ACSM1在油田复式永磁电机抽油机上的应用

第一篇：ACSM1在油田复式永磁电机抽油机上的应用

ACSM1在油田复式永磁电机抽油机上的应用

复式永磁电机

抽油机

ACSM1

1引言

改革开放以来，我国工业总产值不断提高，但是能耗比却居高不下，高能耗比已成为制约我国经济发展的瓶颈，为达到可持续发展，必须坚持科学发展观，大力发展高技术产品。近两年国际石油价格也居高不下，国内石油需求也越来越高，供需矛盾也越来越突出，这就一方面对采油设备的效率提高了要求，另一方面也对采油设备的节能提出了更高的要求，这也适应我国当前节能减排的要求。现在石油行业的抽油机五花八门，应用最多的是游梁式的“磕头机”，复式永磁电机抽油机就是贵州航天林泉电机有限公司为满足节能减排、提高作业效率推出的一款新型采油机。该抽油机采用了ABB公司的ACSM1作为驱动器，提供了非常完美的解决方案。

2复式永磁电机介绍

复式永磁电机是复式永磁电机抽油机的核心部分，该电机是新型双盘面电机与外转子电机复合的三维永磁电机。结合变极变频、永磁新材料、盘面电机、外转子电机的优势，对电机的结构、材料以及加工工艺、控制系统进行了大胆的创新，与现有各种低速大扭矩盘式永磁电机相比，在同样体积下力矩可显著提高。

该复式永磁同步电机（见图1）具有24对极，额定转速只有25rpm，能够提供足够的转矩以驱动位能性，电机具有盘式外转子，负载可以直接接在转子上，没有了电机轴的概念，这就节省了减速箱等中间结构，提高了机械效率。

复式永磁电机用途广泛，世界上需要大量低速大力矩位置速度可控的伺服电机。尤其是在油田、化工、建筑、矿产等机械设备领域有着极其广阔的开发前景。

3复式永磁电机抽油机介绍

图2是复式永磁电机抽油机在油田上应用的实景图，左侧的抽油杆上下往复运动把原油抽到石油管道，右侧是抽油杆的配重用来节能，复式永磁同步电机在抽油机的顶部，由于是外转子电机，负载通过皮带直接连接到电机的转子上，这就可以节省机械传动中诸如减速机等中间环节，提高了机械效率。

图3是复式永磁电机抽油机的示意图，图中的接近开关起保护作用，当驱动器计算距离的误差累积运行到上下修正开关时系统能自动修正到原始位置继续运行，正常情况下配重只是在上下修正开关区间内运行。除了修正开关，上下还有两个极限开关，当配重碰到上下极限开关时候，为安全起见系统会紧急停车。由于系统是位能性负载，复式永磁电机还配备了电动刹车和手动刹

车，以保证系统停机或维护期间的安全。

复式永磁同步电机是一种新型的智能型的抽油机，经过一年多的在中原、大港、大庆等油田实际运行，运行平稳可靠，经受住了野外恶劣条件的考验，它与传统的游梁式抽油机相比有以下

特点：

（1）结构简单、重量轻，占地面积小。此抽油机的主要部件是复式永磁电机和变频控制装置，与常规游梁式抽油机相比省去了减速、换向等复杂的机械系统。（2）节能显著。由于系统采用了永磁同步电机，与传统游梁式抽油机相比，有功节电率大于

50%。

（3）操作简便，维护工作量小。此抽油机的操作通过控制箱面板的旋钮调节复式永磁电机的转速，从而调节抽油机的冲次，冲程可以在控制箱面板上直接设定。

（4）可实现长冲程低冲次，适用于稠油井、大泵强采井和深井的原油开采。此抽油机的最大冲程为8m，相应的最大冲次为每分钟3次，冲程、冲次无极可调。

（5）保护功能强大。驱动器采用了ABB公司的ACSM1，抗干扰能力强，能够适应生产油井野外各种恶劣的工作环境。当抽油机遇到故障或断电等异常现象时，系统会通过GSM通讯模块

以短信形式报出当前故障情况。

该抽油机噪音低、控制智能，是名副其实的节能环保产品。ACSM1提供的完美解决方案

4.1 ACSM1介绍

ACSM1是ABB公司推出的一款高性能机械类传动产品，可以为机械应用提供性能优越、功能丰富的解决方案。ACSM具有的五种外形尺寸涵盖了从0.75到110kW的额定功率。ACSM1是机械制造商的最佳选择。可以控制有速度反馈或无速度反馈的感应电机、同步伺服电机和异步伺服电机。它采用DTC（直接转矩控制）电机控制技术来确保性能的优越。结构设计非常紧凑并且传动之间可以并排安装。除了标准功能之外，还包含了三个控制和通讯的可选件插槽。传动软件工具支持调试、优化和编程。ACSM1本身也有强大的编程功能，这为丰富产品功能奠定了基础。ACSM1为每个机械控制体系提供了最佳的选择。

