大數據背景下抽油機數據采集系統的設計與運行

董云峰　張宏偉

【摘 要】油井數據采集管控系統是一個將抽油機生產控制、數據監測和管理這三大步融合在一起的生產過程自動化控制體系。此系統的實施離不開油田作業的抽油機，它可以實時監控油田作業的抽油機，將人工智能測控儀器儀表作為人的“眼睛”，并通過計算機的網絡通信將計算機網絡的一部分延伸到油井所在之處，這樣就形成了油井數據采集的自控系統。此數據采集系統有嚴格的等級關系，每個分支下的系統都具有獨立的網絡系統和布線系統，各個公司或者是其他單位想要得到生產數據的話，可以通過網絡與公司其他生產單元監控操作站相連將生產數據發送到公司的部門，同時監控操作站又與公司企業的信息網相連，極大地增加了便利。抽油機數據系統采集有3層功能，即生產管理、監控和過程控制，其中過程控制部分是整個采集系統的關鍵部分，也是整個采集系統的核心。

【關鍵詞】大數據背景；抽油機；數據采集系統；信息集中性；系統可靠性

【中圖分類號】TP274 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）03-0119-02

大數據，從字面上來理解，它是超出傳統數據軟件工具承接能力范圍的數據集合，它的數據規模更大、數據流轉速度更快，數據類型更多元、價值密度更低。大數據的運行主要是對已經接受的數據進行再操作，如辨析、抓取、分類等。通過大數據的分析，可以促成更強的決策能力、洞察力和最佳化處理。在當今大數據背景下，世界上98%的工作運轉都與大數據有關。抽油機的工作原理比較繁瑣，它需要動力機提供動力，然后用減速機把動力機的高速轉動變化成抽油機曲柄的低速旋轉，同時曲桿—連桿—游梁機構起作用，它把旋轉運動變為抽油機驢頭的往復運動，這種往復運動是上下而行，從而帶動深井泵工作，上行時驢頭懸點提起抽油桿，讓抽油桿抽出液體，即可抽出油，然后下行，反復上下而行，即可源源不斷地抽出油。但是如果抽油機沒有進行平衡，電動機的負載和耗能就會變得很大，也會降低抽油機的使用壽命。現如今，抽油機在世界范圍內有很多種，所用技術也是各有不同。在對抽油機進行分類時，人們大多都是根據抽油機的采油方式而分類，將其分為有桿類采油設備和無桿類采油設備，而前者又可分為抽油桿往復運動類和旋轉運動類。我國的抽油機大多屬于往復運動類抽油設備，這種設備在我國也有很多年的使用歷史，為我國的石油事業做出過巨大貢獻，現在這種設備仍然在我國使用。無桿類采油設備可分為電動液壓驅動類、氣舉采油設備和潛油離心泵，此類抽油機在我國使用較少。

1 抽油機數據采集系統的設計

一般在油田油井的附近會安裝1臺計算機，這臺計算機負責油井數據的讀寫、查詢、分析處理及數據曲線的繪制和數據報表的打印。做好以上工作后，此計算機會將所處理好的信息通過USB電路傳給微處理器。微處理器分3個，其分工如下：微處理器一負責無線接收，數據存儲，由液晶顯示電路、鍵盤電路和日歷時鐘電路實施；微處理器二會將微處理器一所接收的數據進一步無線接收，并且存儲，然后再進一步傳給微處理器三。這3個微處理器所處距離不會太遠，它們之間采用近距離無線傳輸數據。在20世紀70年代中期，社會上推出了一款集中分散型控制系統DCS，它是以處理器為基礎的集中分散聲控系統。這款系統是油井中的抽油機數據采集的核心，自從這款系統推出后就在世界范圍內使用，并一直占有主導地位。

1.1 大數據背景下，數據采集系統的設計原理

目前，抽油機采集系統大多已發展為無線數據采集，其中抽油機參數采集系統會對各種信息進行采集、運算、分析、并儲存，并且可智能地綜合各種有效的信息因素進行運算并判斷，從而達到合理高效節能減排的采油目的。同時，抽油機這種無線數據采集技術還可以對抽油機多種數據進行分析，例如油壓、套壓、回壓、功率，電流等，并且可以根據這些數據作出圖像，全面地進行比較權衡，選出最優秀的方案。以上都是對抽油機系統軟件方面的分析和介紹。對抽油機的硬件方面也有很高的要求。例如，抽油機是在油田工作，屬于露天狀況，在自然情況下，大自然的陰晴雨雪會影響抽油機的工作，所以抽油機要從抗干擾、溫漂、穩定性、可靠性等方面進行設計。與此同時，由于制造抽油機的成本較高，有些不法分子會對抽油機打歪主意，因此抽油機的設計要防盜、防破壞。抽油機采集系統的運行是非常嚴密的，它主要由3個階段構成。最基本的階段是前端信號采集模板，主要負責前端信號的采集收集及簡單處理，通過簡單的處理后再傳送給數字隔離模塊，再通過中間一系列復雜步驟，最后傳送到控制及主站顯示。

