大数据背景下抽油机数据采集系统的设计与运行

董云峰　张宏伟

【摘 要】油井数据采集管控系统是一个将抽油机生产控制、数据监测和管理这三大步融合在一起的生产过程自动化控制体系。此系统的实施离不开油田作业的抽油机，它可以实时监控油田作业的抽油机，将人工智能测控仪器仪表作为人的“眼睛”，并通过计算机的网络通信将计算机网络的一部分延伸到油井所在之处，这样就形成了油井数据采集的自控系统。此数据采集系统有严格的等级关系，每个分支下的系统都具有独立的网络系统和布线系统，各个公司或者是其他单位想要得到生产数据的话，可以通过网络与公司其他生产单元监控操作站相连将生产数据发送到公司的部门，同时监控操作站又与公司企业的信息网相连，极大地增加了便利。抽油机数据系统采集有3层功能，即生产管理、监控和过程控制，其中过程控制部分是整个采集系统的关键部分，也是整个采集系统的核心。

【关键词】大数据背景；抽油机；数据采集系统；信息集中性；系统可靠性

【中图分类号】TP274 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0119-02

大数据，从字面上来理解，它是超出传统数据软件工具承接能力范围的数据集合，它的数据规模更大、数据流转速度更快，数据类型更多元、价值密度更低。大数据的运行主要是对已经接受的数据进行再操作，如辨析、抓取、分类等。通过大数据的分析，可以促成更强的决策能力、洞察力和最佳化处理。在当今大数据背景下，世界上98%的工作运转都与大数据有关。抽油机的工作原理比较繁琐，它需要动力机提供动力，然后用减速机把动力机的高速转动变化成抽油机曲柄的低速旋转，同时曲杆—连杆—游梁机构起作用，它把旋转运动变为抽油机驴头的往复运动，这种往复运动是上下而行，从而带动深井泵工作，上行时驴头悬点提起抽油杆，让抽油杆抽出液体，即可抽出油，然后下行，反复上下而行，即可源源不断地抽出油。但是如果抽油机没有进行平衡，电动机的负载和耗能就会变得很大，也会降低抽油机的使用寿命。现如今，抽油机在世界范围内有很多种，所用技术也是各有不同。在对抽油机进行分类时，人们大多都是根据抽油机的采油方式而分类，将其分为有杆类采油设备和无杆类采油设备，而前者又可分为抽油杆往复运动类和旋转运动类。我国的抽油机大多属于往复运动类抽油设备，这种设备在我国也有很多年的使用历史，为我国的石油事业做出过巨大贡献，现在这种设备仍然在我国使用。无杆类采油设备可分为电动液压驱动类、气举采油设备和潜油离心泵，此类抽油机在我国使用较少。

1 抽油机数据采集系统的设计

一般在油田油井的附近会安装1台计算机，这台计算机负责油井数据的读写、查询、分析处理及数据曲线的绘制和数据报表的打印。做好以上工作后，此计算机会将所处理好的信息通过USB电路传给微处理器。微处理器分3个，其分工如下：微处理器一负责无线接收，数据存储，由液晶显示电路、键盘电路和日历时钟电路实施；微处理器二会将微处理器一所接收的数据进一步无线接收，并且存储，然后再进一步传给微处理器三。这3个微处理器所处距离不会太远，它们之间采用近距离无线传输数据。在20世纪70年代中期，社会上推出了一款集中分散型控制系统DCS，它是以处理器为基础的集中分散声控系统。这款系统是油井中的抽油机数据采集的核心，自从这款系统推出后就在世界范围内使用，并一直占有主导地位。

1.1 大数据背景下，数据采集系统的设计原理

目前，抽油机采集系统大多已发展为无线数据采集，其中抽油机参数采集系统会对各种信息进行采集、运算、分析、并储存，并且可智能地综合各种有效的信息因素进行运算并判断，从而达到合理高效节能减排的采油目的。同时，抽油机这种无线数据采集技术还可以对抽油机多种数据进行分析，例如油压、套压、回压、功率，电流等，并且可以根据这些数据作出图像，全面地进行比较权衡，选出最优秀的方案。以上都是对抽油机系统软件方面的分析和介绍。对抽油机的硬件方面也有很高的要求。例如，抽油机是在油田工作，属于露天状况，在自然情况下，大自然的阴晴雨雪会影响抽油机的工作，所以抽油机要从抗干扰、温漂、稳定性、可靠性等方面进行设计。与此同时，由于制造抽油机的成本较高，有些不法分子会对抽油机打歪主意，因此抽油机的设计要防盗、防破坏。抽油机采集系统的运行是非常严密的，它主要由3个阶段构成。最基本的阶段是前端信号采集模板，主要负责前端信号的采集收集及简单处理，通过简单的处理后再传送给数字隔离模块，再通过中间一系列复杂步骤，最后传送到控制及主站显示。

