抽油機盤根盒漏油報警系統的研制和應用

楊毅　姚江龍　柏宗憲　李兵

摘 要：本文設計了一款抽油機盤根盒漏油報警系統，對油田帶盤根設備進行智能監測，同時借助物聯網技術，將智能平臺收集的設備運行信息進行遠程傳輸。利用該裝置可減少現場員工的監測工作量，降低設備在惡劣天氣下因人工巡檢不及時可能引發的安全事故。通過實時監測設備的各項運行參數并設定報警值，可有效降低設備的故障發生率。

關鍵詞：設備盤根;物聯網;智能控制平臺;監測;報警;遠程控制

中圖分類號：ET46文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0040-03

Development and Application of Oil-spill Alarm System for the

Root Box of Oil Pumping Unit

YANG Yi YAO Jianglong BAI Zongxian LI Bing

（Operation Area of Nanpu Oilfield， Jidong Oilfield Company of CNPC，Tangshan Hebei 063200）

Abstract： In this paper， an oil leakage alarm system of pumping unit packing box is designed， which can intelligently monitor the equipment with packing in the oil field. At the same time， with the help of Internet of things technology， the equipment operation information collected by the intelligent platform can be remotely transmitted. The use of the device could reduce the monitoring workload of field staff and reduce the safety accidents that may be caused by manual inspection in bad weather. By monitoring the operation parameters of the equipment in real time and setting the alarm value， the failure rate of the equipment can be effectively reduced.

Keywords： equipment packing; internet of things; intelligent control platform; monitoring;alarm; remote control

抽油機是油田生產的重要設備，其作用是通過抽油桿連接抽油泵，將深埋于地下幾千米的原油抽出地面、流入生產管線。其中，盤根盒用來密封抽油桿，防止地下原油流淌到地面。由于現場存在抽油桿偏斜、表面毛刺、產出液不均勻、油稠等諸多復雜情況，導致盤根盒密封效果不理想，經常出現漏油的情況。如果盤根盒漏油發現不及時，不但增加清潔工作量，而且光桿運動會進一步對盤根盒造成損壞，井筒內壓力不斷從盤根盒釋放出來，導致盤根盒出現刺漏現象，最終引發大面積污染。從各油田對抽油機盤根盒漏油的監控方法來看，目前主要依靠采油工現場巡井發現抽油機盤根盒漏油現象。由于采油工巡井受巡井時間的限制，因此，很難在盤根盒漏油初期發現問題并采取措施。此外，在夜間發生盤根盒漏油時，如果巡井時未對油井進行近距離巡檢，也很難發現盤根盒漏油現象。因此，有必要研制抽油機盤根盒漏油自動報警裝置，以解決員工巡檢強度大的問題，同時彌補現階段有效監測技術的空白。

1 系統方案研究與分析

對油井盤根盒發生滲漏進行分析可發現，發生滲漏的油井中含水量比較大，占生產油井總數的95%以上，尤其是在油田發展的中后期。因此，針對高含水油井盤根盒漏油的監測是重點研究對象。首先，對滲漏介質進行分析可知，高含水井的產出液中，原油具備高阻態，一般不具備導電性，而產出的水則具有良好的導電性，因此，可以利用水的導電性實現對盤根盒漏油的監測。其次，需要考慮雨雪天氣對系統信號的干擾和影響。如果持續下雨，會導致報警裝置誤報，減少電池的使用壽命，由此，可通過軟件設定判斷程序，外加雨滴傳感器的聯鎖設置，規避誤報警。

2 系統組成、外觀及工作原理

2.1 系統組成

抽油機盤根盒漏油報警系統主要由主控電路、雙聯電路、雨滴感應器、雙絲導電環、PC上位機等部分組成。其中，主控電路包含單片機處理器、聲光報警器、通信模塊、晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor-Logic，TTL）采集電路、短信息報警電路和存儲擴展電路;雙聯電路包含9 V直流電源、門電路和直流電源芯片，直流電源芯片為主電路提供5 V直流電壓，門電路與雨滴感應器和雙絲導電環相連接，雙絲導電環和雨滴感應器均為常開電路。雙絲導電環和所述雨滴感應器通過門電路與TTL采集電路相連接[1]。

