第一篇：ACSM1在油田復式永磁電機抽油機上的應用

ACSM1在油田復式永磁電機抽油機上的應用

復式永磁電機

抽油機

ACSM1

1引言

改革開放以來，我國工業總產值不斷提高，但是能耗比卻居高不下，高能耗比已成為制約我國經濟發展的瓶頸，為達到可持續發展，必須堅持科學發展觀，大力發展高技術產品。近兩年國際石油價格也居高不下，國內石油需求也越來越高，供需矛盾也越來越突出，這就一方面對采油設備的效率提高了要求，另一方面也對采油設備的節能提出了更高的要求，這也適應我國當前節能減排的要求?，F在石油行業的抽油機五花八門，應用最多的是游梁式的“磕頭機”，復式永磁電機抽油機就是貴州航天林泉電機有限公司為滿足節能減排、提高作業效率推出的一款新型采油機。該抽油機采用了ABB公司的ACSM1作為驅動器，提供了非常完美的解決方案。

2復式永磁電機介紹

復式永磁電機是復式永磁電機抽油機的核心部分，該電機是新型雙盤面電機與外轉子電機復合的三維永磁電機。結合變極變頻、永磁新材料、盤面電機、外轉子電機的優勢，對電機的結構、材料以及加工工藝、控制系統進行了大膽的創新，與現有各種低速大扭矩盤式永磁電機相比，在同樣體積下力矩可顯著提高。

該復式永磁同步電機（見圖1）具有24對極，額定轉速只有25rpm，能夠提供足夠的轉矩以驅動位能性，電機具有盤式外轉子，負載可以直接接在轉子上，沒有了電機軸的概念，這就節省了減速箱等中間結構，提高了機械效率。

復式永磁電機用途廣泛，世界上需要大量低速大力矩位置速度可控的伺服電機。尤其是在油田、化工、建筑、礦產等機械設備領域有著極其廣闊的開發前景。

3復式永磁電機抽油機介紹

圖2是復式永磁電機抽油機在油田上應用的實景圖，左側的抽油桿上下往復運動把原油抽到石油管道，右側是抽油桿的配重用來節能，復式永磁同步電機在抽油機的頂部，由于是外轉子電機，負載通過皮帶直接連接到電機的轉子上，這就可以節省機械傳動中諸如減速機等中間環節，提高了機械效率。

圖3是復式永磁電機抽油機的示意圖，圖中的接近開關起保護作用，當驅動器計算距離的誤差累積運行到上下修正開關時系統能自動修正到原始位置繼續運行，正常情況下配重只是在上下修正開關區間內運行。除了修正開關，上下還有兩個極限開關，當配重碰到上下極限開關時候，為安全起見系統會緊急停車。由于系統是位能性負載，復式永磁電機還配備了電動剎車和手動剎

車，以保證系統停機或維護期間的安全。

復式永磁同步電機是一種新型的智能型的抽油機，經過一年多的在中原、大港、大慶等油田實際運行，運行平穩可靠，經受住了野外惡劣條件的考驗，它與傳統的游梁式抽油機相比有以下

特點：

（1）結構簡單、重量輕，占地面積小。此抽油機的主要部件是復式永磁電機和變頻控制裝置，與常規游梁式抽油機相比省去了減速、換向等復雜的機械系統。（2）節能顯著。由于系統采用了永磁同步電機，與傳統游梁式抽油機相比，有功節電率大于

50%。

（3）操作簡便，維護工作量小。此抽油機的操作通過控制箱面板的旋鈕調節復式永磁電機的轉速，從而調節抽油機的沖次，沖程可以在控制箱面板上直接設定。

（4）可實現長沖程低沖次，適用于稠油井、大泵強采井和深井的原油開采。此抽油機的最大沖程為8m，相應的最大沖次為每分鐘3次，沖程、沖次無極可調。

（5）保護功能強大。驅動器采用了ABB公司的ACSM1，抗干擾能力強，能夠適應生產油井野外各種惡劣的工作環境。當抽油機遇到故障或斷電等異常現象時，系統會通過GSM通訊模塊

以短信形式報出當前故障情況。

該抽油機噪音低、控制智能，是名副其實的節能環保產品。ACSM1提供的完美解決方案

4.1 ACSM1介紹

ACSM1是ABB公司推出的一款高性能機械類傳動產品，可以為機械應用提供性能優越、功能豐富的解決方案。ACSM具有的五種外形尺寸涵蓋了從0.75到110kW的額定功率。ACSM1是機械制造商的最佳選擇。可以控制有速度反饋或無速度反饋的感應電機、同步伺服電機和異步伺服電機。它采用DTC（直接轉矩控制）電機控制技術來確保性能的優越。結構設計非常緊湊并且傳動之間可以并排安裝。除了標準功能之外，還包含了三個控制和通訊的可選件插槽。傳動軟件工具支持調試、優化和編程。ACSM1本身也有強大的編程功能，這為豐富產品功能奠定了基礎。ACSM1為每個機械控制體系提供了最佳的選擇。

ACSM1具有豐富的控制接口，具有6個DI輸入口，3個DI/O口，1路繼電器輸出，還具有2路AI/AO，另外提供電機熱敏電阻輸入接口以及傳動到傳動的RS-485通信口。除了本身的接口外，還提過了多種可選件，能支持各種編碼器以及通訊協議。4.2 ACSM1提供的解決方案

