（控制理论与控制工程专业论文）抽油机在线监控系统的研究与实现.pdf

硕1 j 学何沦文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼苎! ! ! 曼曼曼! ! ! 曼曼曼! 曼! 寰皇曼舅曼i 一i 曼曼! 曼曼! 皇! 皇曼鼍曼曼! ! 曼曼量皇曼曼苎! ! 皇! ! 曼曼! 曼曼曼! ! ! 罡 摘要 油田生产的主要目标是提高原油产量。提高抽油机的工作效率，保障抽油机 安全运行是提高产量的主要措旌。多数油田生产企业采用人工巡检的方式来对抽 油机进行维护。这种方式虽然有一定效果，但是，由于人员有限和技术手段的落 后，使得企业无法及时掌握每一台抽油机的运行状况，从而不能及时对抽油机出 现的故障进行排除。随着计算机技术和通信技术的快速发展，以及油田自动化发 展的需要，以数传电台与g s m 短消息为通信方式的现场数据采集终端逐渐出现。 但是，由于数传电台受到功率和无线频率的限制，以及g s m 短消息数据流量的 限制，使得这两种采集终端没有得到广泛的推广。近年来，g p r s 无线通信方式 快速发展，g p r s 通信方式具有实时性好，传输速率高，不受地域限制等特点。 鉴于以上优点，研发的带有g p r s 无线通信模块的抽油机现场采集终端，实现了 对现场生产数据的实时采集。监控中心的监控管理系统多采用软件编程来实现监 控，报警等功能。但是，编程的难度大，开发成本高，通用性差，并且该类监控 系统只能实现对抽油机运行参数的监控，不能实现对抽油机运行状况的综合分析。 作为数据采集和过程控制的组态软件很好的解决了这个问题，组态软件免去了大 量繁琐的编程工作，降低了开发成本，并具有良好的移植性与扩展性。m c g s 作 为国内比较可靠的几种工控组态软件之一，可以很好的实现数据的实时监测、故 障报警、实时数据显示、统计报表管理，远程控制等功能。并且利用m c g s 的可 扩充性，可以利用v b 等语言设计故障诊断专家系统，从而实现对抽油机运行状 况的综合分析。 本文分析了g p r s 网络数据传输的原理，以及监控中心接收数据的方式。利 ，用m c g s 组态软件设计了监控管理系统，实现了数据的实时监控，同时运用m c g s 的策略构件开发环境，实现了示功图的远程显示。通过分析示功图，给出了一种 判断空抽的计算方法。根据所监测的电机电压、电流，抽油杆载荷、位移，减速 器振动等数据的变化分析了抽油机的故障原因。接着结合当前专家们对故障诊断 的常用思维，用产生式规则建立了知识库；同时使用不精确推理方法，建立了推 理机制，实现了一个集故障诊断与操作建议为一体的抽油机故障诊断专家系统模 型。 最后，对全文工作进行了总结，指出了抽油机故障诊断专家系统需要进一步 完善的地方，并进行了展望。 关键词：抽油机；在线监控；g p r s ；m c g s ；专家系统；故障诊断 a b s t r a c t t h em a i no b j e c t i v eo fo i lp r o d u c t i o ni st oi n c r e a s eo i lp r o d u c t i o n i m d r o v et h e e f t i c i e n c ya n dp r o t e c tt h es a f eo p e r a t i o no fo fo i lp u m pa r et h em a i nm e a s u r e st o 1 r e p r o v ep r o d u c t i o n t h em a j o r i t yo fo i lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e su s i n ga r t i f i c i a lm e a n s o i - 1 n s p e c t i o nf o rm a i n t e n a n c et h eo i lp u m p a l t h o u g ht h i s a p p r o a c hh a sac e r t a i n e f f e c t ，b u tb e c a u s eo fl i m i t e dp e r s o n n e la n dt e c h n i c a lm e a n so ft h eb a c k w a r da n d a l j o w se n t e r p r i s e st on o tb ea b l et og r a s pt h eo p e r a t i o no fe a c ho i lp u m ps t a t u s a n d t h u ss h o u l dn o ta p p e a ri nt i m ef o rt h eo i lp u m pt or u l eo u tt h ep o s s i b i l i t yo f f a i l u r e w i t ht h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n t