ACSM1具有丰富的控制接口，具有6个DI输入口，3个DI/O口，1路继电器输出，还具有2路AI/AO，另外提供电机热敏电阻输入接口以及传动到传动的RS-485通信口。除了本身的接口外，还提过了多种可选件，能支持各种编码器以及通讯协议。4.2 ACSM1提供的解决方案

由于复式永磁同步电机是外转子电机，安装编码器比较困难，况且编码器在油田这种恶劣的环境下运行的可靠性也不能保证，所以该方案采用了无速度传感器的控制。另外由于电机的转动惯量很大，不能进行动态辨识，ACSM1驱动器能够在电机停止即静态辨识电机参数，建立精确电机模型以便DTC控制，能够达到很好的控制效果。由于是永磁同步电机，要求在启动的时候能够自动辨识转子的位置，而ACSM1提供多种辨识转子磁极位置的方式，所以ACSM1在无速度传感器情况下能够平稳满载启动。

抽油机系统本身是一种位能性负载，这就要求驱动器有很强的过载能力和启动力矩，ACSM1的核心算法是DTC算法，而DTC算法最大的特点就是动态性能好，输出转矩大，对电机参数变化不敏感，这在ABB其它系列变频器的应用中得到了充分的验证。ACSM1具有180%的过载能力，能够很好的满足复式抽油机的要求。实践证明，30kW的ACSM1能够驱动复式永磁电机单边负载达到6吨以上，能够满足油田的需求。另外，对抽油机维修的情况下要求配重悬停在某个特定的位置，ACSM1能够在零速时能输出满转矩，能够很好的满足要求。

复式抽油机驱动抽油杆上下往复运动，也就是要求电机到达设定行程后自动换向，而ACSM1具有强大的编程功能，通过编程自动计算电机运行距离，到达设定行程后自动给出换向命令，而抽油机的换向开关只是起到一个保护和清除累积误差的作用。图4显示的就是ACSM1的编程模块，实现起来非常方便，功能异常强大，由于本身具有很丰富的控制接口，相当于内置了一个PLC，这对实现智能控制系统异常方便。由于内部能够精确计算行程，这样该抽油机对换向开关的要求很低，实际运行来看，由于距离计算精度高，开关在系统运行30小时左右才会碰触一次，实践应用中该功能很实用也很完美。由于ACSM1具有强大的编程功能，能够很灵活的和上位控制系统进行通讯。系统设置的行程可以通过DI口来给ACSM1设置，另外ACSM1也可以把实际行程通过DI口发脉冲的形式通知上位系统以显示。一些额外的需求也可以通过ACSM1编程实现，比如抽油杆到最低时要等待一段时间以便油满，这个时间就可以通过ACSM1来设置。同样，ACSM1提供多种运行模式，能够实现抽油机系统在自动运行以及维护时的不同运行需求。

图4 ACSM1强大的编程功能

抽油机会运行在条件比较恶劣的油田上，温度变化范围广，另外诸如灰尘、阳光、雨露等恶劣的自然条件对系统要求也很高。ABB公司提供的ACSM1具有很高的可靠性，经受住了严峻的实验室测试以及一年多在油田上的实际工况运行检验，从大庆、辽河到大港、中原等多个油田，复式永磁电机抽油机各种条件下平稳运行，更进一步验证了ACSM1对恶劣自然环境的适应能力。4.3 系统优点

复式永磁电机本身带机械抱闸，能够提供低速大转矩，不需要减速箱，系统组成维护方便。ACSM1的性能优越，能够控制复式永磁电机输出低速大转矩，满足各个油田不同复杂工况的要求。

ACSM1的可靠性高，能保证抽油机系统可靠运行ACSM1的编程功能强大，对抽油机系统功能的拓展异常方便，系统功能灵活。结束语

复式永磁同步电机抽油机是贵州航天林泉电机有限公司新开发的一种新型抽油机，与ABB公司的ACSM1接合起来在实际应用中在节能方面效果显著，功能强大、灵活，很好的满足了油田各种功能、性能需求。该抽油机已经在油田应用中得到了广泛的认可，对节能减排的号召影响深远，意义重大。

由于我国具有丰富的稀土资源，而永磁同步电机和异步电机相比在节能方面有很强的优势，很多应用节能都在50%以上，现在已经越来越多的应用在了各个领域。我国对永磁同步电机又没有统一的标准，市场上的永磁同步各式各样，经过实践检验，ACSM1能够匹配各种永磁同步电机，表现出了完美的性能，而本身又具有强大的编程功能，能够很好的拓展系统的功能，非常有利于简化系统配置，提高效率。

黄大为

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第二篇：变频器在油田抽油机磕头机上的应用

变频器在油田抽油机磕头机上的应用

一．抽油机的工作原理及组成当抽油机工作时，驴头悬点上作用的负载是变化的。工作分为两个冲程，抽油机上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量，这时电动处于电动状态。在下冲程时，抽油机杆柱转拉动对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的负载极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，如图一所示。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动机付出部分能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的一个工作循环中，有一个电动运行状态和一个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时，其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。

1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁； 6—横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置； 10—曲柄装置；11—减速器；12—刹车保险装置； 13—刹车装置；14—电动机；15—配电箱

