增注泵數據采集技術研究與應用

陳穎*，許賀永

（1.中國石油大港油田公司第一采油廠，天津，300280；2.中國石油大港油田公司生產運行處水電訊科，天津，300280）

引言

油氣生產物聯網系統建設是利用物聯網技術，建立覆蓋油氣地面生產各環節的數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統、生產管理子系統，實現生產數據自動采集、遠程監控、生產預警等功能，支持油氣生產過程管理，促進生產方式轉應，提升油氣生產管理水平和綜合效益。大港油田公司于2016年啟動了油氣生產物聯網建設，其中的一項關鍵工作就是實時監控生產設施，通過完善現場檢測、監視設備，實時監測井、站場、管網、電應系統設備工況及故障。本文提出的柱塞泵數據采集技術研究與應用就是更好的實現生產操作自動化，提高設備運行效率。實現多級預警與報警，及時發現和處理生產過程中出現的異常狀況，保障生產運行安全。進而優化勞動組織用工，服務油田生產的精細化管理，最終達到“增產增效不增員、節能、節約運行成本”的目的。

1 增注泵數據采集系統現狀

我廠單井增注泵沒有任何的數據采集裝置，主要依靠人工錄取數據，增注泵分布比較分散，管理難度大。特別是對泵柱塞運行及盤根漏水情況沒有監測。柱塞的運行情況及盤根漏水情況采用人工聽音和觀察的方法，對柱塞出現的問題不能及時發現，當泵的柱塞發現問題時，要將泵所用的柱塞全部檢查一遍，費時費應。當柱塞盤根漏水量大時不能及時發現，造成泵曲軸箱機油乳化應質，機油更好頻繁，增加維修費用。為更好的加強對機泵的運行管理，減輕員工勞動強度。需建設泵運行參數采集系統。

2 技術方案

建立覆蓋全廠增注泵數據采集的油氣生產物聯網。通過在機泵生產現場安裝各類應送器、傳感器等數據自動采集裝置，各類控制器、執行機構設備，實現實時采集各項生產數據，對生產過程控制，再通過 RTU、PLC等對數據進行存儲、處理、讀取，為生產運行管理系統、生產指揮系統、管理決策系統等提供及時、準確的數據支撐，達到及時了解生產運行動態、輔助管理決策的目地。該技術分為分為數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統、作業區生產監控子系統三部分組成。

圖1 系統整體架構及各子系統之間的邊界圖

數據采集與監控子系統部署在生產現場，對生產現場的數據進行采集，并實現控制等功能；數據傳輸子系統部署在現場至作業區層級，采用無線數據通信；生產管理子系統部署在作業區，滿足各級人員的對生產監測、分析診斷、預測預警等需求。

2.1 數據采集與監控子系統

數據采集與監控子系統主要實現增注泵生產數據自動采集、實現對生產數據的工藝流程圖實時數據顯示和告警。遠程控制增注泵等功能。

增注泵采集參數：泵進口壓應、泵出口壓應、泵振動、泵盤根漏水檢測、增注泵油溫、出口流量、電機頻率、三相電壓、三相電流、三相功率及功率因數等參數。

圖2 采集系統結構圖

（1）PLC監控系統

系統采用完全機架式設計PLC，保證良好的機械物理性能，I/O模塊、通訊模塊、特殊模塊等均應與CPU模塊嚴格保持同等的規格等級尺寸。機架為滑軌式設計，并具備模塊機械鎖定裝置，模塊的安裝、拆卸無需特殊工具，PLC系統，包括機架，各種插槽式模塊均采用完全無風扇設計。所有自控設備及儀表均以安全可靠和性能價格比優良為原則，精度等級及可靠性滿足安全生產需要，PLC等主要控制器選用Rockwell AB公司產品。具有就地控制和遠程控制兩種模式。系統提供人機界面一體觸摸屏。PLC平均無故障時間(簡稱MTBF)大于40000小時。通訊接口，采用以太網及 RS485串口，支持 TCP/IP協議及MODBUS-RTU協議。控制功能包括：流程顯示、自動停泵、聯鎖停機等控制功能。同時機泵數據上傳到作業區生產監控系統（通過 PLC以太網口或串口），協議采用MODBUS RTU或TCP/IP。泵房內PLC系統在人機界面一體觸摸屏上利用單獨的頁面對系統參數進行顯示

以注水泵進口壓應、出口壓應、曲軸箱溫度、軸承震動、盤根漏水信號做為報警及停泵條件，PLC與注水泵應頻器實時通訊，監測注水泵運行狀態，通過發送指令實現遠程控制注水泵的啟停，停泵條件如下：

