基于窄帶物聯網的抽油機遠程監控系統設計

陳鴻龍， 林 凱， 李 哲， 代天驕， 孫 良

（中國石油大學（華東）控制科學與工程學院，山東青島266580）

0 引 言

近年來物聯網（Internet of Things，IoTs）技術的發展日新月異，取得了許多重大突破并得到了廣泛應用［1］。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）［2-4］是一種專為萬物互聯打造的蜂窩網絡連接技術，已經成為低功耗廣域網的重要成員。NB-IoT所占用的帶寬很窄，而且其使用授權頻段可與現有的移動網絡共存，部署成本低。NB-IoT 具有覆蓋廣、大連接、低功耗、低成本、低速率和低移動性等特點［5］，得到了全球主流運營商和設備商的青睞，并且廣泛應用于不同的垂直行業，如智慧停車［6］、智慧城市［7］、智慧校園［8］以及石油石化［9］等。

石油是現代工業社會最重要的原料，也是國家不可或缺的戰略資源，目前我國累計探明地質石油儲量近400 億t。抽油機是石油開采的常用設備［10］，可分為游梁式抽油機（俗稱“磕頭機”）和無游梁式抽油機。作為耗能大戶，抽油機的用電量約占油田總用電量的40%，因此，保障抽油機正常運轉以及提高抽油機運行效率具有非常重要的意義。然而，石油分布的特殊性使得抽油機通常工作在復雜多變的野外環境，其運行狀態容易受諸多因素影響。因此，抽油機工作狀態的實時監控面臨重大挑戰，尤其是對抽油機故障的有效檢測、診斷及排除，處理不當容易造成巨大的經濟損失、資源浪費和環境破壞。

本文所設計的實驗系統［11-13］將NB-IoT 技術應用在抽油機的遠程監控過程，通過對抽油機裝置運行狀況的參數采集、數據處理、NB-IoT 網絡通信以及本地PLC控制和上位機的監控，實現對抽油機運行狀況的遠程監控和抽油機電機轉速的遠程控制。

1 游梁式抽油機工作原理

游梁式抽油機是我國油田目前主要使用的抽油機類型之一，如圖1 所示。游梁式抽油機主要由驢頭-游梁-連桿-曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝置四大部分組成。游梁式抽油機在工作時，其電動機的轉動經變速箱、曲柄連桿機構變換成驢頭的上下運動，驢頭經光桿、抽油桿帶動井下抽油泵的柱塞做上下運動，進而把井下的原油抽出井筒。

抽油機運行過程中，其懸點載荷與懸點位移之間的關系曲線稱為示功圖［14］。示功圖是了解抽油機、抽油桿和抽油泵工作狀況好壞的一個主要手段。在理想的工作環境中，抽油機的示功圖近似于平行四邊形。抽油機工作過程中的一些異常現象可以在示功圖上直觀反映出來，結合相關資料，還可以進一步分析判斷抽油設備與油層和原油性質是否適應，同時還可以對低產、低能油井指定合理的開關井時間，減少設備磨損和電能浪費。因此，對示功圖的實時監測，是對抽油機運行狀況監測和故障檢測及診斷的基礎。

2 監控系統設計

基于NB-IoT的抽油機遠程監控實驗系統總體結構如圖2 所示。該系統主要由以下五部分組成：抽油機裝置、Modicon M340 PLC［15］控制器、CVT-IOT-S5PX系統及NB-IoT節點、云端服務器和上位機。

圖2 基于NB-IoT的抽油機遠程監控系統總體結構示意圖

（1）抽油機裝置和Modicon M340 PLC 控制器。如圖3 所示，我校施耐德電氣聯合實驗室配備了8 套抽油機裝置和Modicon M340 PLC 控制器。抽油機裝置上裝有3 個傳感器（電動機轉速傳感器、載荷傳感器和位移傳感器）和一個變頻器。Modicon M340 PLC則是一款高性能中型PLC，來自于施耐德電氣公司，其CPU模塊集成了USB口且內置兩個通信接口，便于與NB-IoT節點進行數據交換。電動機轉速傳感器、載荷傳感器和位移傳感器分別通過數字和模擬輸入通道連接到Modicon M340 PLC，由Modicon M340 PLC讀取電動機轉速、載荷和位移。同時，Modicon M340 PLC 還可通過數字量輸出通道和變頻器對電動機轉速進行控制。