二．抽油控制器的系统图及控制特点

系统组成由人机界面，三菱PLC，KV2000系列变频器，制动单元，制动电阻。在整个系统中PLC和变频器，触摸屏均通过RS-485进行串行通讯。

整个控制系统特点：

1． 可实现对抽油机的多种控制：空抽控制，定时启停控制，负荷超限停机控制,连喷带抽控制，启停的远程控制。

2． 自动记录抽油机工作过程,保存工作状态信息。自动判断抽油机工作是否正常,给出报警信息。

3． KV2000系列变频器对电机参数有自动调谐功能，可自动测出电机特性并自动设定其相关的参数。

4． 变频器提供多组信号输入方式，包括温度检测信号，模拟信号，数字信号输入，以及脉冲信号的输入，包括故障继电器报警输出。

5． 通过人机界面可实对变频器的监控功能：频率设定，频率改写，输出电压，电流等。对变频器的控制功能：运行，停机，故障复位等。

6． 高效节能，增产。变频器的控制程序是根据油田实际情况，它能自主判断抽油机运行的上下冲程，根据油井的实际情况，实时调节上下冲程的速度，达到实际抽油时，不更改每分钟的抽油次数，但增加每次抽油时的采油量，提高抽油机的产量。（作者：科姆龙电气）

第三篇：浅谈电机在汽车中的应用

浅谈电机在汽车中的应用

一．概述

汽车是由众多零部件构成的，其中十分重要的一个零部件就是电机，电机在汽车中有着广泛的应用，主要有直流电机和交流电机两种:直流电机又可以分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；交流电机有可以分为同步电动机和异步电动机等。汽车零部件用电机主要位于汽车的发动机、底盘和车身三大部位。据统计，一般的普通汽车通常有15到28部电机。下面会介绍一些相关的应用。

二．电机在发动机中的应用

2.1在启动系统中的应用

汽车发动机启动需要起动电机。汽车发动机从静止到进入运动的状态，曲轴需要外力的帮助才能转动起来并到达需要的最低转速，汽车发动机才能启动。汽车马达起动机的作用是启动发动机,启动机上的齿轮工作时和发动机曲轴相连的飞轮咬合,驱动飞轮,带动发动机。传统的汽车起动电机采用的是电磁式直流串励电机，随着钕铁硼稀土永磁材料的应用，便产生了高性能的稀土磁式直流电动机。它有着结构简单，效率高，起动转矩大，起动平稳等优点。2.2在电控燃油喷射控制系统中的应用

早期的发动机采用化油器和分电器的形式，有污染严重和燃油经济性差的两大缺点。现代汽车发动机电子控制燃油喷射系统EFI（Electronic Fuel Injection）简称电控燃油喷射系统，它的主要功能是控制汽油喷射、电子点火、怠速、排放、进气增压、发电机负荷、巡航、警告指示、自我诊断与报警、安全保险、备用功能。在供油系统中，电机和泵设计成为一体，即燃油泵为供油系统提供动力。在怠速控制器中，旋转式四相永磁步进电机用于调整节气阀的位置。2.3汽车中发电机的应用

发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向所有用电设备供电，同时给蓄电池充电。以前的汽车发电机是直流发电机，用换向器整流，从20世纪70年代起已经逐步淘汰，现在的汽车发电机大都是交流发电机，用半导体整流。它具有体积小，功率大，寿命长，故障少和低速充电性能好的优点。由于发电机输出电压会随发动机转速增高而升高，故要用电压调节器进行调节，使之符合使用需要。现代轿车的发电机都是比较紧凑的，将集成电路调节器放进发电机内装成一体，并且采用多管形式。例如夏利轿车的发电机就有8只半导体管，其中6只整流用，另2只用于三相中性点的电压整流输出，藉以提高发电机的功率。

三．电机在底盘中的应用

3.1电机在助力转向系统中的应用

汽车电动助力转向系统是一个一直依靠电力提供辅力矩的动力转向系统，他用电动机提供转向助力，助力大小由电控电控单元（ECU）控制。该系统不使用发动机的动力，而是依靠汽车上蓄电池作为其电源。也不需要复杂的控制执行机构，只需要控制电动机输出转矩的大小和方向，就能实现转向系统的自动控制。其结构如图3.1所示。

图3.1汽车电动助力转向系统图 3.2电机在ABS制动系统中的应用

汽车制动防抱死系统（ABS）是在制动过程中防止车轮被制动抱死，提高汽车制动的方向稳定性和转向操控能力，缩短制动距离的一种主动安全装置。在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转速的信号输入电子控制装置。电子控制装置根据各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀组成，电动泵（永磁式直流电动机）组成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。

四．电机在汽车车身上零部件的应用

4.1中央闭锁装置

中央门锁控制系统具有钥匙联动锁门和开门功能，当驾驶员用钥匙操作左右前门锁时，全车车门（包括行李箱门）可以同时锁止或打开。其中的电动机式门锁由可逆式电机、传动装置及锁体总成构成。其工作原理为：由电动机带动齿轮齿条副或螺杆螺母副进而驱动锁体总成，驱动车门的锁闭或开启。如图4.1为相关结构。

