螺杆泵远程自动控制及监测系统方案

螺杆泵远程自动控制及监测系统

1. 系统实施背景

对井下液位高度的测量和现场设备工作状况的监测是测井工作的重要组成部分，通过对各种井下、井上工况参数的监测可以全面控管排采井的水位、排量以及螺杆泵的运行状态，在抽水控制、排采监测、制止违规操作等方面发挥着不可替代的作用。测井监理工作“点多、面广、量大”，而且具有“全方面、全天候、全时制”的特点。为彻底解决相关技术人员不足的问题、节约成本、提高效能，必须采用自动化、信息化、科学化的高科技手段，建设螺杆泵远程自动控制及监测系统，为测井工作的管理和安全提供技术支持！

通过人工职守的方式来实现对井的监测，这种方式实现简单，运行费用也相对较低。但基于人工方式不可避免的存有欠缺。首先，测井工作人员每测一口井需要花费10-30分钟的时间，而且一个人同一时刻只能使一个排采井处于被监测状态，因而很难对测井队所辖区域内的所有排采井进行整体上的管理。其次，实时性很差，无法在第一时间将所有超标情况反映给相关的部门。第三，被监测的井处于离线脱网状态，监测数据如果由于人为原因很容易造成设备损坏将最终导致监测数据的丢失甚至无法第一时间掌握现场状况。如何克服上述问题，寻求一种智能化的数据监测和控制方式已经成为现阶段测井在线监测系统建设的迫切需要。

2．系统简介

螺杆泵远程自动控制及监测系统是由井下螺杆泵、地面驱动装置、变频器、可编程远程测控终端、传感器、GPRS数据通讯网络及上位机管理系统软件等组成。具有可靠性高、体积小、交互式的人机界面，操作、维护方便等特点。该自动化控制系统，可单独用于其它排采泵型，便于更广泛推广应用。

该系统应用在煤层气排采井中，主要作用是需要监测井下水液位（通过井下压力换算得出）、井口出水压力和流量、井口排气瞬时和累计流量、电机工作频率、转速、工作电压、电流等参数。在螺杆泵使用变频控制技术的基础上，实现手动控制方式和自动控制方式。由于地下水的液面位置是不断变化的，为了防止液面过低导致的螺杆泵空抽现象，所以要求要根据液面的实际情况控制变频器的输出频率从而达到控制电机转速的目的。根据压力传感器（井口一个、井下一个）的压差判断地下液位。控制液位为20m-400m，即压力传感器体现压力值0.2-4Mpa；要求液位在20m-400m范围内可以通过压力传感器发出信号给地面控制器自动控制变频器输出频率，使电机达到合理转速，实现无人看守自动控制液面的目的。另外根据不同井出油或水的液位不同，地面控制器控制变频器的基本频率值可以人为设定。并且一旦自控系统失效要通过某种方法切换到目前的人工手动方式，不影响原有变频控制系统正常工作。

3. 系统组成结构

图1.在线监测系统结构图

系统结构分为数据采集、数据传输和监控中心的管理三个部分。其主要功能描述如下：3.1 监测数据采集

采集监测数据是系统的重要组成部分，是获取原始监测数据的主要途径。这部分功能的实现完全依靠GPRS 数据采集终端（以下简称”RTU”）。

在现场每口井下、地面安装有多种传感器及仪表，这些传感器和仪表能够监测现场的各种指标。RTU与传感器和变频器连接，并将监测仪表的测量数据进行分析、汇总、存储。

3.2 数据传输

数据传输部分是公司和排采井之间通讯的桥梁，它完成了监测数据的传输功能。通过GPRS 进行数据通讯需要到中国移动去办理GPRS 数据业务。目前，GPRS 已经在全国范围内开通，具体办理细节以及相关资费标准请咨询当地移动网络运营商。