e c n n o l o g ya n da u t o m a t i o nn e e d so ft h ed e v e l o p m e n to fo i lf i e l d s ，d i g i t a lr a d i oa n d g s ms h o r tm e s s a g ef o rt h ec o m m u n i c a t i o no f f i e l dd a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a lh a v eb e e n a p p e a r e d h o w e v e r ，b e c a u s eo fd i g i t a lr a d i ob yt h er a d i o f r e q u e n c yp o w e ra n d i im l t a t i o n s ，a sw e l la st h eg s ms h o r tm e s s a g et r a f f i cr e s t r i c t i o n s ，t h e a c q u i s i t i o no f t n e s et w ot e r m i n a l sh a sn o tb e e ne x t e n s i v e i nr e c e n ty e a r s ，g p r sr a p i dd e v e l o p m e n t o tw l r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，g p r sh a v ew e l lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n ，h i g ht r a n s f e r r a t e , w l t h o u tg e o g r a p h i c a lr e s t r i c t i o n sa n ds oo n i nv i e wo ft h e s e a d v a n t a g e s ， r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw i t hag p r sw i r l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e c o l l e c t i o n t e r m i n a lu m ta tt h es c e n e ，r e a l i z er e a l t i m ep r o d u c t i o nd a t ac o l l e c t i o n m o n i t o r i n gc e n t e rc o n t r o ls y s t e mu s eo fs o f t w a r e p r o g r a m m i n gt oa c h i e v e m o n l t o r i n ga n da l a r mf u n c t i o n s h o w e v e r ，p r o g r a m m i n gi sd i f f i c u l t ，a n dd e v e l o p m e n t c o s t s1 s h i g ha n dg e n e r a lb a d a n dt h i sk i n do fm o n i t o r i n gs y s t e mc a no n i va c h i e v e o p e r a t i n gp a r a m e t e r sc o n t r o l ，c a nn o tb ea c h i e v e do n t h eo i l p u m pt o r u na c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es i t u a t i o n a sd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s sc o n t r o l ， c o n i l g u r a t i o ns o f t w a r es o l v e dt h ep r o b l e m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r er e m o v e df r o mal o t o ft e d l o u 8p r o g r a m m i n ga n dr e d u c e s d e v e l o p m e n tc o s t s ，a n dh a sg o o dp o r t a b i l i t ya n d e x p a n s i b i l i t y m c g sa so n eo fd o m e s t i ci