图4.1电动机式门锁的结构 4.2电动后视镜

电动后视镜主要是让驾驶员观察汽车左右两侧的行人、车辆以及其他障碍物的情况，确保行车或倒车安全。其结构主要以枢轴为中心，由使后视镜能够进行上下和左右方向灵活变换位置的连个独立的微电机（永磁式直流电机）、永久磁铁及霍尔IC等组成。后视镜由一个开关控制，能多方向运动，可使一个微电机或两个同时工作。4.3电动雨刷器

电动雨刮器主要由刮水器主机（电机）、连动杆和雨刷组成。原动机是电动机，传动部分首先是蜗杆蜗轮传动。接下来是蜗轮带动连杆摆动，连杆带着雨刷左右摆动，完成刷雨过程。结构如图片4.3所示。1、5—刮片架；2、4、6—摆杆；3、7、8—连杆； 9—蜗轮；10—蜗杆；11—电动机；12—支架

图4.3电动雨刷器

4.4电动玻璃升降器

现在许多轿车门窗玻璃的升降(关闭和开启)已经抛弃了摇把式的手动升降方式，一般都改用按钮式的电动升降方式，即使用电动玻璃升降器来控制，也就是常说的“电动门窗”。电动玻璃升降器结构的关键是电动机和减速器，这两者是组装成一体的，其中电动机采用可逆性永磁直流电动机，电动机内有两组绕向不同的磁场线圈，通过开关的控制可做正转和反转，也就是说可以控制门窗玻璃的上升或下降。

五．总结

除了上面说到是电机的应用，汽车中还有许多零部件是使用到电机或者电机是主要的组成部分。例如：在汽车的悬架减震控制系统中；在汽车巡航控制系统中；电动天窗，自动前灯，电动汽车座椅调整器等。随着汽车电子控制技术和电动汽车技术的发展，电机将更加广泛应用于汽车的自动化中。

参考文献

[1] 周涌 电机应用第一讲电机在汽车零部件上的应用 2001.01.17 [2] 王庆合 浅谈步进电机在汽车上的应用 2010.06 [3] 高尚勇三相交流异步电机在汽车电动助力转向系统中的应用研究 重庆 重庆大学 2009.05 [4] 莫丽红 双转子电机及其在混合电动汽车中的应用 武汉大学学报 201245（4）511-515

第四篇：物联网在油田的应用前景

物联网在油田的应用前景

姓名：杨承欣； 单位：陆上作业区采油七区；

摘要：在信息化时代的今天，物联网的应用已经在各行各业逐步推开和深入，例如车载通讯和智能交通、农产品的跟踪溯源、智能家电、自动物流监控等等，温家宝总理在今年的政府工作报告中指出：“今年要加大培育战略性新兴产业，加快物联网的研发应用。”可见智能化、信息化是世界的发展方向，本文着重探讨和研究石油行业里一些具体能够利用现代通讯手段进行智能化的设备和监控单元，以实现数字化油田的目标。

关键词： 物联网、数字化油田、自动监控

1．物联网

1．1 物联网简介

物联网的概念是1999年提出来的，其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

图1.物联网概念

1．2 物联网的构成

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层由各种传感器以及传感器网关构成，可燃气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

图2.物联网架构

1．3 物联网的特征

首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

1．4 物联网的发展前景和政策扶持 物联网的三个发展方向：

1、任何时间：由只在工作时发展到全天候；

2、任何地点：由只在个人电脑发展到室内任一台电脑，再到户外任意终端，再到移动终端；

3、任何事物：由最初的两台电脑连接到两个操作电脑的人之间的交互，再到人与事物间的交互，到最终发展成物与物的交互（即M2M）。

M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为了M2M有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。

据有关部门保守预测，M2M服务市场将保持每年25％的增长，2010年产值有望达到80亿美元。在中国，至2012年国内的市场容量将达到一亿部终端的规模。随着包括设备、通讯、管理软件等技术的深化，M2M 产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟，目前，M2M 技术已经在欧洲和韩国实现商用，主要应用在安全监测、机械服务和维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域。

人们纷纷看好了M2M的发展前景。一个出发点就是，在当今世界上，机器的数量至少是人的数量的4倍，这意味着巨大的市场潜力。预测，2010年全球将有超过4000亿台的机器具备数据传输功能，取代人力控制和操作，实现设备的智能管理和服务。

温家宝总理在无锡考察传感网产业时对物联网发展作重要指示，中国政府将M2M通信技术列入“十一五”规划国家级重点通信项目，各国政府均将信息化提升为国家战略。

图3.物联网的政策支持

2．我区目前自动化现状 2.1油井远程监控

由于油井的离散分布式特点，所以每口单井配备一个监控终端单元，通过无线信号将收集到的油井工况数据发送到安装在计量间的无线信号接收单元，再转换成有线信号接入交换机传到中控室。目前这个监控终端负责收集的信息有油压、套压（分别由两个依靠电池供电、量程范围配套的压力传感器将数据无线传输到监控单元）、载荷（由一个依靠太阳能充电的载荷传感器将抽油机一个冲程内的载荷数据和驴头定位数据通过无线传输到监控单元，其内部有一个速度感应器，依靠驴头在上下死点时运动速度为零来定位上下死点的位置，如果抽油机冲次太慢则误差较大）、三相电流（由三个电流互感器直接将数据输入监控单元）。

