外置磁致伸縮位移傳感器在采油廠(chǎng)物聯(lián)監控平臺的研發(fā)與應用

袁　梁，陳　鈞，馬　健

 

 

 

 

 

0     引　言

        外置式位移傳感器的安裝可避免與介質(zhì)直接接觸，防止其被介質(zhì)腐蝕，延長(cháng)機械壽命，避免高溫對儀表艙室內電路影響，安裝方便，維護簡(jiǎn)易，特別是對有防火防爆場(chǎng)合要求的場(chǎng)所，可避免動(dòng)火作業(yè)。對罐體原設備不拆除，不打開(kāi)，避免跑冒滴漏。采用倒裝模式，可避免傳統正裝儀表電纜上罐等情況，利于防火防爆要求。采用 B/S 架構油氣田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)平臺對儲油罐數據實(shí)時(shí)監控，收集相關(guān)應用價(jià)值。

1     磁致伸縮位移傳感器工作原理

        磁致伸縮位移傳感器工作時(shí)，傳感器的電路部分將在波導絲上激發(fā)出脈沖電流，該電流沿波導絲傳播時(shí)會(huì )在波導絲的周?chē)a(chǎn)生脈沖電流磁場(chǎng)。在磁致伸縮位移傳感器測桿外配有一永久磁環(huán)。當脈沖電流磁場(chǎng)與磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在磁環(huán)所在的位置產(chǎn)生一個(gè)扭轉波脈沖，這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過(guò)測量脈沖電流與扭轉波的時(shí)間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置。

2     外置安裝磁致伸縮位移傳感器的特點(diǎn)

（1）外置安裝采用支架式安裝，可不停產(chǎn)、不動(dòng)火、不清罐，裝于罐體外壁機械導軌上。相比傳統的罐頂法蘭式安裝，避免了作業(yè)人員上罐開(kāi)孔焊接法蘭等動(dòng)火作業(yè)步驟，同時(shí)也避免了作業(yè)人員處于罐頂安裝孔油氣揮發(fā)區域，發(fā)生中毒等意外情況，安全可靠。

（2）安裝支架采用普通金屬材料，成本低，螺栓夾緊原機械式液位計。安裝時(shí)間短，基本在地面就可操作完成，避免高處作業(yè)墜落風(fēng)險。支架采用工廠(chǎng)定制，現場(chǎng)可直接裝配，縮短現場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，避免了現場(chǎng)切割、磨、削、鉆等動(dòng)火作業(yè)行為。

（3）儀表外置安裝情況下，不銹鋼金屬側桿與儀表艙室遠離高溫、高腐蝕性原油，有效地保護了儀器設備的使用壽命。

（4）因為儀表外置安裝，設備外觀(guān)等情況一目了然，避免了傳統儀表在原油中浸泡，無(wú)法察覺(jué)設備異常情況，不需要定期清洗設備，方便耐用。儀表工作可靠、穩定。

（5）磁環(huán)安裝在罐外機械式浮漂上，不受油污影響，靈活不卡澀，維護簡(jiǎn)便，一人即可拆除更換，避免了傳統的提表出罐，或罐體打開(kāi)時(shí)油污四處滴漏的情況。

（6）外置安裝時(shí)，測桿長(cháng)度不影響安裝，測桿可不彎曲，兩人配合，鑲嵌入安裝支架中，傳統儀表安裝時(shí)，人員必須站在罐頂，法蘭安裝孔過(guò)小，作業(yè)人員必須高舉測桿，斜 45 度安裝進(jìn)油罐中，安裝過(guò)程中無(wú)法避免表頭過(guò)重測桿彎曲，刮擦測桿等情況。

3     儀表倒裝

（1）磁致伸縮位移傳感器采用倒裝方式，避免了傳統安裝方式的電纜上罐情況，采用傳統安裝方式，儀表艙室距離量油孔內原油介質(zhì)過(guò)近，存在安全隱患。

（2）采用傳統安裝方式，儀表接地線(xiàn)連接過(guò)長(cháng)，從罐頂拉至罐底接地，隨處捆扎，不經(jīng)濟也不美觀(guān)。儀表艙室放至罐底，節省電纜、鋼管等材料。

（3）倒裝儀表艙室處于罐底，維護人員方便操作，可不上罐，避免了高處作業(yè)風(fēng)險。

4     維　護

（1）儀表外置維護簡(jiǎn)便，因遠離了原油介質(zhì)，不需擦洗，不需拆除。

（2）儀表維護過(guò)程，問(wèn)題判斷直觀(guān)，值班室人員通過(guò)攝像機即可觀(guān)察。

（3）儀表唯一可活動(dòng)部件為磁環(huán)，上下調整簡(jiǎn)易，一人在罐底就可完成，不上罐、不拆表、不接觸量油口。為罐體量油口密封上鎖創(chuàng )造有利條件。

