基于GPRS的抽油機遠程實時監測系統

耿樹朋，王念興，姜淑忠，劉秋軍

（1.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240；2.大慶油田力神泵業有限公司，大慶 163311）

0 引言

石油是一種重要的戰略資源，滲透到經濟、軍事、工業和交通等各方面，油田采油設備的正常運行對企業的經濟效益有直接影響[1]。在全球數字化的背景下，油田數字化已經是一個迫切的要求。而我國油井的地理特點是地處邊遠、環境惡劣、分布范圍廣，人工巡檢效率低且不能及時發現油田采油設備即抽油機工況問題，因此抽油機遠程實時監測成為必然[2]。抽油機的遠程實時監測系統是油田數字化的一個重要組成部分，它有利于迅速、精準而全面地了解油井現場情況，及時發現故障，節約能源，降低企業的經濟成本和人力資源，提高管理信息的效率，促進數字化油田形成成熟的勘探開發一體化的工作思路、管理體系和技術體系。

在此背景下，本文提出設計并實現了一種基于通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）的抽油機遠程實時監測系統，主要包括遠程數據采集終端模塊、GPRS數據傳輸模塊、網絡服務器與數據庫系統三個部分，可整合分布零散的油田抽油機信息孤島，實時監測油田實況，實現油田數字化。

1 系統總體設計

本系統的核心部分在于數據傳輸模塊。一般而言，有線傳輸方式通信效率高、系統穩定，但國內油田采油區分布零散，面積過大；如果采用有線傳輸方式將出現初期投入過大、網絡布置繁瑣、維護費用高昂等問題。

當前油田實時監測系統主要采取的實時數據傳輸方式有無線數字電臺、無線網橋和通信衛星等。文獻[3]中提出了基于無線數字電臺的遠程監控系統設計方案，其優點是通訊靈活、易于實現；但在長距離、多高山阻擋情況下，該通訊方式所需中繼站數目及中轉次數將明顯增加，且易受干擾、誤碼率高導致其應用范圍受到限制。當前大慶油田在使用基于無線網橋的遠程監控系統，則存在易受天氣變化影響等問題，如下雨會以熱損的方式吸收微波而引起衰減。文獻[4]中提出了基于通信衛星的油田遠程監控系統，當前伊拉克的油田對該通信方式采用較多，較高的建設和維護費用是其軟肋。

而GPRS作為當前的全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）網絡向第三代移動通信技術轉換的過渡技術（2.5G），具有接入快速、時刻在線、按流量計費等優點，在遠程突發性數據及時傳輸中有不可比擬的優勢，并且中國移動GPRS網絡經數年建設已日臻成熟，地區的覆蓋率超過90%，GPRS信號能夠做到無盲區覆蓋國內油田。因此本系統采用先進成熟的GPRS-DTU模塊為遠程數據傳輸模塊，依托穩定、可靠的中國移動GPRS網絡，在保證數據傳輸及時、準確的前提下，將數據監控系統運行費用也降到了最低。與此同時，該通信鏈路由專業的運營商來維護，這就避免了用戶在使用監控系統的同時，還需要耗費很大精力去維護通信線路等問題；節約了用戶的初期建設投資和運行維護費用[3]。

如圖1所示，遠程數據采集終端模塊安裝在控制柜內，通過傳感器采集抽油機的各項數據：電動機的線電壓、線電流；電機軸轉速、減速箱皮帶輪轉速；懸點載荷、位移；井口井液溫度、壓力、套管壓力等。數據通過GPRS模塊上傳至服務器系統，由服務器將數據存入數據庫中，而用戶可以通過服務器終端平臺查看數據庫中由遠程數據終端采集來的數據，從而實現遠程實時監測的功能。