图4.油井监控设备

目前存在的主要问题是传感器可靠性差，中控室时常录取不到功图，传感器供电问题、信号紊乱、无信号等各种因素都有，不过厂家也不厌其烦地在调试、改进。

2．2 防盗及视频监控自动化系统

每个井场都配备了至少两个摄像头，确保没有照摄不到的死角，需要固定角度照摄的配有高分辨率广角摄像头，还有可全方位调整照摄角度的红外摄像头，摄像头连接编码器，编码器转换成数字信号接入交换机。同时每个井场还配有功放，连接一个扩音器，可通过中控室向井场的人员喊话。

图5.监控摄像头和扩音器

在中控室的监控电脑上可以安装一个程序，该程序可以调出井场的监控画面，并且可以在屏幕上画出一些线条和闭合的多边形，只要在摄像头固定角度的时候，如果有变化的色彩碰触到这些画好的线条或进出闭合的多边形，就会发出报警，以这种非智能的方式间接提醒工作人员注意井场的动态。

夜间，井场需配备一定亮度的探照灯，才能实施监控，遇到雷雨天气摄像头出现故障的概率就会高一些。

2．3计量间、集输站自动化

计量间的自动化主要方向就是操作，附带着一定量的监控和传感数据。中控室发出指令，通过PLC传送到某个电动执行装置进行动作，从而完成计量倒阀任务，需要监控分离器液位变化，记录上液时间，监控分离器压力、出口压力、单井来液温度、阀位状态，还有一个计量间内可燃气体浓度传感器，这些数据都直接传送到PLC，PLC连接交换机。

图6.自动化计量间

2．4车辆GPS监控

中控室配有一台专门监控采油区所有车辆的电脑，安装有GPS客户端，可以对所有车辆的地理位置、运行车速、车内操作进行监控和记录。不仅可以实时监控，也可以调出历史记录进行回放，对违章行为进行追责，促进行车的安全。

3．物联网在采油区的应用前景

纵观目前油区的自动化现状，还不能完全称之为物联网，但是现在的状态是处在向物联网演进过程中的初步发展阶段，如果想进一步向物联网发展，大多数的设备都不需要完全废除，只需给相应的设备添加一些更加智能的芯片，网络的传输容量再扩充一下，或改用覆盖更加广泛、信号更加稳定的网络资源（例如由三大运营商提供的3G无线网），就可以称得上是物联网了。

下面我就从构建物联网的三个层面：感知层、网络层和应用层分别探讨在油田的可行性和构想。

3．1感知层

感知层好比人的眼睛、耳朵、鼻子，负责收集信息，在采油生产过程中所要收集的信息类型主要包括压力、载荷、电流值，进入计量间采集的信息有温度、可燃气体浓度、液位数据、阀位状态等，这些信息都有相对应的传感器负责收集，只需要单向传递到中控室，工作人员负责监控，所以没有必要再往更加智能的方向升级。但是载荷传感器可以考虑，因为它负责产生油井的一项十分重要的数据——功图，石油工程技术人员就是依靠功图来间接判断井下抽油泵的工况，判断出工况才能具体实施不同的下一步措施，否则一出问题就不知什么原因，无从决定下一步工作，只能上作业检泵，使生产成本增加。

如果把载荷传感器纳入物联网的范畴，使技术人员在任何时间，任何地点，使用定制的或者通用的终端都能读取到某口井的功图，将极大的提高油井的管理水平。

由于功图的重要性，为了减少自动化系统中其他因素对载荷录取的影响，建议功图的读取从现有的自动化系统中脱离出去，建立一套独立的系统，对其进行智能升级，向物联网定义的方向发展。

由于本人是非专业人士，具体的实施方案可行与否，以及更深层次的技术细节无从得知，我只能根据现实生活中真实的、已经应用的类似事物做大胆的构想。例如我们人人都有的手机，从最初的只能打电话，到可以发短信，再到可以上网、拍照、播放音乐和视频，其实当手机可以上网的时候，说明它具备了收发数据的功能，此时它又是一个接入互联网的物体，从另一个定义去说，使用手机就可以算是一个物联网的应用了。我的构想简单地说就是把载荷传感器制作成一部可以录取功图数据的3G手机，当然因为目的不同，通话功能、拍照功能、音乐播放功能等都可以去掉，只需要定时发送功图数据，接收一些简单的命令就可以了，网络方面可以利用中国三大电信运营商的3G网，基本上可实现随时随地读取某口井的功图。如下图：

图7.现场读取功图

3．2网络层

网络层负责传递和处理感知层获取的信息，也就是网络建设。我区自动化网络的现状是：比较集中的计量间与计量间之间都是用光纤连接的，每个计量间都有一部交换机，是华为3Com公司出品的H3C 3600交换机，有四个光模块接口，24个RJ-45接口，质量上乘，网络比较稳定，问题主要涉及埋地光纤，因为油田每天各种施工比较多，生产部门的现场监督人员往往也不熟悉自动化部门的情况，所以经常出现光纤毁坏的情况，因此往后的建设施工都优先考虑光纤架空。