n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，c a na c h i e v e g o o dr e a l t i m ed a t am o n i t o r i n g ，f a u l ta l a r m ，r e a l - t i m ed a t a ，s t a t i s t i c s i t l a n a g e m e n t ， r e m o t ec o n t r o lf u n c t i o n s ，a n dt h eu s eo fm c g s s c a l a b i l i t y ，w ec a nu s ev b1 a n g u a g e d e s l g n ，s u c ha sf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi no r d e rt oa c h i e v et h es t a t u so f t h eo i l p u m pt or u n ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s 1h i sp a p e ra n a l y z e st h eg p r sn e t w o r kf o rd a t at r a n s m i s s i o n p r i n c i p l e s ，a sw e l l a st h ec o n t r o lc e n t e r t or e c e i v ed a t a u s em c g sd e s i g n e dt h e c o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，r e a l i z e dr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h ed a t a ，w h i l eu s et h es t r a t e g y l l 硕一卜学位论文 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fm c g s ，r e a l i z e dt h ei n d i c a t o rd i a g r a mo ft h er e m o t e d i s p l a y b ya n a l y z i n gt h ei n d i c a t o rd i a g r a m ，g i v eam e t h o do fc a l c u l a t i n ge m p t y p u m p i n g a c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n go ft h ee l e c t r i c a lv o l t a g e ，c u r r e n t ，r o dl o a d ， d i s p l a c e m e n t ，v i b r a t i o nr e d u c e r ，s u c ha sc h a n g e si nd a t aa n a l y s i so ft h ec a u s eo ft h e m a l f u n c t i o no fo i lp u m p t h e nc o m b i n e dw i t ht h ec u r r e n tf a u l td i a g n o s i so ft h ee x p e r t s t h o u g h to ft h ec o m m o n l yu s e d ，a n dp r o d u c t i o nr u l e ss e tu pak n o w l e d g eb a s e a tt h e s a m et i m e ，t h eu s eo fi m p r e c i s er e a s o n i n g ，s e tu par e a s o n i n gm e c h a n i s m ，as e to f i m p l e m e n t a t i o na n do p e r a t i o no ft h ep r o p o s e df a u l td i a g n o s i si n t e g r a t e df a u l t d i a g n o s i su n i te x p e r ts y s t e mm o d e l f i n a l l y ，as u m m a r yo ft h ef u l lt e x to ft h ew o r k ，p o i n t i n go u tt h ea s p e c to ff a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mn e c e s s a r yt of u r t h e ri m