5     磁致伸縮液位計的特點(diǎn)

（1）可靠性強：由于磁致伸縮液位計采用波導原理，內置波導絲，無(wú)機械可動(dòng)部分，故無(wú)摩擦，無(wú)磨損。

整個(gè)變換器封閉在不銹鋼管內，和測量介質(zhì)非接觸，傳感器工作可靠，壽命長(cháng)。

（2）波導絲具有顯著(zhù)的（Wiedemann effect）威德曼效應。由磁致伸縮絲制成的液面位置 / 位移傳感器具有抗干擾、高靈敏度、非接觸式、可適應惡劣環(huán)境、量程大等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于油庫、液體化工原料等液位測量中，在航空航天、核工業(yè)、精密機床、汽車(chē)工業(yè)、水處理等領(lǐng)域也有著(zhù)廣泛的應用前景

（3）精度高：由于磁致伸縮液位計用波導脈沖工作，工作中通過(guò)測量起始脈沖和終止脈沖的時(shí)間來(lái)確定被測位移量，因此測量精度高，分辨率優(yōu)于0.05%FS，這是用其他傳感器難以達到的精度。相對傳統的單法蘭液位變送器，它不受溫度及介質(zhì)黏稠度變化的影響。

（4）安全性好：磁致伸縮液位計可以防爆。它性能高，本安防爆，使用安全，特別適合對化工原料和易燃液體的測量。測量時(shí)無(wú)須開(kāi)啟罐蓋，避免人工測量所存在的不安全性，拆除過(guò)程中不需要開(kāi)罐作業(yè)，防止跑冒滴漏。

（5）便于系統自動(dòng)化工作：磁致伸縮液位計的二次儀表采用標準輸出信號，便于微機對信號進(jìn)行處理，容易實(shí)現聯(lián)網(wǎng)工作，提高整個(gè)測量系統的自動(dòng)化程度。模擬輸出：電流 / 電壓；數字輸出：RS485 信號；可雙重位置測量：液位測量、界面測量，剛性測桿 / 柔性測桿，雙屏蔽抗電磁干擾，無(wú)須定期標定和維護，高精度，隔爆、本安。

6     儲油罐數據在物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)監控平臺的應用價(jià)值

       采油廠(chǎng)采用物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)監控平臺基于 B/S 架構，可以很方便地利用腳本優(yōu)化采集、傳輸、存儲和數據應用，以及實(shí)現需要的定制化功能，極大地克服了傳統 C/S 架構 SCADA 系統易卡死、靈活性差、操作困難、查詢(xún)不便等方面的不足，在架構、接入、數據處理、設備維護、穩定性和成本方面獲得極大的改進(jìn)。
6.1   物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)監控平臺總體技術(shù)
        架構物聯(lián)網(wǎng)平臺是物聯(lián)網(wǎng)與云平臺結合后的產(chǎn)物，采用 React Web 框架，通過(guò)分布式采集前端設備數據，經(jīng)由各類(lèi)通信協(xié)議將數據傳輸至服務(wù)器，也可以通過(guò)同樣的路徑發(fā)送控制命令至設備。為了保證數據安全，在辦公網(wǎng)內架設的物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)器通過(guò)防火墻與生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)云平臺服務(wù)器對接。利用組態(tài)在線(xiàn)編輯技術(shù)設計人機交互界面，直觀(guān)看到每臺設備生產(chǎn)情況。同時(shí)采用腳本在線(xiàn)編輯技術(shù)，實(shí)現需要的所有功能。使用云化部署，保護平臺穩定運行和數據完整性。

        物聯(lián)網(wǎng)云平臺使用的是 React Web 框架，它與單頁(yè)面技術(shù)相結合，把用戶(hù)界面抽象成一個(gè)個(gè)組件，布置在瀏覽器中，從而得到功能豐富、交互簡(jiǎn)單、自動(dòng)更新的單一頁(yè)面，需要查看新的頁(yè)面時(shí)，只需要點(diǎn)擊對應的選項即可在單一頁(yè)面進(jìn)行查詢(xún)，避免了多個(gè)網(wǎng)頁(yè)重復跳轉。監控界面在編輯完成后生產(chǎn)配置文件，并通過(guò) Web 發(fā)布，用戶(hù)只需要使用瀏覽器就可以運行監控界面；監控界面在瀏覽器通過(guò) Web 服務(wù)器的數據交互，實(shí)時(shí)刷新界面，實(shí)現監控。當數據發(fā)生變動(dòng)的時(shí)候，頁(yè)面可以快速更新，用戶(hù)在整個(gè)使用過(guò)程中不需要刷新或跳轉頁(yè)面，操作體驗好，同時(shí)因為在同一個(gè)界面中，無(wú)需進(jìn)行多次鏈接跳轉，減輕了程序開(kāi)發(fā)的工作量，便于數據的呈現和維護。