比较偏远的井场，油井又不是很多，产量也不高，或者铺设光纤成本较高的井场，比如我区有两个井场与中控室之间隔有一条河，这些情况采用的是无线网桥传输，但是网络极其不稳定，我怀疑厂家使用的是IEEE 802.11b标准的设备，传输速度11Mbps，实际传输速率是4Mbps到6Mbps，如果加入视频监控，丢包问题很严重，基本上自动化变成了半自动化。可以考虑升级成IEEE802.11g标准的设备，或者添加一个CDMA

DTU接入中国电信的CDMA网络，该设备通过标准RS 485 或者RS 232 接口，把串口数据通过CDMA网络进行透明传输，可直接与数据采集器、智能仪表、PLC、单片机控制器等广泛用于工业现场的设备进行连接，实现终端和网管平台的双向通信。这种设备目前很多厂家可以生产，并且通过中国电信认证，中国电信免费提供应用对接测试平台。

图8.南京阿达尔生产的CDMA

DTU

图9.中国电信物联网应用和推广中心

3．3应用层

应用层主要涉及到中控室的电脑，安装相应的程序，实施智能分析与控制、信息的挖掘、行业增值应用等。我们现在的情况远未达到起初设想的目标，比如登录北京安控建设的冀东油田信息发布平台，里面的查询系统、一井一法管理系统中都有许多相当好的应用，只是由于感知层收集的数据并不完整和准确，所以应用层的应用也就无法开展。

不过相信随着技术的进步、设备的完善，人们勇往直前的摸索和尝试，总是会进步的。

4．结束语

目前，我国物联网发展与全球同处于起步阶段，初步具备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。产业发展初具基础，技术研发和标准研制取得突破，应用推广初见成效。尽管我国物联网在产业发展、技术研发、标准研制和应用拓展等领域已经取得了一些进展，但应清醒的认识到，我国物联网发展还存在一系列瓶颈和制约因素，主要表现在以下几个方面：核心技术和高端产品与国外差距较大，高端综合集成服务能力不强，缺乏骨干龙头企业，应用水平较低，且规模化应用少，信息安全方面存在隐患等。

以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，深入贯彻落实科学发展观，把握世界新科技革命和产业革命的历史机遇，抓住我国加快培育和发展战略性新兴产业的契机，加强统筹规划，促进协同发展；加强自主创新，注重应用牵引；加强监督管理，保障信息安全；加强政策扶持，优化发展环境。重点突破核心技术，研制关键标准，拓展规模应用，构建产业体系，为我国物联网的全面发展并在新一轮国际竞争中占据有利位置奠定坚实基础。

物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”！

第五篇：无线传感器在数字化油田的应用

无线传感器在数字化油田的应用

前言

井口数字化建设是油田地面工程数字化建设最底层、范围最广、最关键的现场部分，主要完成对现场井口、站点的数据采集和控制。包括：抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井等。在数字化油田井口建设中，使用无线传感器可以减少建设周期、维护方便，适合于规模施工，全面建设数字化油田。下面以中石油青海油田为例，介绍无线传感器在油田中的应用。

1.背景介绍

中石油青海油田公司是集油气勘探、开发、研究、生产、销售为一体的大型石油公司。作业区域在素有“聚宝盆”之称的柴达木盆地。石油资源量达21.5多亿吨，天然气资源量近25000亿立方米，目前油气勘探程度较低，具有广阔的发展前景。

自2000年以以来，青海油田在部分区块已经建立了井网自动化系统，典型系统如尕斯区块、跃进区块、七个泉区块，覆盖约500多口油井。但是原有系统的覆盖面小，对于整个油田而言，仍有一半以上的井口、站点尚未实现自动化监控；另一方面，随着电子技术、通信技术的发展，在已有系统中，早期建成的部分系统采用的产品和技术已经逐渐失去了先进性，在使用维护过程中暴露出的一些问题。

2011年青海油田的数字化油田项目，完成对现场的抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井的数字化建设。最终要在2011年底建立起覆盖整个油田的、技术先进、质量可靠、便于使用维护的基于物联网的油田数据采集和监控（SCADA）系统，实现数字化油田的建设目标。

在实时监控方面，实现对油井的远程示功图、电流图、功率图采集，三相电参数采集和中控室远程启停控制；在生产管理方面，通过抽油机示功图对油井工况进行诊断分析，通过电量数据掌握油井耗电情况和采取节能措施，通过功图计产分析制定油井管理措施；在生产信息方面，在钻采院室设置数据库服务器和WEB发布服务器，实现油田生产信息在油田范围内的信息共享。

1.1数字化油田项目

既包括新建区块（对原来没有实现自动化的区块进行自动化建设），也包括老区块改造（对已有自动化的区进行改造和完善）。其中新建区块的抽油机井约1000口、螺杆泵井约100口、电潜泵井约20口，此外还包括600多口注水井；老区块改造的油水井总数约数百口。这些油水井隶属于3个采油厂12个区块。