由于復式永磁同步電機是外轉子電機，安裝編碼器比較困難，況且編碼器在油田這種惡劣的環境下運行的可靠性也不能保證，所以該方案采用了無速度傳感器的控制。另外由于電機的轉動慣量很大，不能進行動態辨識，ACSM1驅動器能夠在電機停止即靜態辨識電機參數，建立精確電機模型以便DTC控制，能夠達到很好的控制效果。由于是永磁同步電機，要求在啟動的時候能夠自動辨識轉子的位置，而ACSM1提供多種辨識轉子磁極位置的方式，所以ACSM1在無速度傳感器情況下能夠平穩滿載啟動。

抽油機系統本身是一種位能性負載，這就要求驅動器有很強的過載能力和啟動力矩，ACSM1的核心算法是DTC算法，而DTC算法最大的特點就是動態性能好，輸出轉矩大，對電機參數變化不敏感，這在ABB其它系列變頻器的應用中得到了充分的驗證。ACSM1具有180%的過載能力，能夠很好的滿足復式抽油機的要求。實踐證明，30kW的ACSM1能夠驅動復式永磁電機單邊負載達到6噸以上，能夠滿足油田的需求。另外，對抽油機維修的情況下要求配重懸停在某個特定的位置，ACSM1能夠在零速時能輸出滿轉矩，能夠很好的滿足要求。

復式抽油機驅動抽油桿上下往復運動，也就是要求電機到達設定行程后自動換向，而ACSM1具有強大的編程功能，通過編程自動計算電機運行距離，到達設定行程后自動給出換向命令，而抽油機的換向開關只是起到一個保護和清除累積誤差的作用。圖4顯示的就是ACSM1的編程模塊，實現起來非常方便，功能異常強大，由于本身具有很豐富的控制接口，相當于內置了一個PLC，這對實現智能控制系統異常方便。由于內部能夠精確計算行程，這樣該抽油機對換向開關的要求很低，實際運行來看，由于距離計算精度高，開關在系統運行30小時左右才會碰觸一次，實踐應用中該功能很實用也很完美。由于ACSM1具有強大的編程功能，能夠很靈活的和上位控制系統進行通訊。系統設置的行程可以通過DI口來給ACSM1設置，另外ACSM1也可以把實際行程通過DI口發脈沖的形式通知上位系統以顯示。一些額外的需求也可以通過ACSM1編程實現，比如抽油桿到最低時要等待一段時間以便油滿，這個時間就可以通過ACSM1來設置。同樣，ACSM1提供多種運行模式，能夠實現抽油機系統在自動運行以及維護時的不同運行需求。

圖4 ACSM1強大的編程功能

抽油機會運行在條件比較惡劣的油田上，溫度變化范圍廣，另外諸如灰塵、陽光、雨露等惡劣的自然條件對系統要求也很高。ABB公司提供的ACSM1具有很高的可靠性，經受住了嚴峻的實驗室測試以及一年多在油田上的實際工況運行檢驗，從大慶、遼河到大港、中原等多個油田，復式永磁電機抽油機各種條件下平穩運行，更進一步驗證了ACSM1對惡劣自然環境的適應能力。4.3 系統優點

復式永磁電機本身帶機械抱閘，能夠提供低速大轉矩，不需要減速箱，系統組成維護方便。ACSM1的性能優越，能夠控制復式永磁電機輸出低速大轉矩，滿足各個油田不同復雜工況的要求。

ACSM1的可靠性高，能保證抽油機系統可靠運行ACSM1的編程功能強大，對抽油機系統功能的拓展異常方便，系統功能靈活。結束語

復式永磁同步電機抽油機是貴州航天林泉電機有限公司新開發的一種新型抽油機，與ABB公司的ACSM1接合起來在實際應用中在節能方面效果顯著，功能強大、靈活，很好的滿足了油田各種功能、性能需求。該抽油機已經在油田應用中得到了廣泛的認可，對節能減排的號召影響深遠，意義重大。

由于我國具有豐富的稀土資源，而永磁同步電機和異步電機相比在節能方面有很強的優勢，很多應用節能都在50%以上，現在已經越來越多的應用在了各個領域。我國對永磁同步電機又沒有統一的標準，市場上的永磁同步各式各樣，經過實踐檢驗，ACSM1能夠匹配各種永磁同步電機，表現出了完美的性能，而本身又具有強大的編程功能，能夠很好的拓展系統的功能，非常有利于簡化系統配置，提高效率。

黃大為

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第二篇：變頻器在油田抽油機磕頭機上的應用

變頻器在油田抽油機磕頭機上的應用

一．抽油機的工作原理及組成當抽油機工作時，驢頭懸點上作用的負載是變化的。工作分為兩個沖程，抽油機上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機未進行平衡的條件下，電動機就要付出很大的能量，這時電動處于電動狀態。在下沖程時，抽油機桿柱轉拉動對電動機做功，使電動機處于發電機的運行狀態。抽油機未進行平衡時，上、下沖程的負載極度不均勻，這樣將嚴重地影響抽油機的四連桿機構、減速箱和電動機的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數。為了消除這些缺點，一般在抽油機的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖一所示。這樣一來，在懸點下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動機付出部分能量。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了電動機在上沖程時所需給出的能量。目前使用較多的游梁式抽油機，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機的一個工作循環中，有一個電動運行狀態和一個發電機運行狀態。當平衡配重調節較好時，其發電機運行狀態的時間和產生的能量都較小。