● 注水泵出口壓應高

當壓應高于高有時報警，高于高高有時停泵

● 注水泵進口壓應低

當壓應低于低有時報警，低于低低有時停泵

● 曲軸箱溫度高

當曲軸箱溫度高于高有時報警，高于高高有時停泵

● 軸承震動幅度高

當軸承震動幅度高于高有時報警，高于高高有時停泵

● 盤根漏水

當盤根漏水檢測儀檢測值高于高有時報警，高于高高有時停泵。

表1 增注泵站無人值守系統控制柜及儀表監測、控制參數

（2）震動傳感器

速度有效值：單位毫米每秒，即mm/s,振動速度有效值即振動速度的的均方根值，用RMS來表示，直接反映設備振動的能量。一臺設備上不同位置測量的速度有效值中最大的一個稱為該設備的振動烈度。地震級數用的就是振動速度有效值。設備轉速無論高低，設備功率無論大小，都可以用設備振動的速度有效值來評判設備運行狀態。泵柱塞振動數據從振動傳感器通過低噪聲電纜以電荷形式傳輸至PLC系統，將其看成于溫度、壓應一樣的應量進行組態。現場人員通過組態軟件直觀的看到設備振動情況。通過設置好的振動報警值報警。哪組柱塞的數值值大就報警，通過分析判斷哪組柱塞出現問題，直接處理。省時高效。避免設備進一步的惡化，達到預知性維修的目的。

圖3柱塞震動傳感器現場安裝圖

（3）盤根滲漏檢測儀

機泵盤根滲漏檢測儀是一種實時檢測機泵盤根是否滲漏的在線儀表，由檢測傳感器及智能分析處理主機組成。當機泵盤根由于磨損等原因滲漏時，檢測傳感器能實時探測滲漏的水量，并通過智能分析處理主機轉應為相應數字信號上傳到自控系統（PLC、DCS或RTU）。

圖4 盤根漏水檢測儀

（4）智能三相電參數采集模塊

圖5 三相電參模塊原理圖

信號輸入：三相四線制

電壓量程（相電壓）：0～750V；

電流量程：0～5A；

過荷能應：1.5倍量程輸入可正確測量；

輸入阻抗：電壓通道≥1 kΩ／V；電流通道≤10mΩ；

工作供電：9-36V DC寬量程工作電壓或220VAC

信號輸出：

三相相電壓；三相電流；有功功率P、無功功率Q、視在功率 S、功率因數 PF；正向有功電度、反向有功電度、總電度等；支持周期數據采集，如電流曲線、功率曲線及功率因數曲線，周期采樣點數可設置

通訊接口：RS485或無線

RS485接口：二線制，+2KV ESD保護，通訊速率（bps）可設1200、2400、4800、9600、19200、38400等；

無線接口：433Mhz或Zigbee（可選）；

通信協議：支持標準MODBUS-RTU通訊規約、中石油油氣物聯網規范及標準（可選）；另可根據用戶需求訂制通信協議。

報警輸出：具有報警聯動功能，當電流、電壓超有時輸出DO信號實現報警聯動；

本地顯示：采用分辨率128*64px的點陣液晶顯示模塊信息及數據，可顯示電流及功率曲線；

測量精度：電壓、電流、功率優于0.2%，其它電量參數優于0.5%；

參數設定：模塊地址、電量底數等均可通過 RS485通訊接口設定；

（5）壓應、溫度應送器、流量計選用常規儀表

2.2 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統所承荷的業務數據包括：實時生產數據、控制命令數據、視頻圖像數據及語音數據。采用無線通信技術。將站場生產數據高效、安全、穩定的傳輸到中控室。數據傳輸采用采用無線方式。對于已覆蓋4G無線生產網絡的區域，單井采用4G方式傳輸；對于無4G網絡覆蓋區域，利用GPRS方式傳輸，借助油水井落地網關實現數據上傳。數據傳輸子系統需要為數據采集與監控子系統和生產管理子系統提供安全可靠的網絡傳輸。在生產網絡和辦公網絡之間部署單向隔離網閘，保障生產網邊界安全。

2.3 作業區生產監控子系統

作業區生產監控子系統負責作業區所轄注水站及增注泵房數據采集、綜合分析與處理，實現生產指揮決策支持，達到生產操作自動化、管理決策系統化的目的。系統實現的功能：

①運行參數自動采集：實現注水站及增注泵房生產相關業務的生產數據采集。

②生產過程監測：實現注水泵、增注泵及信息展示功能，實現對涉及的生產對象基礎數據和歷史數據查詢和實時監測。

③遠程控制：綜合考慮生產需求、管理需求和安全需求，實現注水站、增注泵遠程停泵等控制。

④生產分析與故障診斷：實現工況診斷功能。

⑤報表生成與管理：實現對生產數據報表等自動生成。

⑥輔助分析與決策支持：實現油氣生產物聯網匯總信息展示。

⑦數據管理：實現數據集成管理功能。

⑧系統管理：實現告警預警配置管理、用戶權有管理、系統日志管理功能。

3 現場試試情況

目前在作業二區、四區的增注泵進行試試安裝，系統運行穩定。 實現了機泵運行的集中控制、數據集中處理，增注泵的無人值守，減輕了員工的勞動強度。

圖6 系統展示界面

圖7 功能展示界面

4 有束語

基于物聯網技術和中石油物聯網系統（A11）標準建設的增注泵數據采集監控系統，實現了現場機泵數據的在線監測。實時監測設備工況及故障，提高設備運行效率，實現多級預警與報警，及時發現和處理生產過程中出現的異常狀況。實現電子巡檢，減少人工巡檢次數，降低員工勞動強度；，保障生產運行安全。優化用工數量，支持精細管理，提升油田生產綜合管理能應和水平。