各种井口要实现的功能如下：

2.数字化油田的总体结构设计和产品选型

井口数字化建设主要由井口控制终端(RTU)、现场检测设备、通讯链路组成的一套（SCADA）数据采集控制系统。如何选用功能完备的RTU和检测仪表、如何选用可靠的通讯方式进行井口数据通讯以及如何使数据稳定准确及时的传输到中控室，都决定了系统的稳定性、实用性和可靠性。

在2011年的新系统建设和老区块改造项目中，尽管各种油水井的功能同以前建设的已有系统类似，但是在井站系统的通信系统设计和产品、技术选型方面，却发生了本质的变化。

在产品选型方面，选用北京安控科技股份有限公司最新生产的高性能一体化无线RTU产品和无线传感器，安控产品既保留了其传统的高性能、高可靠性等特点，同时又全面支持最新的ZigBee无线技术。对于该油田已有系统的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee无线通信模块进行改造，扩充出无线通信接口。

在井站系统通信设计方面，井口仪表与井口RTU之间采用先进的ZigBee无线技术，具备大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的优点，代表了短距离无线通信技术的发展趋势，并由此带来施工简化、调试维护简单、建设周期短等优点。井口RTU与上级监控中心之间的数据通信，则采用了CDMA通信网络。

2.1井站自动化系统的总体结构

在高标准、高性能、高稳定性的原则指导下，青海油田数字化油田系统结构如下图所示，包括数据采集部分、网络通讯部分和采集驱动WEB发布三大部分

●每个井口通过无线传感器采集所需数据；

●充分利用ZigBee网络特点，一个平台井口的所有无线仪表接入到同一个无线RTU，组成Mesh网络，提高通讯可靠性；每个RTU可以带64块仪表；

●所有无线仪表和无线RTU支持手操器调试，方便现场维护；

●无线RTU采集到的无线传感器数据，通过CDMA 1X网络上传到监控中心，并在本地存储历史数据，支持数据补传功能；

●监控中心搭建油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式发布井口实时数据；

2.2产品选型

在油田井口数字化建设中，相关产品选用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制设备。这些设备均支持ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4物理层、MAC层和数据连接层上制定出的标准，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

北京安控科技股份有限公司（简称“安控科技”），是专业从事工业级RTU产品研发、生产、销售和系统集成业务的高新技术企业，是行业领先的工业级RTU产品供应商和系统集成服务商，拥有完善的远程控制终端（RTU）产品链，拥有完善的油气田自动化和环保在线监测专用产品。

2.2.1无线电量模块

抽油机井、电潜泵井的数据采集设备，选用的是安控科技的SZ308无线电量模块，可实现三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、有功电能等电参数采集，实现抽油机启停状态采集，实现抽油机的启停控制，与SZ902N配合实现抽油机井电流图、功率图的采集。模块具备6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具备1个RS232接口、1个RS485接口，内置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天线。

SZ308无线电量模块采用先进的32位处理器，不仅能完成电参数的采集，还能实现数据处理、通讯联网等功能；强大的通讯组网能力和卓越的环境指标特性，能够适应各种恶劣工况环境。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.2无线功图传感器

抽油机井示功图采集选用安控科技的SZ902N无线功图传感器，可自动测量抽油机井地面示功图（冲程、冲次等），实现对有杆泵示功图的采集。示功图数据以ZigBee无线通信方式，传输到井口无线RTU中。

SZ902N无线功图传感器，设备简单，只有一个与传统载荷传感器相似的终端组成；安装方便，与传统的载荷传感器安装方法相同，但是免去了有线仪表电缆敷设的施工量，安装简化快捷；运行稳定，使用电池供电，可消除外界电网干扰；安全防盗，示功仪与卡锁一起上下运动，不易被人为破坏；技术先进，可设置多个频点，避免同频干扰；方法新颖，利用加速度传感器获取位移量；绿色产品，利用太阳能充电安全环保。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.3无线数字压力表

井口油压、套压采集选用安控科技的SZ903D无线数字压力表，实时监测油压、油套的压力和注水井注水压力。SZ903D无线数字压力表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.4无线扭矩传感器

螺杆泵井口扭矩、负荷、转速采集选用安控科技的SZ904无线扭矩传感器，实时监测螺杆泵井口扭矩、负荷、转速。SZ904无线扭矩传感器，采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.5无线数字温度表

井口温度采集选用安控科技的SZ905D无线数字温度表，实时监测井口油温和注水井注水温度。SZ905D无线数字温度表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.6无线RTU

井口无线RTU选用安控科技的SZ932无线网关产品。该设备具有1个ZigBee无线接口、1个RS485接口、1个RS232接口、1个TCP/IP网络接口，因此可以广泛用于以下场合：

（1）接收SZ90X无线仪表的数据；

（2）实现有线通信和无线通信之间的转换；

（3）实现第三方产品的协议转换；

（4）作为网关设备，将有线RS232/RS485或者无线通信转换为网络数据传输；

在油田井口数字化建设中，SZ932无线RTU可以通过ZigBee接口接收井口无线仪表的数据，并通过ZigBee或其他通信方式将井口数据上传到监控室。主要支持的通信方式为