1.2 大數據背景下，數據采集系統的設計模式

數據采集系統大概由第一層控制中心、第二層工作站、巡檢儀、傳感器及各個生產區組成。低層控制中心屬于生產管理級，第二層工作站屬于監控級，而生產區巡檢儀和傳感器一些小部件是在過程控制中起作用，所以說巡檢儀、傳感器、生產區屬于過程控制級。這里最基本的就是各個生產區，因為抽油機都是在各個生產區中工作。這3個部分構成了油井生產管理，并且此系統是分層控制結構的系統。這個系統通過控制多個控制卡及其子系統模板組成的過程裝置控制級來間接掌握信息，傳送數據。大概的分層結構如下：各個生產區產生的數據通過巡檢儀傳送到第二層工作站的過程就是監控級，而生產區將數據傳送到傳感器和巡檢儀的過程為過程控制級，扮演監控級的第二層工作站可同時管理巡檢儀和傳感器2個部分，收到的數據通過第二層工作站簡單處理即可通過網絡傳送到第一層中心控制室。每個油田都會有他自己獨立的網絡系統和布線系統，這個網絡系統不同于平常我們使用的網絡系統，它只應用于油田數據的傳送，這就增加了數據傳送的安全性，通過此網絡系統，可直接將油田產生的數據發送到企業部門或者相關的管理部門。此過程雖較為繁瑣，但卻有條不紊。

2 抽油機數據采集系統的運行

抽油機數據采集系統的運行正如其設計原理一樣，都是層層進行、步步傳遞，離不開過程控制級、監控級及生產管理級這3個層次方面。抽油機數據采集系統包括油井數據的采集器、中間過程的傳感器、巡檢儀等元件，還包括第二層工作站及第一層中心控制系統，數據采集系統的運行需要這3個部分都毫無差錯地進行，中間任意步驟出現差錯都會造成抽油機采集數據的缺失和差錯，帶來極大的麻煩，甚至造成重大的經濟損失，同時還有可能對自然環境造成傷害。所以，在抽油機數據采集系統的運行過程中要認真謹慎地對待每個過程、每個流程，一絲不茍地對待每個數據。同時，在運行過程中要嚴格按照采集系統的應有順序去實行，不可任意顛倒實行順序。

2.1 大數據背景下，數據采集系統的運行機理

抽油機的數據采集系統可以控制抽油機的運行，控制抽油機的生產，也能控制抽油機的運轉，同時還能監控抽油機的運行數據及運行狀況。抽油機的數據采集系統利用計算機網絡獲取數據，其運行及功能主要是靠系統主機、過程機及其自身的直接數字控制。同時數據采集系統還包括多個子系統，如上文所述，它的各個子系統之間都有獨立的網絡系統，互不干擾，互不影響，獨立運轉。此外，此數據采集系統還有空抽控制的功能，這個功能不僅可以節約大量的能量，還可以延長抽油機的使用壽命，為國家節省大量的資源。抽油機數據采集系統主要在報表、數據及綜合運用等功能模塊發揮它最大的作用。數據采集系統通過信息采集網絡化和數字化，擴大數據采集的覆蓋范圍，提高審核工作的全面性、及時性和準確性，這也是油田工作數據如此之嚴密的原因。與此同時，數據采集系統擁有各種智能儀表和各種傳感器、控制器，其中傳感器和各種智能儀表構成了數據采集系統的測量控制級，而控制器構成了油田的生產系統操作級，有的生產操作級不利用控制器而是選擇PCL為核心下位機，與其相對應的，同時具有網絡功能的上位機便為數據采集系統的監控級做出貢獻。這些控制級別相互關聯，又同時與監測站相連，層層相連，步驟嚴密。

2.2 大數據背景下，數據采集系統的運行優點

抽油機數據采集系統的作用巨大，一個關鍵的作用就是通過對系統數據的設定。在抽油機運行時，上下載荷出現超限低限的問題都會自動停機，從而保證抽油機井的安全生產，避免不必要的損失。還有一個關鍵作用是抽油機的系統可靠性，想要提高系統的可靠性，就要提高系統設備的性能和安全，而要提高系統設備的性能和安全，就要了解該系統的一些儀器的實際指標，包括溫度、流量，其中最重要的是壓力。這些壓力、溫度和流量的值會被設備的采集和傳感器作為電信號所讀取。而壓力測量的信號采集大多采用應變式壓力傳感器，這種傳感器的精度較高，一般在0.2%～0.3%，電壓一般控制在0～5 V。至于溫度，數據采集系統一般會采用半導體集成溫度傳感器AD59kh，此傳感器是美國的AD公司所設計生產的，這款溫度的傳感器會輸出標準化的線性電流，這些線性電流又會轉化為電信號被傳感器所讀取，取出其中電流的脈沖信號，將電信號數字化，變為人們可理解的數據。由上可知，我們通過減少非正常電信號對設備的線性電流脈沖信號沖擊，來減少系統的硬件損失，延長硬件的使用壽命。此外，抽油機的數據采集系統會有數字I/O隔離模板，使得傳感器將模擬信號變換成數字信號，變為數字信號后就可以在電腦上被CPU收集和處理，A/D轉換為12位精度的轉換模板。有了這個處理，就可以避免電流轉換的輸送單元與強電流直接相觸，強電流直接入侵Al模板，而損壞Al模板造成故障，這樣中間的電信號沒有被數字化，導致很多負責收集的控制級主站出現收不到數據信號的現象。

參 考 文 獻

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[2]劉殿軍，管翠翠.油田自動化系統中的油井監控技術應用分析[J].中國石油和化工標準與質量，2017，37（9）：172-173.

[3]劉同錄.基于DCS原理設計的抽油機數據采集系統[J].現代電子技術，2009（18）.

[責任編輯：鐘聲賢]