p r o v e ，a n dm a d ee x p e c t a t i o n k e yw o r d s ：o i lp u m p ；o n l i n ec o n t r o l ；g p r s ；m c g s ；e x p e r ts y s t e m ；f a u l t d i a g n o s i s i i i 抽油机在线监控系统的研究与实现 插图索引 图2 1 系统结构示意图5 图2 2 抽油机管理系统结构图一6 图3 1 系统结构图1o 图3 2 套接字连接流程图1 2 图4 1 系统功能框图1 4 图4 2 组态工程的结构图17 图4 3 系统的菜单设计1 7 图4 4 抽油机在线监控主界面一1 8 图4 5 驱动流程如图2 2 图4 6 添加g p r s 设备2 5 图4 7g p r s 设备属性窗口2 5 图4 8 实时监控窗口2 6 图4 9 报警设置2 6 图4 1 0 报警窗口2 7 图4 1 l 构件安装一3 0 图4 12 示功图数据3 0 图4 13 示功图3 0 图4 1 4 监控仪参数修改3 1 图4 15 历史数据浏览3 2 图4 1 6 登录窗口3 3 图5 1 理论示功图3 4 图5 2 示功图数据离散化表示3 8 图6 1 专家系统结构图4 5 图6 2 故障库管理4 7 图6 3 正向推理过程5 0 图6 4 手动诊断5 2 图6 5 补充征兆5 2 图6 6 诊断结果5 2 i v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 枨老 日期：o7 年丁月2 日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：a7 年y 月日 e t 期：o7 年j - - 月沈日 i 硕t - 学何论文 1 1 课题来源 第一章绪论 抽油机在线监控系统的研究与实现的课题来源为：甘肃省经贸委项目。 1 2 课题的研究目的和意义 近年来，由于我国经济的迅速发展，石油工业的战略地位越来越重要。 石油工业是一个高风险产业，油田安全生产是石油工业生产和发展的基础 和前提。由于油田生产环境条件苛刻，过程连续性强，生产过程相对复杂， 被控对象( 如油井，计量站) 分布广，以及一些人为因素等，一旦发生事故就 会造成巨大的灾难和经济损失【l 】。 抽油机的工况条件恶劣，而且无人监护，所以提高制造质量，研究测 试诊断技术，开发自动监控技术，开展现场跟踪服务，是延长抽油机使用 寿命的有效措施。 在油田生产作业向大规模、大容量和自动化方向发展的同时，用于油 井现场进行石油采集的抽油机就显得尤为重要了。在一些开采历史较长的 油田中，采油站的建站时间较早，站内设备较陈旧，上一级单位缺乏对各 采油站内抽油机运行状态的实时监控手段，不利于生产管理。另外采油站 多位于偏僻之处，夜间因人为破坏致使抽油机故障停运的情况时有发生， 如不及时发现处理，不仅造成原油产量和设备的损失，甚至可能造成人身 伤亡事故。 随着油田现代化管理进程的不断加快，迫切需要一种全天候、2 4 小时 无人值守的监控方式，来保证抽油机的安全运行。因此及时掌握抽油机的 运行状态以及井口原油温度、压力参数对采油作业的安全生产有十分重要 的意义。目前国内对抽油机运行状态与井口参数的监测主要采取人工定期 巡检的方式进行。但在具体实施中存在误差大、作业流程复杂，监测周期 长、费用高等很多不足，在技术经济上不能适应油田自动化、信息化发展 的要求。因此，研制开发出抽油机在线故障监测保护监控系统对于确保抽 油机的安全稳定运行，促进油田信息化监测技术的发展意义十分重大；同 时，由于目前抽油机在全国的用量十分庞大，近几年我国又相继发现了许 多大油田，油井和站的数量将逐步增加，各种井、站仍在不断建设中。因 此，该项目的研制有着广阔的市场前景。 1 3 国内外油田监控现状及发展趋势 随着石油科技快速发展以及信息化浪潮的推动，石油工业正在向智能 化和信息化过渡，“企业信息化”、“管控一体化 已成为实现“降本增 效，提高管理水平 这一油田改革目标中的一个重要课题。目前已经安装 抽油机存线监控系统的研究彳文现 自动化设备的井站比例很小，大多数数据采集还是依靠人工完成，虽然一 定程度上已建立了油田管理部门一级的管理信息系统，但油井现场的数据 还不能实现无缝上传，无法实现高效的采油调度管理1 2 j 。 我国的油田自动化水平与发达国家相比还有一定差距，发达国家油田 生产和监控自动化水平较高，发展速度快。目前，欧美等发达国家已经将 全球定位系统和利用卫星进行数据传输运用于石油行业各个领域。卫星通 信具有传输距离远，通信频带宽，传输容量大，组网机动灵活，不受地理 条件的限制，可以说覆盖了全球各个角落。但是建站成本和通信使用费惊 人，目前还不适合我国广泛应用1 3j 。 1 3 1 数据传输方式 目前，根据国内油井在油田的分布特点，除了人工巡检的方式外，实 现站点间的数据传输技术有：基于短波数传电台的无线超短波和基于移动 通信网的g s m 短信( s m s ) 。随着g p r s 技术的发展，抽油机监控系统逐渐 向着应用g p r s 网络的方向发展。 