圖3 實驗室中的抽油機裝置和Modicon M340 PLC

（2）CVT-IOT-S5PX系統及NB-IoT節點和云端服務器。CVT-IOT-S5PX是武漢創維特信息技術有限公司開發的物聯網教學實驗系統，目前實驗室擁有23 套該實驗設備。如圖4 所示，下方為CVT-IOT-S5PX 實驗系統；上方為平臺內置的NB-IoT節點。在該實驗系統中，NB-IoT 節點與Modicon M340 通過USB 接口建立有線連接，進行雙向通信。NB-IoT 節點則通過NBIoT網絡（窄帶物聯網移動基站）實現與云端服務器的無線通信，并與之進行數據交換。

圖4 CVT-IOT-S5PX實驗系統及NB-IoT節點

（3）上位機部分。本實驗系統基于LabVIEW 軟件開發上位機遠程監控系統。上位機通過網絡連接，獲取NB-IoT云端服務器中的抽油機運行參數，即電動機轉速、載荷和位移，并將上述參數進行實時曲線顯示。圖5 所示為本實驗系統設計的上位機軟件界面，可見，上位機能夠實現抽油機裝置參數曲線的實時顯示，還可對電動機的轉速、正反轉以及相關的PID參數進行相應的設置，進而實現對抽油機的遠程控制。

圖5 抽油機遠程監控上位機軟件界面

本文所設計的基于NB-IoT 的抽油機遠程監控實驗系統工作過程如下：Modicon M340 PLC 通過模擬量輸入通道采集抽油機裝置的載荷和位移兩個參數數據，通過數字量輸入通道采集抽油機裝置的電動機轉速數據，其中，作為Modicon M340 PLC 本地的PID 控制器的測量值，電動機轉速參數用于控制抽油機裝置中電動機的轉速；Modicon M340 PLC通過USB接口將采集到的3 個參數值實時傳輸給CVT-IOT-S5PX 平臺中的NB-IoT 節點；NB-IoT 節點通過NB-IoT 網絡（窄帶物聯網移動基站）將接收到的3 個參數的實時數據發送給云端服務器；上位機通過網絡連接獲取云端服務器中的參數實時數據；上位機繪制并顯示接收到的載荷、位移和轉速的實時數據，操作人員根據收到的參數值分析抽油機裝置的運行狀態，并判斷是否需要調整電動機轉速以及相關的PID 參數。若需要調整，則將電動機轉速的給定值及PID參數通過上位機發送給云端服務器；云端服務器將接收到的數據通過NB-IoT網絡發送給NB-IoT 節點；NB-IoT 節點通過USB 接口將電動機轉速給定值以及PID 參數轉發給Modicon M340 PLC；Modicon M340 PLC將接收到的轉速值作為PID控制器的給定值，并對PID 的參數進行相應的調整，Modicon M340 PLC通過數字量輸出通道將PID 控制器的操縱值輸出給變頻器，通過控制電機的頻率實現對抽油機裝置的電動機轉速的控制。

3 監控實驗系統的教學應用

目前，我校自動化本科專業每個年級共有5 個班，約120 名學生。我校開設的“專業綜合實驗”課程，面向自動化專業的四年級學生，為期4 周。本文所設計的基于NB-IoT的抽油機遠程監控實驗系統可服務于《專業綜合實驗》課程。此外，我校自動化和測控技術與儀器兩個專業開設了適用于三年級學生的專業選修課“無線傳感網絡”和“物聯網控制技術”，本文所設計的實驗系統同樣可以在這兩門課的物聯網網絡實驗中發揮作用，有助于學生更深層次地理解和掌握物聯網的框架結構、關鍵技術以及其在石油相關領域的實際應用。

4 結 語

本文設計了一套基于NB-IoT 的抽油機遠程監控系統，通過對抽油機裝置運行狀況的參數采集、數據處理、NB-IoT網絡通信以及本地PLC控制和上位機的監控，實現對抽油機運行狀況的遠程監控和抽油機電機轉速的遠程控制。基于該實驗系統的相關課程學習和實驗，能夠讓學生更深層次地掌握抽油機的工作原理，并且對物聯網技術、NB-IoT 技術、傳感技術和計算機控制技術等在自動化和石油石化相關領域中應用的認識和理解，有助于培養和提高學生針對復雜工程問題的創新意識和實踐能力，為學生將來步入自動化和石油石化相關領域工作崗位奠定基礎。