1—底座；2—支架；3—懸繩器；4—驢頭；5—游梁； 6—橫梁軸承座；7—橫梁；8—連桿；9—曲柄銷裝置； 10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車保險裝置； 13—剎車裝置；14—電動機；15—配電箱

二．抽油控制器的系統圖及控制特點

系統組成由人機界面，三菱PLC，KV2000系列變頻器，制動單元，制動電阻。在整個系統中PLC和變頻器，觸摸屏均通過RS-485進行串行通訊。

整個控制系統特點：

1． 可實現對抽油機的多種控制：空抽控制，定時啟停控制，負荷超限停機控制,連噴帶抽控制，啟停的遠程控制。

2． 自動記錄抽油機工作過程,保存工作狀態信息。自動判斷抽油機工作是否正常,給出報警信息。

3． KV2000系列變頻器對電機參數有自動調諧功能，可自動測出電機特性并自動設定其相關的參數。

4． 變頻器提供多組信號輸入方式，包括溫度檢測信號，模擬信號，數字信號輸入，以及脈沖信號的輸入，包括故障繼電器報警輸出。

5． 通過人機界面可實對變頻器的監控功能：頻率設定，頻率改寫，輸出電壓，電流等。對變頻器的控制功能：運行，停機，故障復位等。

6． 高效節能，增產。變頻器的控制程序是根據油田實際情況，它能自主判斷抽油機運行的上下沖程，根據油井的實際情況，實時調節上下沖程的速度，達到實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機的產量。（作者：科姆龍電氣）

第三篇：淺談電機在汽車中的應用

淺談電機在汽車中的應用

一．概述

汽車是由眾多零部件構成的，其中十分重要的一個零部件就是電機，電機在汽車中有著廣泛的應用，主要有直流電機和交流電機兩種:直流電機又可以分為無刷直流電動機和有刷直流電動機；交流電機有可以分為同步電動機和異步電動機等。汽車零部件用電機主要位于汽車的發動機、底盤和車身三大部位。據統計，一般的普通汽車通常有15到28部電機。下面會介紹一些相關的應用。

二．電機在發動機中的應用

2.1在啟動系統中的應用

汽車發動機啟動需要起動電機。汽車發動機從靜止到進入運動的狀態，曲軸需要外力的幫助才能轉動起來并到達需要的最低轉速，汽車發動機才能啟動。汽車馬達起動機的作用是啟動發動機,啟動機上的齒輪工作時和發動機曲軸相連的飛輪咬合,驅動飛輪,帶動發動機。傳統的汽車起動電機采用的是電磁式直流串勵電機，隨著釹鐵硼稀土永磁材料的應用，便產生了高性能的稀土磁式直流電動機。它有著結構簡單，效率高，起動轉矩大，起動平穩等優點。2.2在電控燃油噴射控制系統中的應用

早期的發動機采用化油器和分電器的形式，有污染嚴重和燃油經濟性差的兩大缺點?，F代汽車發動機電子控制燃油噴射系統EFI（Electronic Fuel Injection）簡稱電控燃油噴射系統，它的主要功能是控制汽油噴射、電子點火、怠速、排放、進氣增壓、發電機負荷、巡航、警告指示、自我診斷與報警、安全保險、備用功能。在供油系統中，電機和泵設計成為一體，即燃油泵為供油系統提供動力。在怠速控制器中，旋轉式四相永磁步進電機用于調整節氣閥的位置。2.3汽車中發電機的應用

發電機是汽車的主要電源，其功用是在發動機正常運轉時，向所有用電設備供電，同時給蓄電池充電。以前的汽車發電機是直流發電機，用換向器整流，從20世紀70年代起已經逐步淘汰，現在的汽車發電機大都是交流發電機，用半導體整流。它具有體積小，功率大，壽命長，故障少和低速充電性能好的優點。由于發電機輸出電壓會隨發動機轉速增高而升高，故要用電壓調節器進行調節，使之符合使用需要?，F代轎車的發電機都是比較緊湊的，將集成電路調節器放進發電機內裝成一體，并且采用多管形式。例如夏利轎車的發電機就有8只半導體管，其中6只整流用，另2只用于三相中性點的電壓整流輸出，藉以提高發電機的功率。

三．電機在底盤中的應用

3.1電機在助力轉向系統中的應用

汽車電動助力轉向系統是一個一直依靠電力提供輔力矩的動力轉向系統，他用電動機提供轉向助力，助力大小由電控電控單元（ECU）控制。該系統不使用發動機的動力，而是依靠汽車上蓄電池作為其電源。也不需要復雜的控制執行機構，只需要控制電動機輸出轉矩的大小和方向，就能實現轉向系統的自動控制。其結構如圖3.1所示。

圖3.1汽車電動助力轉向系統圖 3.2電機在ABS制動系統中的應用

汽車制動防抱死系統（ABS）是在制動過程中防止車輪被制動抱死，提高汽車制動的方向穩定性和轉向操控能力，縮短制動距離的一種主動安全裝置。在常見的ABS系統中，每個車輪上各安裝一個轉速傳感器，將有關各車輪轉速的信號輸入電子控制裝置。電子控制裝置根據各車輪轉速傳感器輸入的信號對各個車輪的運動狀態進行監測和判定，并形成相應的控制指令。制動壓力調節裝置主要由調壓電磁閥組成，電動泵（永磁式直流電動機）組成和儲液器等組成一個獨立的整體，通過制動管路與制動主缸和各制動輪缸相連。制動壓力調節裝置受電子控制裝置的控制，對各制動輪缸的制動壓力進行調節。