2.2 外觀部分

為了使報警器外殼方便拆裝，研究者將其設計成弧狀，并采用3D打印技術打印完成，且內嵌磁扣，以方便吸附在盤根盒壓蓋上（見圖1）。

漏油感應板由兩條相互交錯且不相交的銅皮貼附于塑料板上，且該塑料板不能完全閉合，以方便在現場安裝時，能夠穿過光桿，放置于盤根盒壓蓋上端（如圖2所示）。

2.3 抽油機盤根盒漏油報警系統的工作原理

抽油機盤根盒漏油報警系統的工作原理如圖3所示。該系統在工作時，雨滴感應器和雙絲導電環均為常開觸點，在盤根盒發生滲漏時，因為油水為導電介質，雙絲導電環接通，為高電平，雨滴感應器斷路，為低電平，TTL采集電路通過門電路采集高電平的電壓信號，并發送給單片機處理器，單片機處理器立即驅動聲光報警器工作，并通過通信模塊發送報警短信息，同時將信息傳到上位機，以便后續的數據處理工作。在雨雪天氣情況下，雨滴感應器和雙絲導電環的線路同時被接通，門電路對兩個高電平轉換成低電平，TTL采集電路采集到的門電路為低電平的電壓信號，發送給單片機處理器，單片機處理器無法驅動聲光報警器工作，減少了盤根盒漏油的誤報，確保了抽油機盤根盒漏油器報警信息的準確率[2]。

3 硬件電路設計

圖4為系統硬件原理圖。該系統以AT89C2051[2 KB可重編程FLASH存儲器（10 000次），2級程序存儲器保密鎖定，15條可編程I/O線，6個中斷源，高精度電壓比較器，直接驅動LED的輸出端口，和MCS-51產品兼容]為核心，外擴一片AT24C256（可編程只讀存儲器，8引腳雙排直插式封裝，內部可組成32 K×8存儲單元，2線串行接口，雙向數據傳送協議，硬件寫保護引腳和軟件數據保護功能，12C總線方式，32KEEPROM），增加數據在斷電情況下長時間保存的功能，利用門電路連接雙絲導電環和雨滴傳感器，通過單片機P1.1進行信號采集，利用單片機的串口連接4G通信模塊，實現測試系統與上位機的串行通信。受井口直徑較小（一般為10～15 cm）的條件限制，研究者最終將電路板做成3 cm×3.5 cm，以達到小型化要求[3]。

4 軟件設計

4.1 下位機程序設計

下位機程序采用Keil uVision4編寫，其主要任務是控制并協調電路中各部分正常有序工作。具體包括初始化、接受上位機命令、采樣處理保存數據并與上位機通信等四部分。由于系統對采樣速率要求不是很高，故對采樣間隔采用循環查詢方式，在一個時間段對兩個通道進行十次采樣，存入存儲模塊。由于下位機與上位機采用4G模塊的通信連接方式，通過數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）實現4G與max232的轉換，故規定其通信協議為：采用TCP/IP協議棧、通過DTU連接到固定的公網IP端口的服務器;發送數據進行網絡通信;數據按字符的形式傳送;可設置自動發送數據和設置自動發送數據的時間間隔。這樣既保證了數據傳輸的正確率，又提高了傳輸速率[4]。

4.2 上位機程序設計

上位機程序采用面向對象的C#程序設計語言編寫，操作界面簡單，符合現場要求，針對性強[5]。程序的主要任務是與下位機通信，并將下位機回傳的數據進行后期處理和報表制作，包括初始化、發送、接收、數據庫、報表制作和繪圖等功能模塊。系統采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）模式，如圖5所示，建立在廣域網之上，適應范圍廣，只要有操作系統和瀏覽器就可以操作，維護成本低，模塊兼容性強，軟件版本與客戶端操作系統無關，軟件可跨平臺使用。操作人員可以通過手機或者瀏覽器登錄Web服務端對數據庫進行訪問，查看相關運行數據，實現對現場抽油機井盤根盒狀態的監測和故障預警的功能。

5 效果分析

抽油機盤根盒漏油報警系統研制成功后，在南堡油田作業區采油五區試用，效果良好。一年多以來，未因盤根漏油而產生污染賠償費用。報警裝置整體設計結構緊湊，價格低廉，且容易安裝與拆卸。抽油機盤根盒漏油報警器，通過油水介質導電的特性，通過采集傳感器信號，利用單片機對數據的處理和發送，實現對盤根滲漏的實時監測，達到減輕工作負擔和防止環境污染的目的。

參考文獻：

[1]何立民.單片機應用技術選編[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004：12.

[2]范力旻.單片機原理及應用技術[M].北京：電子工業出版社，2009：56.

[3]李琬瑩.淺談物聯網技術在油田中的應用[J].中國管理信息化，2016（1）：66-67.

[4]高國忠，劉敬東，孫彥輝.物聯網技術在油田生產中的應用研究[J].科技風，2014（13）：270.

[5]艾明祥.關于單片機在溫濕測控技術中的應用研究[J].電子世界，2021（5）：61-62.