1)GPRS/CDMA DTU通信

2)无线网关通信

3)SCDMA大灵通通信

4)数传电台通信

5)有线RS485通信

2.3网络通信设计

从系统结构图可以看出，通信设计采取了ZigBee+CDMA 1X方式，达到实时数据采集、传输、远程控制等效果，并将相应数据传输至后台网络，实现后台信息共享，信息管理等应用。

2.3.1 ZigBee无线应用部分

每个丛式井场，一般有3、4口井相对比较集中,采用短距离无线技术可以节省成本同时也降低了施工强度。无线技术采用的是ZigBee的无线网络协议，ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)915MHZ(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-250m的范围内，但可以继续增加。

2.3.2 CDMA应用部分

井站是分散的，且与作业区监控中心的距离相对较远。井口采集数据要统一传送到中控室，采取了抗干扰能力强、传输距离远的CDMA作为媒介，以保证数据传输的实时性、可靠性和稳定性。

3．系统实现的功能

数据采集包括井口数据采集、作业区监控中心。

3.1井口数据采集部分

1)功图法量油

在井场，井场配套无线功图传感器SZ902N，实现油井功图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的示功图量油诊断软件，及时掌握油井产量情况和分析故障原因。

2）电流图、功率图采集

无线电量模块与无线功图传感器配合，实现油井电流图、功率图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的分析诊断软件，及时掌握油井电机运行情况和分析故障原因。

3）电参采集、油井压力、温度采集

在抽油机控制箱配套无线电量模块SZ308，监测抽油机上下行过程中三相电流和三相电压的变化情况；监视抽油机运行状态，对电机缺相、过载、空转等故障实现自动报警，并能根据控制中心命令实现启停控制。

在油井上安装无线数字压力表SZ903D，实时监测油压和套压的变化。

在油井上安装无线数字温度表SZ905D，实时监测井口出油温度的变化。

3）螺杆泵井

在螺杆泵井井口安装无线扭矩传感器，实时采集光杆的扭矩、负荷、转速。在作业区监控中心则安装专门的螺杆泵量油诊断软件，及时掌握螺杆泵井产品情况。

无线RTU SZ932提供了标准的RS485接口，能够与螺杆泵控制变频进行通讯。采集变频实时数据，了解三相电压、三相电流、电功率、功率因数和电能等参数，并据此制定节能降耗措施。

4）电潜泵井

在电潜泵井控制箱内配套无线电量模块SZ308，通过电流互感器对电泵井的三相电流进行实时监控。

5）注水井

在注水井安装无线数字压力表SZ903D，实时监测注水井压力的变化。

3.3监控中心部分

建立油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式实现流程监控、功图分析、生产曲线、报表生成、操作日志和报警等功能。有着信息完整、提高工作效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势。提高了油田油井系统运行可靠性、安全性与经济效益，减轻了调度员的负担，实现了油田调度自动化与现代化，在提高调度人员的工作效率和操作水平方面有着不可替代的作用。

4．无线传感器在油气田数字化建设中的优点、效益分析

与传统的产品选型和系统设计相比，无线传感器在油气田数字化建设和使用中均显示出了独特的优点：

4.1施工简便、低成本，节省材料和人工

油田传统的井站自动化系统的建设方式，以某油田原有的老区块为例，采用的是模拟仪表和有线通信传输。模拟仪表传输和有线通信方式，在施工安装过程中不可避免地需要敷设信号电缆、通信电缆（如RS485电缆），涉及到在井场挖沟和安装电缆护管等。人工费用和材料费用造成施工成本高。

而在无线传感器应用的系统中，这一部分的施工费用不存在了，信号传输和通信传输均简化为无线通信的调试，施工成本被降到了最低。

4.2施工快捷，建设周期短，便于后期维护

由于新系统的建设省略了在井场动土挖沟、动火电焊等施工，因此施工速度提高了数倍。

以安控科技生产的无线功图传感器的安装为例，传统的信号电缆敷设和传感器安装需要至少半小时以上，而该传感器减少了安装抽油机光杆卡子和电缆敷设的时间，因此正常的安装时间缩短到了10分钟以内。

井场内自动化设备的安装施工中，都需要对油井停机停电，而停机就意味着油井减产。因此从这个意义而言，施工速度的提高就等于是生产效益的提高。

在系统的后期维护方面，某油田老区块原有的信号和通信电缆，在修井作业中经常被重型车辆轧断和遭到人为破坏。而无线传感器则免除了这一问题。

4.3适合于规模施工，全面建设数字化油田

随着电子技术、计算机技术的进步，特别是国产设备的推陈出新，油田专用的RTU、PLC产品的采购成本已经逐渐降低；而无线技术的应用，则带来了施工费用的大大降低。

仅仅在数年以前，油田数字化建设的投资还只能针对重点区块、建设重点工程。而目前最新的技术和产品，则为全面建设数字化油田创造了条件。