3.3 总公司监测

只有将监测数据及时地传送到监测中心，才能实现对排采井的实时监测。完成这部分功能的核心是“数据接入服务器”（或者服务器集群）。如图1 所示，数据接入服务器安装在总公司的局域网络内部。

数据接入服务器是指装有远程监测系统软件的网络服务器，其职责是与各个安装在排采井现场的GPRS 数据采集终端进行数据传输。（如接收各个GPRS数据采集终端上传的监测数据；向指定的GPRS 数据采集终端发送采集控制指令等）

“数据接入服务器”接收的监测数据需要保存，完成数据存储功能的核心是“数据库服务器”。如图1 所示，系统中配备有专用的数据库服务器。

为了提供远程或者移动访问的能力，系统还需要配备“WEB 服务器”。系统的三个主要组成部分“监测数据采集”，“数据传输”、“总公司监测”协同工作，建立起监控中心到各个排采

井的网络系统，实现在线监测功能。

4. 系统特点

4.1 统一的监测平台

系统在设计上采用统一的数据平台，兼容绝大部分国产、进口的在线监测仪表。另一方面系统涵盖了在线监测的多种应用，包括水位在线监测；压力在线监测；地下水或气体流量监测；变频监测；起停、报警监测等。下以环境监测系统软件为例：

图2. 实时监测与报警

4.2 全面控管

同一时刻对所有排采井进行实时在线监测，克服了人工方式下的各种弊端，实现了对排采井的全面、实时、网络化的监测体系。如图2 所示，只需观察屏幕上各个排采井的图标样式或颜色即可了解所有排采井的设备运行情况；同时还可以通过表格和曲线浏览排采井排采的详细监测数据（如图3 所示）。这使得工作人员在同一个用户界面即可将所有排采井所有的设备运行状况、排量、水位、压力等信息尽收眼底。

4.3 实时在线

基于GPRS 实时在线的特点，数据接入服务器和各个RTU保持实时在线连接。使总公司可以及时准确掌握各个排采井口的实际运行情况、流量的发展趋势与动态。如图3 所示，无需任何拨号操作，即可实时察看所有排采井口的每间隔五分钟（时间可设定）的变化情况。

图3. 实时报警与跟踪

4.4 实时报警

实时报警可分为超标报警、故障报警和趋势预警。人性化的报警和预警功能，可以提醒管理人员及时地关注和处理可能发生或已经发生的事件。

(1) 报警形式多样化：提供声音、图标颜色变化、表格中数值的颜色、手机短信等8 种报警形式。

(2) 报警信息数值化：精确地给出具体的超标数值，超标时间，为强化管理工作提供了详实可靠的依据。

超标报警：当井口排采量超过了预先设定的数值时，系统启动超标报警，相应的排采井图标会不停的闪烁。如图3 中石油炼厂的图标描述的就是超标排采的情况。此外还可以通过短信方式，将超标排采的详实数据通知相应的工作人员。

趋势预警：实时汇总各种井口的排采总量，及时、准确地掌握井口的动态，对气体和水的排采量发展趋势过快的情况提前预警。

故障报警：当RTU或在线监测仪表发生故障时，系统便会自动发出故障报警信号。图3 中石化热电厂的图标描述的就是发生故障报警的情况。

4.5 数据安全性

RTU将采集到的数据立即发送到数据接入服务器，并存入系统数据库，杜绝了因数据采集终端发生故障而导致丢失监测数据的现象，充分保证了数据的安全性。

并且，RTU也具备脱网运行的能力，当网络或数据接入服务器发生故障时，首先系统会以声光或短信报警的方式将报警信息通知系统管理员，它会将采集到的监测数据汇总然后作为“历史数据”暂存到存储器中，待系统恢复正常后，将缓存的数据传送给数据接入服务器。

数据安全性的另外一方面表现在，系统RTU的接入作了严格的身份认证，杜绝系统安全隐患。

另外在数据传输和处理过程中采用校验和加密算法保证数据的准确性和安全性。