四．電機在汽車車身上零部件的應用

4.1中央閉鎖裝置

中央門鎖控制系統具有鑰匙聯動鎖門和開門功能，當駕駛員用鑰匙操作左右前門鎖時，全車車門（包括行李箱門）可以同時鎖止或打開。其中的電動機式門鎖由可逆式電機、傳動裝置及鎖體總成構成。其工作原理為：由電動機帶動齒輪齒條副或螺桿螺母副進而驅動鎖體總成，驅動車門的鎖閉或開啟。如圖4.1為相關結構。

圖4.1電動機式門鎖的結構 4.2電動后視鏡

電動后視鏡主要是讓駕駛員觀察汽車左右兩側的行人、車輛以及其他障礙物的情況，確保行車或倒車安全。其結構主要以樞軸為中心，由使后視鏡能夠進行上下和左右方向靈活變換位置的連個獨立的微電機（永磁式直流電機）、永久磁鐵及霍爾IC等組成。后視鏡由一個開關控制，能多方向運動，可使一個微電機或兩個同時工作。4.3電動雨刷器

電動雨刮器主要由刮水器主機（電機）、連動桿和雨刷組成。原動機是電動機，傳動部分首先是蝸桿蝸輪傳動。接下來是蝸輪帶動連桿擺動，連桿帶著雨刷左右擺動，完成刷雨過程。結構如圖片4.3所示。1、5—刮片架；2、4、6—擺桿；3、7、8—連桿； 9—蝸輪；10—蝸桿；11—電動機；12—支架

圖4.3電動雨刷器

4.4電動玻璃升降器

現在許多轎車門窗玻璃的升降(關閉和開啟)已經拋棄了搖把式的手動升降方式，一般都改用按鈕式的電動升降方式，即使用電動玻璃升降器來控制，也就是常說的“電動門窗”。電動玻璃升降器結構的關鍵是電動機和減速器，這兩者是組裝成一體的，其中電動機采用可逆性永磁直流電動機，電動機內有兩組繞向不同的磁場線圈，通過開關的控制可做正轉和反轉，也就是說可以控制門窗玻璃的上升或下降。

五．總結

除了上面說到是電機的應用，汽車中還有許多零部件是使用到電機或者電機是主要的組成部分。例如：在汽車的懸架減震控制系統中；在汽車巡航控制系統中；電動天窗，自動前燈，電動汽車座椅調整器等。隨著汽車電子控制技術和電動汽車技術的發展，電機將更加廣泛應用于汽車的自動化中。

參考文獻

[1] 周涌 電機應用第一講電機在汽車零部件上的應用 2001.01.17 [2] 王慶合 淺談步進電機在汽車上的應用 2010.06 [3] 高尚勇三相交流異步電機在汽車電動助力轉向系統中的應用研究 重慶 重慶大學 2009.05 [4] 莫麗紅 雙轉子電機及其在混合電動汽車中的應用 武漢大學學報 201245（4）511-515

第四篇：物聯網在油田的應用前景

物聯網在油田的應用前景

姓名：楊承欣； 單位：陸上作業區采油七區；

摘要：在信息化時代的今天，物聯網的應用已經在各行各業逐步推開和深入，例如車載通訊和智能交通、農產品的跟蹤溯源、智能家電、自動物流監控等等，溫家寶總理在今年的政府工作報告中指出：“今年要加大培育戰略性新興產業，加快物聯網的研發應用?！笨梢娭悄芑⑿畔⒒鞘澜绲陌l展方向，本文著重探討和研究石油行業里一些具體能夠利用現代通訊手段進行智能化的設備和監控單元，以實現數字化油田的目標。

關鍵詞： 物聯網、數字化油田、自動監控

1．物聯網

1．1 物聯網簡介

物聯網的概念是1999年提出來的，其英文名稱是“The Internet of things”。由此，顧名思義，“物聯網就是物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯網的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

圖1.物聯網概念

1．2 物聯網的構成

從技術架構上來看，物聯網可分為三層：感知層、網絡層和應用層。

感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，可燃氣體濃度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、二維碼標簽、RFID 標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

圖2.物聯網架構

1．3 物聯網的特征

首先，它是各種感知技術的廣泛應用。物聯網上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內容和信息格式不同。傳感器獲得的數據具有實時性，按一定的頻率周期性的采集環境信息，不斷更新數據。

其次，它是一種建立在互聯網上的泛在網絡。物聯網技術的重要基礎和核心仍舊是互聯網，通過各種有線和無線網絡與互聯網融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。在物聯網上的傳感器定時采集的信息需要通過網絡傳輸，由于其數量極其龐大，形成了海量信息，在傳輸過程中，為了保障數據的正確性和及時性，必須適應各種異構網絡和協議。還有，物聯網不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制。物聯網將傳感器和智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術，擴充其應用領域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數據，以適應不同用戶的不同需求，發現新的應用領域和應用模式。

