成油水井所需要的各种操作;主电路板上安装有微处理器、RS232/485接口电路、无线数据收发模块、键盘显示电路、数据存储电路、时钟电路、USB接口电路及电源电路。硬件结构如图5所示。

系统工作时RTU对上位机(测控中心)可以使用光缆、GPRS、CDMA、无线数传电压等通信方式;对下(载荷、位移、油压、套压、温度、流量、报警等)都可无线采集各个传感器的数据。

应用情况

华北油田采油工艺研究院开发和研制的该项技术,已在多个油井监控系统中应用。从满足生产实际需求出发,根据不同的要求构成了不同的数据监控系统。

抽油机井监控系统

油田采油生产自动化监控系统,是以提高油田的现代化管理水平、提高采油生产效率、节能降耗和增强油田可持续发展能力为目的,采集油井电量、电压、电流、载荷、冲次、冲程、井口压力、生产时率等生产参数,并自动定时采集和远程控制采集油井示功图,电流图。实现对油井的全面监控,实现无人值守(如图6)。

在系统中,现场所有仪表采用无线数据采集方式,定时将采集的数据,传输到RTU,通过光缆、无线数传电台、GPRS等数据传输方式,将数据传输到中心控制室,上位机软件采用WonderWare Intouch9.5人机界面软件,并配合采研院研制的专有数据通信采集软件,实现数据的监视和对现场设备的控制。

利用 WonderWare Intouch 9.5人机界面软件,编制油井显示画面,实现油井的远程数据监控(如图7)。

单井示功图远程测试系统

将无线示功仪直接安装于抽油机井的悬绳器上,采集的示功图数据,通过内置的GPRS模块,直接传输到指定的服务器,不需附加任何设备,由于采用了GPRS无线传输方式,无地域限制,只要中国移动网络覆盖即可。

该系统解决了示功图的远程测试问题,对于用于示功图计量油井产液量的系统,只要在服务器上安装相应的计算软件即可,使用该系统对老油田简化和优化工作,以及简化地面工艺流程提供了可靠和适用的手段。

结语

现场仪表与RTU间采用了无线传输,减少了过去由于电缆造成的人为损坏和自然损坏的不利因素,在无外部供电的情况下可持续工作,增加了可维护性和可靠性,便于安装,解决了油井监控系统中出现的瓶颈问题。

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