無線IO模塊在抽油機遠程啟停中的應用

何莉莉 駱明星 李春梅 李勇

摘 要：抽油機遠程啟停在油氣生產管理、井控管理、節能管理等方面發揮著重要作用。文章介紹了抽油機遠程啟停有線控制技術現狀及存在的問題，并針對存在的問題開展基于無線IO模塊的抽油機遠程啟停無線控制改造，化解了原有遠程啟停控制的挖溝布線、人力物力消耗、電纜損傷斷裂等一系列問題，極大提升了工程實施效率及系統靈活性，具有很好的應用性和推廣性。

關鍵詞：抽油機;遠程啟停;無線;IO模塊

0? ? 引言

受國際油價“斷崖式”下跌及新冠疫情雙重影響，石油開采企業的生產經營遭受極大沖擊。就目前來看，上游板塊處于且可能將在較長時期內都處于寒冬期。因此，充分利用信息化、自動化手段開展數字油田建設成為提升油氣生產本質安全、降低人力、物力、財力消耗的必由之路。近兩年，抽油機遠程啟停在油井生產管理、井控管理等方面作用明顯。但現場通過控制線纜實現控制信號傳輸的方式存在布線困難、施工效率低、成本高、維護不方便、故障查找難、靈活性差等缺陷，需要尋找更有效的解決方法。

1? ? 抽油機遠程啟停

1.1? 抽油機遠程啟停原理

抽油機遠程啟停是上位機軟件系統通過網絡發送指令，井口控制器執行指令，抽油機電氣部分執行動作實現抽油機遠程啟停，如圖1所示。

抽油機遠程啟停系統由啟停按鈕、井口控制器、交流接觸器、空氣開關、過載保護器、繼電器、變頻器、三相電參模塊等電氣元件組成控制系統。啟動按鈕與繼電器并接，可實現本地和遠程啟停控制。遠程啟/停原理：PCS（生產指揮系統）發送啟動指令—井口控制器執行控制指令—輸出繼電器信號—接觸器線圈得電/失電—接觸器主觸頭閉合/斷開—接觸器自鎖觸頭閉合/斷開—電機運轉/停轉[1]。

1.2? 抽油機遠程啟?，F狀及存在問題

截至目前，某廠已有274口機抽井實現了抽油機遠程啟停，在降低人工勞動強度、提高生產效率、保障安全生產、降低生產成本等方面應用效果明顯。

由于井口RTU控制柜安裝在井場變壓器旁，抽油機控制柜在位于井場中間的抽油機平臺上，RTU控制柜距離抽油機控制柜約有100 m。為確?？刂菩盘柕膫鬏?，從RTU控制柜到抽油機控制柜之間通過敷設8芯鎧裝電纜完成抽油機的遠程啟?？刂?。

隨著油田開發的深入，井場作業越來越多，重型機械、破土作業等導致電纜受傷、斷裂等現象頻繁;井場復墾導致電纜斷裂、位置改變導致電纜長度不夠;抽油機更換等造成了大量的重復勞動，人力、物力消耗巨大;更嚴重的是原本安全性、可靠性極高的有線控制方式變得不再安全可靠。

2? ? 無線模塊

無線模塊（RF Wireless Module），是數字數傳電臺（Digital Radio）的模塊化產品，是利用無線電技術實現的高性能專業數據傳輸模塊。無線模塊延伸到很多的系統中，工業控制的開關量IO（輸入/輸出）設備，模擬量采集和控制設備。

常見的無線模塊可以分為3類：（1）ASK超外差模塊，主要用在簡單的遙控和數據傳送。（2）無線收發模塊，主要用于通過單片機控制無線收發數據，一般為FSK，GFSK調制模式。（3）無線傳輸模塊，主要用于直接通過串口來收發數據，使用簡單。常見工作頻率有230 MHz，315 MHz，? ? ? ?433 MHz，2.4 GHz等[2]。

433 MHz是我國的免申請發射、接收頻率，可直接使用不需要管理。433 MHz頻段抗干擾強，并支持各種點對點，一點對多點的無線數據通信方式，具有收發一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩定可靠、功率大、可長距離傳輸等特點。

2.1? 無線傳輸與有線通信對比

（1）節約成本，施工效率高。有線通信方式的建立必須架設電纜，或開挖電纜溝，故需要大量的人力和物力;而用無線數據傳輸方式則無須架設電纜或挖掘電纜溝，只需在每個終端連接無線模塊和架設適當高度的天線即可。相比之下用無線模塊建立專用無線數據傳輸方式，節省了人力物力，投資更少。