1．4 物聯網的發展前景和政策扶持 物聯網的三個發展方向：

1、任何時間：由只在工作時發展到全天候；

2、任何地點：由只在個人電腦發展到室內任一臺電腦，再到戶外任意終端，再到移動終端；

3、任何事物：由最初的兩臺電腦連接到兩個操作電腦的人之間的交互，再到人與事物間的交互，到最終發展成物與物的交互（即M2M）。

M2M不是簡單的數據在機器和機器之間的傳輸，更重要的是，它是機器和機器之間的一種智能化、交互式的通信。也就是說，即使人們沒有實時發出信號，機器也會根據既定程序主動進行通信，并根據所得到的數據智能化地做出選擇，對相關設備發出正確的指令。可以說，智能化、交互式成為了M2M有別于其它應用的典型特征，這一特征下的機器也被賦予了更多的“思想”和“智慧”。

據有關部門保守預測，M2M服務市場將保持每年25％的增長，2010年產值有望達到80億美元。在中國，至2012年國內的市場容量將達到一億部終端的規模。隨著包括設備、通訊、管理軟件等技術的深化，M2M 產品成本的下降，M2M業務將逐漸走向成熟，目前，M2M 技術已經在歐洲和韓國實現商用，主要應用在安全監測、機械服務和維修業務、自動售貨機、公共交通系統、車隊管理、工業流程自動化、電動機械、城市信息化等領域。

人們紛紛看好了M2M的發展前景。一個出發點就是，在當今世界上，機器的數量至少是人的數量的4倍，這意味著巨大的市場潛力。預測，2010年全球將有超過4000億臺的機器具備數據傳輸功能，取代人力控制和操作，實現設備的智能管理和服務。

溫家寶總理在無錫考察傳感網產業時對物聯網發展作重要指示，中國政府將M2M通信技術列入“十一五”規劃國家級重點通信項目，各國政府均將信息化提升為國家戰略。

圖3.物聯網的政策支持

2．我區目前自動化現狀 2.1油井遠程監控

由于油井的離散分布式特點，所以每口單井配備一個監控終端單元，通過無線信號將收集到的油井工況數據發送到安裝在計量間的無線信號接收單元，再轉換成有線信號接入交換機傳到中控室。目前這個監控終端負責收集的信息有油壓、套壓（分別由兩個依靠電池供電、量程范圍配套的壓力傳感器將數據無線傳輸到監控單元）、載荷（由一個依靠太陽能充電的載荷傳感器將抽油機一個沖程內的載荷數據和驢頭定位數據通過無線傳輸到監控單元，其內部有一個速度感應器，依靠驢頭在上下死點時運動速度為零來定位上下死點的位置，如果抽油機沖次太慢則誤差較大）、三相電流（由三個電流互感器直接將數據輸入監控單元）。

圖4.油井監控設備

目前存在的主要問題是傳感器可靠性差，中控室時常錄取不到功圖，傳感器供電問題、信號紊亂、無信號等各種因素都有，不過廠家也不厭其煩地在調試、改進。

2．2 防盜及視頻監控自動化系統

每個井場都配備了至少兩個攝像頭，確保沒有照攝不到的死角，需要固定角度照攝的配有高分辨率廣角攝像頭，還有可全方位調整照攝角度的紅外攝像頭，攝像頭連接編碼器，編碼器轉換成數字信號接入交換機。同時每個井場還配有功放，連接一個擴音器，可通過中控室向井場的人員喊話。

圖5.監控攝像頭和擴音器

在中控室的監控電腦上可以安裝一個程序，該程序可以調出井場的監控畫面，并且可以在屏幕上畫出一些線條和閉合的多邊形，只要在攝像頭固定角度的時候，如果有變化的色彩碰觸到這些畫好的線條或進出閉合的多邊形，就會發出報警，以這種非智能的方式間接提醒工作人員注意井場的動態。

夜間，井場需配備一定亮度的探照燈，才能實施監控，遇到雷雨天氣攝像頭出現故障的概率就會高一些。

2．3計量間、集輸站自動化

計量間的自動化主要方向就是操作，附帶著一定量的監控和傳感數據。中控室發出指令，通過PLC傳送到某個電動執行裝置進行動作，從而完成計量倒閥任務，需要監控分離器液位變化，記錄上液時間，監控分離器壓力、出口壓力、單井來液溫度、閥位狀態，還有一個計量間內可燃氣體濃度傳感器，這些數據都直接傳送到PLC，PLC連接交換機。

圖6.自動化計量間

2．4車輛GPS監控

中控室配有一臺專門監控采油區所有車輛的電腦，安裝有GPS客戶端，可以對所有車輛的地理位置、運行車速、車內操作進行監控和記錄。不僅可以實時監控，也可以調出歷史記錄進行回放，對違章行為進行追責，促進行車的安全。

3．物聯網在采油區的應用前景

縱觀目前油區的自動化現狀，還不能完全稱之為物聯網，但是現在的狀態是處在向物聯網演進過程中的初步發展階段，如果想進一步向物聯網發展，大多數的設備都不需要完全廢除，只需給相應的設備添加一些更加智能的芯片，網絡的傳輸容量再擴充一下，或改用覆蓋更加廣泛、信號更加穩定的網絡資源（例如由三大運營商提供的3G無線網），就可以稱得上是物聯網了。