6.2   數據的采集與存儲

        物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用分布式采集、集群式存儲，可以加強采集性能、擴展容量，充分保證了數據的可靠性和大容量。任務(wù)分配采用了可配置化目標采集地址，采集器基于 docker 獨立構建，可根據采集目標地址的情況進(jìn)行集群化擴展配置，實(shí)現集群并發(fā)采集。［2］既能提高數據采集和計算處理能力，又能保證系統各節點(diǎn)之間不會(huì )相互影響，一個(gè)數據采集的故障更不會(huì )影響整體設備，滿(mǎn)足了 60 萬(wàn)點(diǎn)的并發(fā)工業(yè)數據采集業(yè)務(wù)應用。

        數據存儲采用的是時(shí)序數據庫（InfluxDB），包括設備數據點(diǎn)數據、報警信息數據。數據量會(huì )隨時(shí)間不斷增長(cháng)，存儲空間占用也會(huì )不斷增長(cháng)，它允許快速寫(xiě)入，持久化、多維度地聚合查詢(xún)時(shí)序數據等操作。而數據存儲中應用數據采用的是 MongoDB，MongoDB是一個(gè)基于分布式，文件存儲的非關(guān)系型數據庫，其特點(diǎn)是高性能、易部署、易使用、存儲數據方便。［4］數據基本固定，數據量不會(huì )隨時(shí)間增長(cháng)，存儲空間占用少，可滿(mǎn)足靈活多變的應用需求。

        數據傳輸與控制采用的是 Web/Socket 協(xié)議實(shí)時(shí)推送與控制。Web/Socket 協(xié)議支持 Web 瀏覽器與Web 服務(wù)器之間的數據交互，通過(guò)較低的性能開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現客戶(hù)端與服務(wù)器的實(shí)時(shí)數據傳輸。在 Web/Socket協(xié)議的機制中，我們可以看到在推送實(shí)時(shí)新聞的過(guò)程中，Web/Socket 協(xié)議只發(fā)送實(shí)時(shí)消息本身，而不是反復地發(fā)送 HTTP。運用數據實(shí)時(shí)推送功能，采油、集輸、供汽鍋爐的數據都可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行頁(yè)面發(fā)布，只要有辦公網(wǎng)連接即可實(shí)現隨時(shí)隨地數據查看。另外，物聯(lián)網(wǎng)云平臺可以實(shí)時(shí)推送最新井站場(chǎng)數據并存儲進(jìn)入服務(wù)器，數據可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺形成日報數據提供給各應用系統作為數據源，便于形成業(yè)務(wù)需求中的日分析、月匯總。

       現有物聯(lián)網(wǎng)云平臺采集服務(wù)器部署于生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)，而移動(dòng)應用根據工控安全規定，不能與生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)直接進(jìn)行互聯(lián)以及數據交互，為解決這個(gè)難題，我們采用在生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間架設兩套服務(wù)器的方案：在生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)內，物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務(wù)器進(jìn)行數據采集、遠程控制、數據存儲、數據轉發(fā)、報警和日志存儲，在辦公網(wǎng)內架設的服務(wù)器通過(guò)防火墻與生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)服務(wù)器對接，生產(chǎn)專(zhuān)網(wǎng)數據庫的數據單向傳輸至辦公網(wǎng)服務(wù)器后，可以進(jìn)行數據展示、報表生成、報警處置反饋、數據補錄等相關(guān)功能，使用此方式既能保證工控安全管理，又能實(shí)現數據的交互應用和閉環(huán)處理。

6.3   組態(tài)腳本在線(xiàn)編輯技術(shù)

        組態(tài)編輯：采油一廠(chǎng)設備類(lèi)型多、數量大，需要對每一臺設備的每一個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行人機交互界面編輯，工作量非常大。組態(tài)式人機界面配置與仿真工具的編輯模塊主要研究畫(huà)面的編輯，該模塊利用用戶(hù)定制的組件編輯成一個(gè)個(gè)畫(huà)面，同時(shí)可以設置每個(gè)組件的參數。［7］物聯(lián)網(wǎng)云平臺利用 HTML5 的組態(tài)編輯器，將設備分為不同的類(lèi)型，每一種類(lèi)型建立一套人機交互界面，添加同一類(lèi)型的設備可自動(dòng)獲取其界面，節省了大量的工作量。同時(shí)，在人機交互界面內部，每一個(gè)數據都可以根據不同的數據量類(lèi)型切換不同的綁定方式，在實(shí)時(shí)觀(guān)測數據變化的基礎上實(shí)現數據的只讀或讀寫(xiě)功能。