以下介绍了三种数据传输方式的基本概念和特点： 无线超短波：可用于点对点或点对多点的工作环境，提供标准接口， 可直接与计算机、r t u ，p l c 等硬件设备进行连接，实现透明传输，传输 速率为12 0 0 19 2 k ，频点间隙为2 5 k ，采用工业频段2 30 m h z 或4 0 0 m h z ， 接收灵敏度较高、设备简单、建设周期短、易于实现。主要适用于丘陵地 带、且中继站数目和中继级数较少的通信系统。组网时需要根据实际环境 架设天线，中心站一般要求2 0 3 0 米，分站在1o 米左右，超短波受电台数 量的限制，适合小规模应用( 比如各个采油队的监控) 。但是在长距离的情 况下使用此通信方式，所需中继站的数目及中转次数将明显增加，从而导 致设备费用的增加和可靠性的下降。 g s m 短信( s m s ) ：利用g s m 网络实现数据采集设备、手机终端和监 控中心之间的通讯接口。采用这种方式，用于数据流量较小或只在异常情 况下需要告警时，费用低，不适合抽油机实时数据传输。 g p r s ：一种分组交换系统，有实时在线，按量计费，快捷登录、高速 传输等特点。这种方式传输数据实时性好，传输速率高，不受地形或地域 的限制，按照数据流量计费，平均费率低，适合大规模应用【4 】。根据目前 的资费情况，使用4 0 元包4 0 0 m 流量的业务可以充分满足一台抽油机每月 的数据传输量。 无论从功能还是从可靠性来说，没有一个无线网可以与移动通信网相 比拟。表1 1 对三种方式性能做了具体比较。总体来说，移动通信网有以 下优点：一是覆盖地域广，目前移动通信网在全国的覆盖率在9 5 以上， 非边远地区覆盖率几乎达到10 0 ；二是通信距离远，在任何场合都可以 设中心站；三是网络可靠性高。首先网络有较大的冗余设备及信道；其次 设备复用；再次，一旦基站在特殊情况下损坏，抢修非常及时。四是稳定 性好，一方面抗自然干扰的能力强；另一方面频段专用，不会受到人为干 2 硕f ：学位论文 扰。五是不用与无线电管理部门交涉，也不需交无线电管理费【5 1 。 表1 1 三种方式性能比较表 超短波短信g s m g p r s 传输频率 1 2 0 0 1 9 2 k每条14 0 b yt e高速 传输距离1 0 k l d 内可靠传输不受限( 网络覆盖内) 覆盖范围受地理环境限制基本无缝连接 传输费用采用工业频段、另每月3 0 元，2 0 0 0 0 01 元1 k 数据 需加微波管理费条短信 用 实时性实时性高实时性较高实时在线 一 可靠性一般向高 抗干扰较好抗干扰能力强 从站数目从站数目受轮巡不受限制( 基站负载能力范围内) 时间限制( 每台 3 s 左右) 组网方式 适合小规模使用可作为备用通道灵活方便适合大规 模使用 1 3 2 监控管理软件 鉴于g p r s 的优点，一些厂家已推出了自己研发的带有g p r s 无线通信 模块的抽油机现场采集终端，实现了对现场生产数据的实时采集，并及时 将数据发送至监控中心，使监控人员及时掌握现场的情况，对出现的问题 及时排查。监控中心的监控管理系统多采用软件编程来实现监控，报警等 功能。但是，编程的难度大，开发成本高，通用性差。作为数据采集和过 程控制的组态软件很好的解决了这个问题，组态软件有以下三个特点： ( 1 ) 延续性，可扩充性和开放性。用组态软件开发应用项目，当现场硬 件、系统结构、或用户需求任何一个发生改变时，不需要过多的修改就可 以方便地完成软件的更新和升级。 ( 2 ) 封装性。组态软件的功能都用方便用户使用的方法包装起来，用户 不需要掌握太多编成技术，就能很好地完成一个复杂工程所需要的所有功 能。使得控制软件的开发面向组态、面向组装，而不是专用性很强、传统 的面向编成开发。 ( 3 ) 通用性。组态软件支持常见的各种工控设备和通信协议。每个用户 根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的设备驱动程序( p l c 、智能 模块、板卡、变频器等) 、开放式的数据库和画面制作的工具，就能完成 一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存的工程，不受行 业限制。 和传统工控软件开发相比，组态开发效率高、灵活、质量可靠，工业 控制系统越复杂越能体现出其优越性。m c g s 作为国内比较可靠的几种工 控组态软件之一，可以很好的实现测量数据的实时监测、故障报警、实时 抽油机在线峪拧系统的研究与实现 数据显示、统计报表管理等功能。 1 3 3 故障诊断方法 由于现在对大多数抽油机的监控方式是人工现场巡检，因此，对抽油 机的故障判断主要有两方面，一是根据工作人员的经验对电机，减速器进 行判断；二是，通过安装在抽油机上的动力仪来绘制油井的示功图，判断 油泵的工作状况。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 分析抽油机运行状态变化规律及其影响因素确。 ( 2 ) 分析基于g p r s 的数据传输，实现无线通信网络的数据传输，将抽 油机的各种状态数据，实时、可靠的传输到监控中心。 ( 3 ) 综合设计出一套基于m c g s 的上位机管理软件，实现对抽油机的监 测保护与远程管理，并实现示功图远程监测功能。 ( 4 ) 设计抽油机故障诊断专家系统，对抽油机运行参数以及井口现场进 行综合性能评价，分析潜在故障，并给出解决方案。 4 硕f j 学何论文 皇鼍皇i 皇曼蔓皇曼曼鼍曼曼曼皇皇! 鼍! 曼曼曼曼曼曼鼍曼舅曼鼍曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼蔓曼曼曼曼曼! ! 皇曼曼曼! 曼曼笪曼皇曼曼! 舅曼! 鼍詈曼曼 第二章系统组成及设计原则 2 1 抽油机工作过程简介 电动机通过三角皮带和减速器带动曲柄作等速旋转运动。曲两一一连杆一 一横梁一一游梁四杆机构将这一运动转变成驴头的变速的上下圆弧往复运动， 再通过悬点、抽油杆带动抽油泵活塞作变速的上下往复直线运动。抽油泵泵筒 底部装有固定阀，活塞上装有游动阀。当悬点下冲程时，固定阀关闭，游动阀 开启，抽油泵作排出工作，活塞向下运动，将原油排出泵外。当悬点上冲程时， 固定阀开启，游动阀关闭，活塞向上运动，将原油吸入泵内，同时将已排出泵 外的原油举升到地面j 。 2 2 抽油机在线监控系统的组成 r t u 监控中心客户端 一一一一一0 一一一一一 一一一一一0 一一一一一 智能监测仪g p r sd t u 9 气 ，- l 一1 传感器 - o 智能监测仪g p r sd t u 9z 广+ - 一1 9 、带蘑器 图2 1 系统结构示意图 根据油田数据监控的特点，整个抽油机在线监控系统主要为三个部分：带 5 抽油机乔：线舱挖系统的研究j j 史现 有g p r s 模块的采集终端r t u ，互联网，监控中心客户端 7 - 9 】。其系统结构如图 2 1 所示。 抽油机在线监控系统是一个可以无限扩展的管理系统。图2 1 所示的系统， 每一个采集终端监控一台抽油机，在系统网络上的每一个采集终端是一个独立 的节点，若干个节点与其对应的监控中心组成一个相对独立和完备的在线监控 系统，每个节点独立的与其相对应的监控中心进行数据交换；若干个独立的在 线监控系统又可以组成一个更大的、包含成百上千台抽油机的管理系统 1 0 - i 。 这种结构的优点是不会因为一个节点出现故障而影响整个监控网络的运行。在 抽油机发生故障时，各采集终端能够迅速报警，同时采取紧急操作以减少损失。 本课题所研究的监控系统可以同时监控五十台左右的抽油机。图2 2 为此类抽油 机管理系统的结构图。 2 3 系统的工作过程 图2 2 抽油机管理系统结构图 ( 1 ) 数据采集 远程采集终端r t u 通过传感器采集抽油机各部位的数据，主要包括：电动 机三相电压，电流，轴瓦温度；悬点载荷，位移；减速器振动信号；润滑油电 导；井口原油温度，压力。其内置的微处理器对采集到的数字或模拟信号进行 处理、存储，并计算油井的采油时间，对油井的部分紧急故障状态( 如停井、减 速器轴承抱死等1 进行实时诊断。 ( 2 ) 无线数据传输 内置的微处理器对处理后的数据以r s 2 3 2 或r s 4 8 5 格式传送给g p r s 模 块，g p r s 模块将数据打包后通过g p r s 网络发送至i n t e r n e t 。监控中心接入 i n t e r n e t ，并享有固定的i p 地址，实时接收采集来的数据。 ( 3 ) 远程监控 所有被监控数据通过m c g s 设计的人机交互界面实时显示。将数据与监控 6 硕l ：学侮论文 中心设定的参数进行比较，经智能程序进行处理，如判定某数据超出设定的正 常工作范围，即抽油机工作发生异常，立即启动报警程序。同时对致命警报立 即进行紧急控制操作，防止故障扩大化。 通过载荷和位移数据绘制出示功图，分析油泵的工作状况。同时对抽油机 的各项运行参数用监控中心的专家系统进行分析，判断出抽油机运行的状况， 对潜在的故障进行提示，并提出相应的解决方案。 ( 4 ) 抽油机远程控制 远程控制是利用g p r sd t u 接收监控中心的控制指令，经智能监测仪解码 后产生控制动作，修改抽油机的监控参数或通过控制电机的运行和停止来控制 抽油机的起停。 2 4 系统设计原则 ( 1 ) 稳定性与可靠性 采集终端：为确保抽油机在线监控系统在长期运行情况下具有较高的稳定 性与可靠性，采集终端须选用高效可靠的器件。现场传感器、智能检测仪、g p r s d t u 等设备要具有一定的抗干扰设施以及良好电磁屏蔽措施，采用安全可靠的 安装工艺，并进行人工定期检查，保证使人为故障率和设备运行故障率降到最 低。防盗防雨防晒也必须充分考虑。 管理系统：抽油机在线监控系统主要执行的是数据收发、分析处理等任务， 所以数据的安全性是十分重要的，在实际使用中要对数据进行实时备份，以确 保不会因为机器运行故障而造成数据丢失。 ( 2 ) 扩充性与开放性 系统运行过程中，会出现抽油机数量以及抽油机监测点个数增加的情况， 为方便以后系统的扩展，系统要有扩展的功能。为了扩充硬件设备和软件系统， 系统要具有一定的开放性标准，能够兼容多种厂家的通用设备，以及能够与多 种语言编制的程序模块进行挂接，以实现对系统的扩充。数据库接口开放，以 方便油田管理部门对抽油机运行数据的查询。 ( 3 ) 操作与管理的简便性 监控中心工作人员一般不是计算机专业人员，因此监控系统管理软件要有 较强的操作性，采用人机对话，命令提示，操作权限分级等方式，并且安装有 完整的帮助文档。 ( 4 ) 调试与维护的简便性 为了提高调试与维护的效率，系统分块设计，以块为单位进行维护升级。 2 5 系统主要功能 ( 1 ) 数据通信 数据通信主要是监控中心与r t u 之间的通信，主要完成对采集数据的定时 上传和接受监控中心的控制指令。 ( 2 ) 实时监控 7 抽油机在线峪控系统的研究j 蛮现 实时监控主要实现将抽油机的各项运行参数显示在人机交互界面上，同时 可以查看抽油机的示功图，以及电压、电流等监测对象的实时曲线与历史曲线。 f 3 ) 故障报警 系统将采集到的数据进行分析处理，当数据发生异常时向工作人员提示报 警，报警方式主要采用文字提示报警和声音提示等。 ( 4 ) 故障诊断 系统将抽油机各项数据通过故障诊断专家系统进行分析处理，对潜在的故 障进行提示，并给出相应的解决方案。 ( 5 ) 远程操作 远程操作主要实现在线控制抽油机的起停，以及对采集终端参数的在线设 定。 ( 6 ) 系统管理 系统管理主要完成对系统运行各项参数的设置，抽油机数量、监测点个数 的添加和删除。 ( 7 ) 数据报表 系统以表格的形式记录、显示抽油机运行的数据信息，记录抽油机出现故 障的类型和报警时间。可以以时间和日期为单位调取和显示所需要的记录，同 时系统提供多种打印功能，可将所关心的数据报表打印出来。 ( 8 ) 系统安全 为保证软件的使用安全，防止误操作造成重大人身和设备损失，要明确操 作人员的职责权限范围，同时兼顾软件本身的安全性，防止操作人员误修改源 程序或人为的破坏。 2 6 本章小结 本章分析了抽油机在线监控系统的组成结构，叙述了系统的工作过程，制 定了设计原则，并对要实现的主要功能作了简单分析。 8 硕上学侮论文 第三章远程数据传输的实现 3 1gp r s 无线通信技术 3 1 1g p r s 无线通信技术的特点 在本文所实现的在线监控系统中，数据的实时传送采用的是g p r s 无 线通讯方式。g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的 英文简称，是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，它扩展 了g s m 的分组性能，使之与信令信道业务中的分组数据相比速率更高， 信息更长。g p r s 移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一 种连接，给移动用户提供高速无线i p 或x 2 5 服务，成为这类行业未来发 展所不可缺少的部分。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结 构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与 当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模 式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提 供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发 性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道 又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。其特点突出表现为1 1 2 - 1 4 1 ： ( 1 ) 实时在线：“实时在线”也叫“永远在线。用户可以长时间的 保持与外网的连接，而不必频繁的进行连接和断开操作，从而使用户做 到“永远在线”。 ( 2 ) 登陆快捷：g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网络的无缝 连接。g p r s 手机一开机就能够附着到g p r s 网络上，即己经与g p r s 网络 建立联系，附着的时间一般是3 秒左右；使用g p r s 数据业务时，需要激 活过程，一般是1 秒左右，激活之后就已经完全接入互联网了。 ( 3 ) 按流量计费：用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的 数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上，也是不 收费的。 ( 4 ) 传输速度快：g p r s 的最大优势在于，它的数据传输速度非常快， g p r s 数据传输占用g s m 的8 个时隙，数据传输率可稳定达到1l5 k b p s 。 ( 5 ) 自如切换：g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话 ( 需设备支持) 。 ( 6 ) 透明网络：g p r s 是一种二层的承载网络，他所承载的对象正是i p 这种三层协议的数据包。