下面我就從構建物聯網的三個層面：感知層、網絡層和應用層分別探討在油田的可行性和構想。

3．1感知層

感知層好比人的眼睛、耳朵、鼻子，負責收集信息，在采油生產過程中所要收集的信息類型主要包括壓力、載荷、電流值，進入計量間采集的信息有溫度、可燃氣體濃度、液位數據、閥位狀態等，這些信息都有相對應的傳感器負責收集，只需要單向傳遞到中控室，工作人員負責監控，所以沒有必要再往更加智能的方向升級。但是載荷傳感器可以考慮，因為它負責產生油井的一項十分重要的數據——功圖，石油工程技術人員就是依靠功圖來間接判斷井下抽油泵的工況，判斷出工況才能具體實施不同的下一步措施，否則一出問題就不知什么原因，無從決定下一步工作，只能上作業檢泵，使生產成本增加。

如果把載荷傳感器納入物聯網的范疇，使技術人員在任何時間，任何地點，使用定制的或者通用的終端都能讀取到某口井的功圖，將極大的提高油井的管理水平。

由于功圖的重要性，為了減少自動化系統中其他因素對載荷錄取的影響，建議功圖的讀取從現有的自動化系統中脫離出去，建立一套獨立的系統，對其進行智能升級，向物聯網定義的方向發展。

由于本人是非專業人士，具體的實施方案可行與否，以及更深層次的技術細節無從得知，我只能根據現實生活中真實的、已經應用的類似事物做大膽的構想。例如我們人人都有的手機，從最初的只能打電話，到可以發短信，再到可以上網、拍照、播放音樂和視頻，其實當手機可以上網的時候，說明它具備了收發數據的功能，此時它又是一個接入互聯網的物體，從另一個定義去說，使用手機就可以算是一個物聯網的應用了。我的構想簡單地說就是把載荷傳感器制作成一部可以錄取功圖數據的3G手機，當然因為目的不同，通話功能、拍照功能、音樂播放功能等都可以去掉，只需要定時發送功圖數據，接收一些簡單的命令就可以了，網絡方面可以利用中國三大電信運營商的3G網，基本上可實現隨時隨地讀取某口井的功圖。如下圖：

圖7.現場讀取功圖

3．2網絡層

網絡層負責傳遞和處理感知層獲取的信息，也就是網絡建設。我區自動化網絡的現狀是：比較集中的計量間與計量間之間都是用光纖連接的，每個計量間都有一部交換機，是華為3Com公司出品的H3C 3600交換機，有四個光模塊接口，24個RJ-45接口，質量上乘，網絡比較穩定，問題主要涉及埋地光纖，因為油田每天各種施工比較多，生產部門的現場監督人員往往也不熟悉自動化部門的情況，所以經常出現光纖毀壞的情況，因此往后的建設施工都優先考慮光纖架空。

比較偏遠的井場，油井又不是很多，產量也不高，或者鋪設光纖成本較高的井場，比如我區有兩個井場與中控室之間隔有一條河，這些情況采用的是無線網橋傳輸，但是網絡極其不穩定，我懷疑廠家使用的是IEEE 802.11b標準的設備，傳輸速度11Mbps，實際傳輸速率是4Mbps到6Mbps，如果加入視頻監控，丟包問題很嚴重，基本上自動化變成了半自動化?？梢钥紤]升級成IEEE802.11g標準的設備，或者添加一個CDMA

DTU接入中國電信的CDMA網絡，該設備通過標準RS 485 或者RS 232 接口，把串口數據通過CDMA網絡進行透明傳輸，可直接與數據采集器、智能儀表、PLC、單片機控制器等廣泛用于工業現場的設備進行連接，實現終端和網管平臺的雙向通信。這種設備目前很多廠家可以生產，并且通過中國電信認證，中國電信免費提供應用對接測試平臺。

圖8.南京阿達爾生產的CDMA

DTU

圖9.中國電信物聯網應用和推廣中心

3．3應用層

應用層主要涉及到中控室的電腦，安裝相應的程序，實施智能分析與控制、信息的挖掘、行業增值應用等。我們現在的情況遠未達到起初設想的目標，比如登錄北京安控建設的冀東油田信息發布平臺，里面的查詢系統、一井一法管理系統中都有許多相當好的應用，只是由于感知層收集的數據并不完整和準確，所以應用層的應用也就無法開展。

不過相信隨著技術的進步、設備的完善，人們勇往直前的摸索和嘗試，總是會進步的。

4．結束語

目前，我國物聯網發展與全球同處于起步階段，初步具備了一定的技術、產業和應用基礎，呈現出良好的發展態勢。產業發展初具基礎，技術研發和標準研制取得突破，應用推廣初見成效。盡管我國物聯網在產業發展、技術研發、標準研制和應用拓展等領域已經取得了一些進展，但應清醒的認識到，我國物聯網發展還存在一系列瓶頸和制約因素，主要表現在以下幾個方面：核心技術和高端產品與國外差距較大，高端綜合集成服務能力不強，缺乏骨干龍頭企業，應用水平較低，且規模化應用少，信息安全方面存在隱患等。

以鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，深入貫徹落實科學發展觀，把握世界新科技革命和產業革命的歷史機遇，抓住我國加快培育和發展戰略性新興產業的契機，加強統籌規劃，促進協同發展；加強自主創新，注重應用牽引；加強監督管理，保障信息安全；加強政策扶持，優化發展環境。重點突破核心技術，研制關鍵標準，拓展規模應用，構建產業體系，為我國物聯網的全面發展并在新一輪國際競爭中占據有利位置奠定堅實基礎。