        腳本編輯：物聯(lián)網(wǎng)云平臺的腳本是一種可以在系統內部直接編輯和運行，實(shí)現自定義報表、大屏展示頁(yè)面、批量操作、數據分析等基礎功能的機器語(yǔ)言。在系統后端直接建立腳本系統，根據前端設備定義各類(lèi)對象，針對特定的對象和所需的功能編輯相應的程序，就可以根據用戶(hù)需求進(jìn)行需要的邏輯或數字運算，進(jìn)而實(shí)現相對應的功能。

6.4   新型B/S架構生產(chǎn)監控平臺的優(yōu)勢

6.4.1   對操作人員

       查詢(xún)效率高：服務(wù)器主動(dòng)推送實(shí)時(shí)數據到 Web 客戶(hù)端，自動(dòng)刷新，電腦不需要安裝客戶(hù)端，直接訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)址就可以查看數據。在每個(gè)功能板塊設置了查詢(xún)入口，支持多類(lèi)查詢(xún)方式，能快速找到需要的內容。操作簡(jiǎn)單：故障解決后，可直接獲取實(shí)時(shí)數據；可在物聯(lián)網(wǎng)云平臺內部根據需要定制需要的報表，避免人工處理報表，提高了數據處理的及時(shí)性和準確性。閉環(huán)控制：運用 APP 實(shí)現故障閉環(huán)處理，可以大量減少人工操作流程，實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)設備的閉環(huán)控制。

6.4.2   對維護人員

組態(tài)設置靈活：物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供更加豐富的容器、圖形、可視化組件，添加靈活易用的流程圖編輯器，可導入圖片進(jìn)行組態(tài)畫(huà)面編輯；在管理項目中，用戶(hù)無(wú)需代碼，僅通過(guò)一些基礎的添加拖拽操作即可完成設備開(kāi)發(fā)管理。

數據自動(dòng)備份：物聯(lián)網(wǎng)云平臺不再需要人工手動(dòng)備份，而是利用數據備份程序，可每天固定時(shí)間自動(dòng)備份，可大量節省維護人員的維護時(shí)間。

功能修改簡(jiǎn)單：物聯(lián)網(wǎng)云平臺利用 JavaScript 語(yǔ)言，可根據不同時(shí)期具體需求直接在網(wǎng)頁(yè)上修改呈現方式，添加或修改功能。

查找故障方便：運行邏輯簡(jiǎn)單清晰，設置多點(diǎn)查詢(xún)功能，便于查找并維護故障點(diǎn)。

6.4.3   物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)監控平臺的應用

        對油區儲油罐進(jìn)行此項液位計安裝以及數據采集以后，根據現場(chǎng)采集的數據頻次和數量，總結出以下應用效果。實(shí)時(shí)監控：替代現場(chǎng)人工、車(chē)輛進(jìn)行儲油罐的液位巡檢，并對高液位進(jìn)行預警，使得生產(chǎn)單位更好地調動(dòng)拉油車(chē)輛，提高勞動(dòng)效率。產(chǎn)量預測：根據現有采集液位參數以及標準 60 立方米儲油罐每厘米的進(jìn)液體積參數，可通過(guò)監控平臺計算公式腳本進(jìn)行每日產(chǎn)量計算。并且可以根據近幾天的產(chǎn)量值進(jìn)行對比，對液量波動(dòng)較大井進(jìn)行生產(chǎn)提示預警。

       保障生產(chǎn)安全：因西北地區油田冬季寒冷，油井采出液含水量較高，儲油罐在室外容易上凍，查看采集的液位參數可以分析出儲油罐無(wú)變化的時(shí)間，從而推算儲油罐是否上凍，并防止溢罐，保障油井正常生產(chǎn)。 

7     結　語(yǔ)

       采油廠(chǎng)通過(guò)對磁致伸縮位移傳感器的安裝方式改變及合理選型，提高了測量精度，提高了作業(yè)效率，維護簡(jiǎn)便易上手，最重要的是，避免了油罐動(dòng)火作業(yè)、高處作業(yè)、管線(xiàn)打開(kāi)作業(yè)、中毒窒息等風(fēng)險，使維護更加簡(jiǎn)便，安全環(huán)保。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)監控平臺對儲油罐液位遠程觀(guān)測、上位機實(shí)時(shí)讀取，指導生產(chǎn)指揮。為油田安全生產(chǎn)建設做出貢獻。

 

 

 

 

 

 

 

 

本文章轉自愛(ài)學(xué)術(shù)，如有侵權，請聯(lián)系刪除