1.2 大数据背景下，数据采集系统的设计模式

数据采集系统大概由第一层控制中心、第二层工作站、巡检仪、传感器及各个生产区组成。低层控制中心属于生产管理级，第二层工作站属于监控级，而生产区巡检仪和传感器一些小部件是在过程控制中起作用，所以说巡检仪、传感器、生产区属于过程控制级。这里最基本的就是各个生产区，因为抽油机都是在各个生产区中工作。这3个部分构成了油井生产管理，并且此系统是分层控制结构的系统。这个系统通过控制多个控制卡及其子系统模板组成的过程装置控制级来间接掌握信息，传送数据。大概的分层结构如下：各个生产区产生的数据通过巡检仪传送到第二层工作站的過程就是监控级，而生产区将数据传送到传感器和巡检仪的过程为过程控制级，扮演监控级的第二层工作站可同时管理巡检仪和传感器2个部分，收到的数据通过第二层工作站简单处理即可通过网络传送到第一层中心控制室。每个油田都会有他自己独立的网络系统和布线系统，这个网络系统不同于平常我们使用的网络系统，它只应用于油田数据的传送，这就增加了数据传送的安全性，通过此网络系统，可直接将油田产生的数据发送到企业部门或者相关的管理部门。此过程虽较为繁琐，但却有条不紊。

2 抽油机数据采集系统的运行

抽油机数据采集系统的运行正如其设计原理一样，都是层层进行、步步传递，离不开过程控制级、监控级及生产管理级这3个层次方面。抽油机数据采集系统包括油井数据的采集器、中间过程的传感器、巡检仪等元件，还包括第二层工作站及第一层中心控制系统，数据采集系统的运行需要这3个部分都毫无差错地进行，中间任意步骤出现差错都会造成抽油机采集数据的缺失和差错，带来极大的麻烦，甚至造成重大的经济损失，同时还有可能对自然环境造成伤害。所以，在抽油机数据采集系统的运行过程中要认真谨慎地对待每个过程、每个流程，一丝不苟地对待每个数据。同时，在运行过程中要严格按照采集系统的应有顺序去实行，不可任意颠倒实行顺序。

2.1 大数据背景下，数据采集系统的运行机理

抽油机的数据采集系统可以控制抽油机的运行，控制抽油机的生产，也能控制抽油机的运转，同时还能监控抽油机的运行数据及运行状况。抽油机的数据采集系统利用计算机网络获取数据，其运行及功能主要是靠系统主机、过程机及其自身的直接数字控制。同时数据采集系统还包括多个子系统，如上文所述，它的各个子系统之间都有独立的网络系统，互不干扰，互不影响，独立运转。此外，此数据采集系统还有空抽控制的功能，这個功能不仅可以节约大量的能量，还可以延长抽油机的使用寿命，为国家节省大量的资源。抽油机数据采集系统主要在报表、数据及综合运用等功能模块发挥它最大的作用。数据采集系统通过信息采集网络化和数字化，扩大数据采集的覆盖范围，提高审核工作的全面性、及时性和准确性，这也是油田工作数据如此之严密的原因。与此同时，数据采集系统拥有各种智能仪表和各种传感器、控制器，其中传感器和各种智能仪表构成了数据采集系统的测量控制级，而控制器构成了油田的生产系统操作级，有的生产操作级不利用控制器而是选择PCL为核心下位机，与其相对应的，同时具有网络功能的上位机便为数据采集系统的监控级做出贡献。这些控制级别相互关联，又同时与监测站相连，层层相连，步骤严密。

2.2 大数据背景下，数据采集系统的运行优点

抽油机数据采集系统的作用巨大，一个关键的作用就是通过对系统数据的设定。在抽油机运行时，上下载荷出现超限低限的问题都会自动停机，从而保证抽油机井的安全生产，避免不必要的损失。还有一个关键作用是抽油机的系统可靠性，想要提高系统的可靠性，就要提高系统设备的性能和安全，而要提高系统设备的性能和安全，就要了解该系统的一些仪器的实际指标，包括温度、流量，其中最重要的是压力。这些压力、温度和流量的值会被设备的采集和传感器作为电信号所读取。而压力测量的信号采集大多采用应变式压力传感器，这种传感器的精度较高，一般在0.2%～0.3%，电压一般控制在0～5 V。至于温度，数据采集系统一般会采用半导体集成温度传感器AD59kh，此传感器是美国的AD公司所设计生产的，这款温度的传感器会输出标准化的线性电流，这些线性电流又会转化为电信号被传感器所读取，取出其中电流的脉冲信号，将电信号数字化，变为人们可理解的数据。由上可知，我们通过减少非正常电信号对设备的线性电流脉冲信号冲击，来减少系统的硬件损失，延长硬件的使用寿命。此外，抽油机的数据采集系统会有数字I/O隔离模板，使得传感器将模拟信号变换成数字信号，变为数字信号后就可以在电脑上被CPU收集和处理，A/D转换为12位精度的转换模板。有了这个处理，就可以避免电流转换的输送单元与强电流直接相触，强电流直接入侵Al模板，而损坏Al模板造成故障，这样中间的电信号没有被数字化，导致很多负责收集的控制级主站出现收不到数据信号的现象。

参 考 文 献

[1]岳彩祝，王超.智能油田远程监控技术的研究与应用[J].化学工程与装备，2017（7）：93-95.

[2]刘殿军，管翠翠.油田自动化系统中的油井监控技术应用分析[J].中国石油和化工标准与质量，2017，37（9）：172-173.

[3]刘同录.基于DCS原理设计的抽油机数据采集系统[J].现代电子技术，2009（18）.

[责任编辑：钟声贤]