物聯網將是下一個推動世界高速發展的“重要生產力”！

第五篇：無線傳感器在數字化油田的應用

無線傳感器在數字化油田的應用

前言

井口數字化建設是油田地面工程數字化建設最底層、范圍最廣、最關鍵的現場部分，主要完成對現場井口、站點的數據采集和控制。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井等。在數字化油田井口建設中，使用無線傳感器可以減少建設周期、維護方便，適合于規模施工，全面建設數字化油田。下面以中石油青海油田為例，介紹無線傳感器在油田中的應用。

1.背景介紹

中石油青海油田公司是集油氣勘探、開發、研究、生產、銷售為一體的大型石油公司。作業區域在素有“聚寶盆”之稱的柴達木盆地。石油資源量達21.5多億噸，天然氣資源量近25000億立方米，目前油氣勘探程度較低，具有廣闊的發展前景。

自2000年以以來，青海油田在部分區塊已經建立了井網自動化系統，典型系統如尕斯區塊、躍進區塊、七個泉區塊，覆蓋約500多口油井。但是原有系統的覆蓋面小，對于整個油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現自動化監控；另一方面，隨著電子技術、通信技術的發展，在已有系統中，早期建成的部分系統采用的產品和技術已經逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出的一些問題。

2011年青海油田的數字化油田項目，完成對現場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的數字化建設。最終要在2011年底建立起覆蓋整個油田的、技術先進、質量可靠、便于使用維護的基于物聯網的油田數據采集和監控（SCADA）系統，實現數字化油田的建設目標。

在實時監控方面，實現對油井的遠程示功圖、電流圖、功率圖采集，三相電參數采集和中控室遠程啟?？刂?；在生產管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析，通過電量數據掌握油井耗電情況和采取節能措施，通過功圖計產分析制定油井管理措施；在生產信息方面，在鉆采院室設置數據庫服務器和WEB發布服務器，實現油田生產信息在油田范圍內的信息共享。

1.1數字化油田項目

既包括新建區塊（對原來沒有實現自動化的區塊進行自動化建設），也包括老區塊改造（對已有自動化的區進行改造和完善）。其中新建區塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約20口，此外還包括600多口注水井；老區塊改造的油水井總數約數百口。這些油水井隸屬于3個采油廠12個區塊。

各種井口要實現的功能如下：

2.數字化油田的總體結構設計和產品選型

井口數字化建設主要由井口控制終端(RTU)、現場檢測設備、通訊鏈路組成的一套（SCADA）數據采集控制系統。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進行井口數據通訊以及如何使數據穩定準確及時的傳輸到中控室，都決定了系統的穩定性、實用性和可靠性。

在2011年的新系統建設和老區塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統類似，但是在井站系統的通信系統設計和產品、技術選型方面，卻發生了本質的變化。

在產品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產的高性能一體化無線RTU產品和無線傳感器，安控產品既保留了其傳統的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術。對于該油田已有系統的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造，擴充出無線通信接口。

在井站系統通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間采用先進的ZigBee無線技術，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優點，代表了短距離無線通信技術的發展趨勢，并由此帶來施工簡化、調試維護簡單、建設周期短等優點。井口RTU與上級監控中心之間的數據通信，則采用了CDMA通信網絡。

2.1井站自動化系統的總體結構

在高標準、高性能、高穩定性的原則指導下，青海油田數字化油田系統結構如下圖所示，包括數據采集部分、網絡通訊部分和采集驅動WEB發布三大部分

●每個井口通過無線傳感器采集所需數據；

●充分利用ZigBee網絡特點，一個平臺井口的所有無線儀表接入到同一個無線RTU，組成Mesh網絡，提高通訊可靠性；每個RTU可以帶64塊儀表；

●所有無線儀表和無線RTU支持手操器調試，方便現場維護；

●無線RTU采集到的無線傳感器數據，通過CDMA 1X網絡上傳到監控中心，并在本地存儲歷史數據，支持數據補傳功能；

●監控中心搭建油氣水井數字化生產信息平臺，通過WEB方式發布井口實時數據；

2.2產品選型

在油田井口數字化建設中，相關產品選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設備。這些設備均支持ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數據連接層上制定出的標準，具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。

北京安控科技股份有限公司（簡稱“安控科技”），是專業從事工業級RTU產品研發、生產、銷售和系統集成業務的高新技術企業，是行業領先的工業級RTU產品供應商和系統集成服務商，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產品鏈，擁有完善的油氣田自動化和環保在線監測專用產品。

2.2.1無線電量模塊

抽油機井、電潛泵井的數據采集設備，選用的是安控科技的SZ308無線電量模塊，可實現三相電壓、三相電流、有功功率、功率因數、有功電能等電參數采集，實現抽油機啟停狀態采集，實現抽油機的啟?？刂?，與SZ902N配合實現抽油機井電流圖、功率圖的采集。模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個RS232接口、1個RS485接口，內置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線。

SZ308無線電量模塊采用先進的32位處理器，不僅能完成電參數的采集，還能實現數據處理、通訊聯網等功能；強大的通訊組網能力和卓越的環境指標特性，能夠適應各種惡劣工況環境。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。

2.2.2無線功圖傳感器

抽油機井示功圖采集選用安控科技的SZ902N無線功圖傳感器，可自動測量抽油機井地面示功圖（沖程、沖次等），實現對有桿泵示功圖的采集。示功圖數據以ZigBee無線通信方式，傳輸到井口無線RTU中。