圖1 油田抽油機遠程實時監測系統整體設計

2 遠程數據采集終端設計

該模塊實現的功能主要是對抽油機的各項運行數據進行采集和處理。如圖2所示，硬件主體采用常見的數據采集系統結構，經傳感器采集的輸入信號將進入信號調理電路。信號調理電路內部依次是量程轉換電路、濾波電路和差分電路。經調理的信號最后被送至AD轉換器?？紤]到遠程數據終端對浮點計算、通訊接口、外接設備等的性能要求，本終端采用ST公司的STM32F103作為主芯片[4]。主芯片使用內部集成的AD模塊將輸入模擬信號轉化為數字信號，經過計算得出抽油機需要監測的各項數據，同時在預定的時間間隔內將數據結果傳輸至GPRS模塊，進而上傳至遠端的服務器系統。

圖2 遠程數據采集終端硬件結構

遠程數據采集終端的軟件程序流程如圖3所示，主要包括了數據采集、閾值判斷報警與數據傳輸模塊數據交換等步驟。

圖3 遠程數據采集終端軟件程序框圖

在遠程數據采集終端進行數據采集的過程中，會出現因環境溫度變化和變頻控制器電磁干擾等原因導致所導致的數據精度降低的問題。為了提高系統精度，獲取偏差較小的數據，系統需要采取相應的抗干擾措施來消除或降低各種因素對數據采集的干擾，本系統確保數據精度手段如下。

1)在AD轉換器前設計了差分電路，將信號轉換為雙端差動輸入，來消除輸入信號中存在的或信號調理電路可能引入的共模干擾。

2)對于并行采集通道，為每個通道設置了獨立的模擬地，最后僅在一點將模擬地與系統地連接起來。

3)采用獨立的直流穩壓器產生穩定的直流電壓來為各種芯片提供工作電壓，保證系統的可靠性和穩定性，DC-DC變換器也起到了一定的隔離和保護作用。

4)硬件上采用低通濾波器來濾除信號中可能存在的無關高頻成分，在后續數據處理過程中也采取了相應的數字濾波技術。

5)選用高性能、高精度、低功耗的芯片，來滿足系統各方面的要求。

通過驗證數據采集終端功能，得知長時間的采集的工作數據波形不會出現斷點或突變值，系統對輸入信號的采樣是正確可靠的。測量精度方面，通過對預警器的零輸入噪聲測試，可知通道中的零噪聲是在平均值附近波動的隨機噪聲，平均值比較小，不超過4mV；而在頻率測量與峰值測量精度方面，系統頻率測量的絕對誤差小于0.005Hz，相對誤差小于3ppm（百萬分之三），信號的峰值是通過FFT計算提取的，測試結果證明，系統的峰值測量的絕對誤差一般在1mV~7mV，相對誤差小于1%，完全滿足系統設計的精度要求。

3 GPRS數據傳輸模塊設計

3.1 模塊主體設計

主芯片對輸入信號進行處理，通過GPRS移動通信網絡定期向監控中心發送抽油機運行數據，因此數據采集終端需要通信接口，本系統采用GPRS遠程無線傳輸模塊作為通信接口。GPRS模塊主芯片采用SIMCOM公司生產的工業級GSM、GPRS模塊，帶基站定位功能的SIM900芯片，它支持數據、語音、短消息和傳真業務，支持TEXT和PDU格式的短信息發送與接收，還內嵌TCP/IP協議，無需自己編寫協議，縮短了開發周期，降低了主控芯片的負擔，提高了系統穩定性。

遠程數據采集終端主芯片STM32F103通過串口將數據發送給GPRS通信模塊SIM900，如圖2所示。本模塊的軟件程序流程圖如圖4所示，主要包括初始化、檢測網絡狀況與發送數據等步驟。

圖4 GPRS數據傳輸模塊軟件程序框圖

數據采集終端通過GPRS數據傳輸模塊向遠程服務器發送所采集到的各項數據的時間間隔設定在30秒，即每過30秒，服務器數據庫中的數據會通過GPRS通信更新為抽油機的最新工況數據。

為消除GPRS通信中掉線的問題，故需要發送心跳信號以確定GPRS通信雙方均在線。提到GPRS通信的心跳信號發送頻率不宜過高，通信忙時，宜將發送周期定為30秒；通信閑時，宜將發送周期定位3分鐘。因本系統中，GPRS通信更新數據的周期本身為30秒，所以不再單獨進行心跳報文發送。