（2）強適應性。有線通信的局限性太大，在遇到一些特殊的應用環境，比如遇到山地、湖泊、林區等特殊的地理環境或移動物體等布線較困難的應用環境時，對有線網絡的布線工程有著極大的制約，而用無線模塊建立專用無線數據傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線模塊建立專用無線數據傳輸方式將比有線通信有更好的更廣泛的適應性，幾乎不受地理環境限制。

（3）易維護性。有線通信鏈路的維護需沿線路檢查，出現故障時，一般很難及時找出故障點，而采用無線模塊建立專用無線數據傳輸方式只需維護傳輸模塊，出現故障時則能快速找出原因，恢復線路正常運行。

3? ? 實現方案

3.1? 抽油機遠程啟停無線控制設計思路

在原來的抽油機遠程啟停系統的基礎上，PCS平臺保持不變，RTU控制部分保持不變，通過一對無線IO模塊替換RTU控制柜至抽油機控制柜之間的8芯鎧裝電纜（圖2中虛線圈內線纜），實現無線啟停。即在井場RTU控制柜內增加一個無線IO模塊1，在抽油機控制箱內增加一個無線IO模塊2，模塊1的sw1與模塊2的sw2始終保持一致，如圖2所示。

3.2? 抽油機遠程啟停無線控制原理

在PCS上點擊“啟動/停止”按鈕，PCS服務器收到指令后下發指令，通過VPDN專網，傳達到現場DTU，DTU解析后轉發給RTU，RTU在指定端口下發啟/停DO信號至無線模塊，模塊經調制發送啟/停信號;啟動柜接收端無線模塊接收信號，解調出啟/停DO信號，經連接啟動柜啟/停按鈕的交流電磁接觸器放大后，將DO信號轉變成對啟/停按鈕的通斷信號，完成對抽油機電機的啟/?？刂疲瑢崿F抽油機的遠程啟停。

3.3? 無線IO模塊選擇

此次，實驗選擇了具有工業級品質的無線IO模塊，用于開關量信號的無線傳輸及控制，其嵌入高速單片機并采用最新高性能射頻芯片，采用可靠的傳輸機制，發射功率最大500 mw，可視環境下通信距離可達2 700 m以上。用于代替有線的開關量傳輸。本次選擇的無線IO模塊支持4路開關量輸入、輸出，可與其他多路開關量產品配合使用。

4? ? 應用效果

抽油機遠程啟停有線控制現場施工需要在井場挖溝布線（長約100 m，深不低于0.8 m），需4人，安裝調試需2人，1天。

基于無線IO模塊的抽油機遠程啟停首次在AT1-8井試驗成功，2人安裝調試僅用了0.5天，測試運行效果良好。目前，某采油廠共有102口井的抽油機遠程啟停使用了該無線控制技術，全部安裝調試完成僅用了51天，經過90天的試運行，故障率零，運行效果良好。

5? ? 結語

與有線控制相比，無線控制因施工時無須挖溝布線，不僅可以大大節約人工成本，還可以避免因井場施工等造成線纜受損導致的遠程控制失效，確保了遠程控制系統的穩定可靠;當某口井因復墾、長停等原因不再需要抽油機遠程控制時，還可將該套設備快速遷移至其他井場使用，實現資源的合理利用和盤活，抽油機遠程啟停無線控制更具優勢。

無線IO模塊可實現一對一、一對多、多對一、多對多的靈活配置;可與無線中繼器配合使用，實現無線傳輸的多級轉發，延展傳輸距離;可與無線RTU配合使用，在遠程對無線IO模塊進行控制。輸出通道與模塊核心控制單元電氣隔離，抗干擾能力強。因此，無線IO模塊不僅可以用于抽油機遠程啟停無線控制，同樣可以用于油井生產現場的其他自動化建設，搭建強大的工業無線網絡，可推廣性極強。

[參考文獻]

[1]韓江，黃烽耘，田源.抽油機遠程啟停控制分析及實踐探討[J].中國管理信息化，2019（14）：71-72.

[2]高青云.基于43Mhz頻段無線模塊和wifi技術的無線點菜系統[D].北京：北京郵電大學，2012.

（編輯 姚 鑫）