SZ902N無線功圖傳感器，設備簡單，只有一個與傳統載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線儀表電纜敷設的施工量，安裝簡化快捷；運行穩定，使用電池供電，可消除外界電網干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動，不易被人為破壞；技術先進，可設置多個頻點，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產品，利用太陽能充電安全環保。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。

2.2.3無線數字壓力表

井口油壓、套壓采集選用安控科技的SZ903D無線數字壓力表，實時監測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線數字壓力表，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。

2.2.4無線扭矩傳感器

螺桿泵井口扭矩、負荷、轉速采集選用安控科技的SZ904無線扭矩傳感器，實時監測螺桿泵井口扭矩、負荷、轉速。SZ904無線扭矩傳感器，采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。

2.2.5無線數字溫度表

井口溫度采集選用安控科技的SZ905D無線數字溫度表，實時監測井口油溫和注水井注水溫度。SZ905D無線數字溫度表，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與井口RTU進行數據通訊。

2.2.6無線RTU

井口無線RTU選用安控科技的SZ932無線網關產品。該設備具有1個ZigBee無線接口、1個RS485接口、1個RS232接口、1個TCP/IP網絡接口，因此可以廣泛用于以下場合：

（1）接收SZ90X無線儀表的數據；

（2）實現有線通信和無線通信之間的轉換；

（3）實現第三方產品的協議轉換；

（4）作為網關設備，將有線RS232/RS485或者無線通信轉換為網絡數據傳輸；

在油田井口數字化建設中，SZ932無線RTU可以通過ZigBee接口接收井口無線儀表的數據，并通過ZigBee或其他通信方式將井口數據上傳到監控室。主要支持的通信方式為

1)GPRS/CDMA DTU通信

2)無線網關通信

3)SCDMA大靈通通信

4)數傳電臺通信

5)有線RS485通信

2.3網絡通信設計

從系統結構圖可以看出，通信設計采取了ZigBee+CDMA 1X方式，達到實時數據采集、傳輸、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網絡，實現后臺信息共享，信息管理等應用。

2.3.1 ZigBee無線應用部分

每個叢式井場，一般有3、4口井相對比較集中,采用短距離無線技術可以節省成本同時也降低了施工強度。無線技術采用的是ZigBee的無線網絡協議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-250m的范圍內，但可以繼續增加。

2.3.2 CDMA應用部分

井站是分散的，且與作業區監控中心的距離相對較遠。井口采集數據要統一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠的CDMA作為媒介，以保證數據傳輸的實時性、可靠性和穩定性。

3．系統實現的功能

數據采集包括井口數據采集、作業區監控中心。

3.1井口數據采集部分

1)功圖法量油

在井場，井場配套無線功圖傳感器SZ902N，實現油井功圖全天候采集。在作業區監控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產量情況和分析故障原因。

2）電流圖、功率圖采集

無線電量模塊與無線功圖傳感器配合，實現油井電流圖、功率圖全天候采集。在作業區監控中心則安裝專門的分析診斷軟件，及時掌握油井電機運行情況和分析故障原因。

3）電參采集、油井壓力、溫度采集

在抽油機控制箱配套無線電量模塊SZ308，監測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；監視抽油機運行狀態，對電機缺相、過載、空轉等故障實現自動報警，并能根據控制中心命令實現啟?？刂啤?/p>

在油井上安裝無線數字壓力表SZ903D，實時監測油壓和套壓的變化。

在油井上安裝無線數字溫度表SZ905D，實時監測井口出油溫度的變化。

3）螺桿泵井

在螺桿泵井井口安裝無線扭矩傳感器，實時采集光桿的扭矩、負荷、轉速。在作業區監控中心則安裝專門的螺桿泵量油診斷軟件，及時掌握螺桿泵井產品情況。

無線RTU SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數據，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數和電能等參數，并據此制定節能降耗措施。

4）電潛泵井

在電潛泵井控制箱內配套無線電量模塊SZ308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監控。

5）注水井

在注水井安裝無線數字壓力表SZ903D，實時監測注水井壓力的變化。

3.3監控中心部分

建立油氣水井數字化生產信息平臺，通過WEB方式實現流程監控、功圖分析、生產曲線、報表生成、操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢。提高了油田油井系統運行可靠性、安全性與經濟效益，減輕了調度員的負擔，實現了油田調度自動化與現代化，在提高調度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。

4．無線傳感器在油氣田數字化建設中的優點、效益分析

與傳統的產品選型和系統設計相比，無線傳感器在油氣田數字化建設和使用中均顯示出了獨特的優點：

4.1施工簡便、低成本，節省材料和人工

油田傳統的井站自動化系統的建設方式，以某油田原有的老區塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。

而在無線傳感器應用的系統中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調試，施工成本被降到了最低。

4.2施工快捷，建設周期短，便于后期維護

由于新系統的建設省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數倍。

以安控科技生產的無線功圖傳感器的安裝為例，傳統的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內。

井場內自動化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產效益的提高。

在系統的后期維護方面，某油田老區塊原有的信號和通信電纜，在修井作業中經常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線傳感器則免除了這一問題。

4.3適合于規模施工，全面建設數字化油田

隨著電子技術、計算機技術的進步，特別是國產設備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產品的采購成本已經逐漸降低；而無線技術的應用，則帶來了施工費用的大大降低。

僅僅在數年以前，油田數字化建設的投資還只能針對重點區塊、建設重點工程。而目前最新的技術和產品，則為全面建設數字化油田創造了條件。