任何i p 之上的应用功能都不需要知道g p r s 网络 的存在，他们与i p 打交道就可以了。 9 抽 f 1 机存线。i v , 。 - 六系统的研究j 实现 3 1 2gpr s 通信原理 g p r s 网络是在现有gs m 网络中增加g g ns 和s gs n 来实现的，使 得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图3 1 所示。 b t s g t p 隧道协议 图3 1 系统结构图 图中，采集终端通过串行方式连接到g p r sd t u ；g p r sd t u 与g s m 基站( b t s ) 通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站 发送到g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连 接到语音网络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 按照g t p 隧道协 议( g p r st u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 进行通信；g g s n 对分组数据进行相应的 处理，再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。来自因特网标识有移 动台地址的i p 包，由g gs n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到移动台 匕【1 5 - 1 6 1 。 3 2 监控中心接入i n t er n e t 的方式 监控中心采用a d s l 等i n t e r n e t 公网连接，采用公网固定i p 或者公 网动态i p + d n s 解析服务。此种方案先向i n t e r n e t 运营商申请a d s l 等 宽带业务。 ( 1 ) 中心公网固定i p ：监控点直接向中心发起连接。运行可靠稳定。 ( 2 ) 中心公网动态i p + d n s 解析服务：客户先与d n s 服务商联系开 通动态域名，监控点先采用域名寻址方式连接d n s 服务器，再由d n s 服务器找到中心公网动态i p ，建立连接。此种方式可以大大节约公网固 定ip 的费用，但稳定性受制于d n s 服务器的稳定，所以要寻找可靠的 d n s 服务商。此种方案适合小规模应用。 为了保证抽油机监控系统数据获取的稳定安全，本设计采用中心公 网固定i p 的方式接入i n t e r n e t 。 3 3 系统实现远程通信的方式 3 3 1t c p 与u d p 1 0 硕十学何论文 t c p i p 协议中传输层的基本目的是为通信双方的主机提供端到端 的服务。t c p i p 在传输层上包括两个不同的协议：即传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 。 t c p 是面向连接的、可提供可靠的、按序传送的数据通信。它的工 作包括把应用程序传送的数据分成适当的块交给下面的网络层，确认接 收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。同时t c p 是无错误 传递，有自己的检错和纠错机制。 u d p 则只为应用层提供一种无连接的、不可靠的简单服务，它把数 据报从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端， 任何可靠性都必须由应用层提供。 3 3 2 套接字( s o c k e t ) g p r s 终端和监控中心之间的数据通信是网络通信，而网络通信的 本质就是进程间的通信。网络编程中广泛使用套接字( s o c k e t ) ，简而言之 就是网络进程中的i d 。 套接字，是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成 通信过程应用层通过传输层进行数据通信时，t c p 和u d p 会遇到同时为 多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个t c p 连接或多个应用程序 进程可能需要通过同一个t c p 协议端口传输数据。为了区别不同的应用 程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与t c p i p 协议交互 提供了称为套接字( s o c k e t ) 的接口。区分不同应用程序进程间的网络通信 和连接，主要有3 个参数：通信的目的i p 地址、使用的传输层协议( t c p 或u d p ) 和使用的端口号。s o c k e t 原意是 “插座”。通过将这3 个参数 结合起来，与一个“插座”s o c k e t 绑定，应用层就可以和传输层通过套 接字接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传 输的并发服务。s o c k e