當服務器10分鐘沒有收到數據采集終端發送來的報文時，就認為該終端已下線，進而將該終端及其相應抽油機的信息清楚。此時，數據采集終端會重新開始連接服務器，從而避免通信鏈路阻塞。當服務器向數據采集終端發送指令后，如果兩分鐘內未收到回應，會重新發送；在重新發送十次以后仍未收到回應的情況下，服務器也會將該終端及其相應抽油機的信息清除，此時數據采集終端會向服務器重新發起通信連接請求。

通過測試驗證，可以確定服務器接收到的數據與本模塊發送的內容與數目一致。本模塊實現了永遠在線、透明數據高速傳輸功能(理論上GPRS網絡傳輸速度達160Kbps)，且無需后臺計算機支持，支持點對點、點對多點、雙向實時數據傳輸，基本達到本系統的要求。

3.2 數據通訊協議

本模塊與遠程服務器間的數據傳輸通過基于Internet的，對應國際通用的網絡OSI模型?？芍?，預警器中物理層、數據鏈路層已由SIM900芯片實現，故軟件程序上只需要編寫數據鏈路層的驅動和以上幾層內容。另外，在芯片端，由于單個節點面向控制的信息量不大，信息傳輸的任務比較簡單，一般將會話層、表示層和應用層的編寫合而為一。如前文提及，系統在傳輸層上采用TCP協議進行可靠的數據交換，并在TCP協議的上層一些自定義的通訊協議來進行數據校驗[5]。模塊與服務器之間數據傳輸協議如圖5所示，為節省流量，數據包中按預定順序將檢測的數據結果組包上傳而不包括參數號等內容。自定義的數據傳輸協議中通過起始符校驗、剩余字節數校驗、CRC校驗三重檢驗來確保數據傳輸的準確性，大大提高了系統的可靠性。該數據包的傳輸時間間隔約為30秒，消耗凈流量為6M/月。

圖5 系統內部通訊協議

4 網絡服務器與數據庫系統

簡單而言，本模塊實現了服務器將接收到的遠程數據采集終端上傳的數據解碼后直接分門別類存入數據庫中的功能。

4.1 服務器與數據庫系統軟件設計

系統中數據庫系統采用Microsoft公司發布的SQL Server 2008 Express創建，服務器采用C#編程實現，其主要的軟件程序流程如圖6所示。

4.2 服務器平臺設計

服務器與數據庫的訪問平臺采用C/S架構，平臺人機界面采用Visual C#語言實現，主要架構如圖7所示。

圖6 服務器與數據庫系統軟件程序框圖

圖7 服務器平臺架構

平臺實現的功能有：1）基本功能，包括系統管理(管理系統中公共參數或配置信息或權限或密碼)、權限管理、油田采油設備信息管理(設備安裝地點歸屬單位等)。2）實時監控與統計分析，實時監控功能主要是對分布在各地的已安裝的抽油機的現場運行數據（電動機的線電壓、線電流；電機軸轉速、減速箱皮帶輪轉速；懸點載荷、位移；井口井液溫度、壓力、套管壓力等）實時顯示，并進行異常報警(聲、光、電話和短信報警)。統計分析功能是指抽油機診斷報告，即根據歷史數據，對抽油機運行狀況進行評估診斷，形成診斷報告，提出檢修建議等。

圖8 服務器平臺界面

5 結束語

本文在油田數字化大背景下，提出了基于GPRS的抽油機實時遠程監測系統，設計了包含遠程數據采集終端、GPRS數據傳輸模塊、網絡服務器與數據庫三層架構的系統，其中遠程數據采集抽油機的運行數據通過GPRS模塊上傳至服務器與數據庫，服務器平臺根據歷史數據對抽油機實時監測并評估診斷。系統具有覆蓋全面、全天候、高可靠性、實時迅捷、圖形化操作、直觀簡便、經濟性等特點。經過測試，該系統滿足一般工程應用的要求，在GPRS的技術應用與油田數字化上有一定的參考價值和推廣價值。

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