外置磁致伸縮位移傳感器在采油廠物聯監控平臺的研發與應用

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直接接觸，防止其被介質腐蝕，延長機械壽命，避免高溫對儀表艙室內電路影響，安裝方便，維護簡易，特別是對有防火防爆場合要求的場所，可避免動火作業。對罐體原設備不拆除，不打開，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 架構油氣田生產物聯網平臺對儲油罐數據實時監控，收集相關應用價值。

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，傳感器的電路部分將在波導絲上激發出脈沖電流，該電流沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產生脈沖電流磁場。在磁致伸縮位移傳感器測桿外配有一永久磁環。當脈沖電流磁場與磁環磁場相遇時，使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在磁環所在的位置產生一個扭轉波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過測量脈沖電流與扭轉波的時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

（1）外置安裝采用支架式安裝，可不停產、不動火、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，避免了作業人員上罐開孔焊接法蘭等動火作業步驟，同時也避免了作業人員處于罐頂安裝孔油氣揮發區域，發生中毒等意外情況，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。安裝時間短，基本在地面就可操作完成，避免高處作業墜落風險。支架采用工廠定制，現場可直接裝配，縮短現場作業時間，避免了現場切割、磨、削、鉆等動火作業行為。

（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，設備外觀等情況一目了然，避免了傳統儀表在原油中浸泡，無法察覺設備異常情況，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，維護簡便，一人即可拆除更換，避免了傳統的提表出罐，或罐體打開時油污四處滴漏的情況。

（6）外置安裝時，測桿長度不影響安裝，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，人員必須站在罐頂，法蘭安裝孔過小，作業人員必須高舉測桿，斜 45 度安裝進油罐中，安裝過程中無法避免表頭過重測桿彎曲，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過近，存在安全隱患。

（2）采用傳統安裝方式，儀表接地線連接過長，從罐頂拉至罐底接地，隨處捆扎，不經濟也不美觀。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，避免了高處作業風險。

4     維　護

（1）儀表外置維護簡便，因遠離了原油介質，不需擦洗，不需拆除。

（2）儀表維護過程，問題判斷直觀，值班室人員通過攝像機即可觀察。

（3）儀表唯一可活動部件為磁環，上下調整簡易，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造有利條件。

5     磁致伸縮液位計的特點

（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，無機械可動部分，故無摩擦，無磨損。

整個變換器封閉在不銹鋼管內，和測量介質非接觸，傳感器工作可靠，壽命長。

（2）波導絲具有顯著的（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、可適應惡劣環境、量程大等優點，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、精密機床、汽車工業、水處理等領域也有著廣泛的應用前景

（3）精度高：由于磁致伸縮液位計用波導脈沖工作，工作中通過測量起始脈沖和終止脈沖的時間來確定被測位移量，因此測量精度高，分辨率優于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。測量時無須開啟罐蓋，避免人工測量所存在的不安全性，拆除過程中不需要開罐作業，防止跑冒滴漏。

（5）便于系統自動化工作：磁致伸縮液位計的二次儀表采用標準輸出信號，便于微機對信號進行處理，容易實現聯網工作，提高整個測量系統的自動化程度。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，無須定期標定和維護，高精度，隔爆、本安。

6     儲油罐數據在物聯網生產監控平臺的應用價值

       采油廠采用物聯網生產監控平臺基于 B/S 架構，可以很方便地利用腳本優化采集、傳輸、存儲和數據應用，以及實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。
6.1   物聯網生產監控平臺總體技術
        架構物聯網平臺是物聯網與云平臺結合后的產物，采用 React Web 框架，通過分布式采集前端設備數據，經由各類通信協議將數據傳輸至服務器，也可以通過同樣的路徑發送控制命令至設備。為了保證數據安全，在辦公網內架設的物聯網云平臺服務器通過防火墻與生產專網云平臺服務器對接。利用組態在線編輯技術設計人機交互界面，直觀看到每臺設備生產情況。同時采用腳本在線編輯技術，實現需要的所有功能。使用云化部署，保護平臺穩定運行和數據完整性。

        物聯網云平臺使用的是 React Web 框架，它與單頁面技術相結合，把用戶界面抽象成一個個組件，布置在瀏覽器中，從而得到功能豐富、交互簡單、自動更新的單一頁面，需要查看新的頁面時，只需要點擊對應的選項即可在單一頁面進行查詢，避免了多個網頁重復跳轉。監控界面在編輯完成后生產配置文件，并通過 Web 發布，用戶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 Web 服務器的數據交互，實時刷新界面，實現監控。當數據發生變動的時候，頁面可以快速更新，用戶在整個使用過程中不需要刷新或跳轉頁面，操作體驗好，同時因為在同一個界面中，無需進行多次鏈接跳轉，減輕了程序開發的工作量，便于數據的呈現和維護。

6.2   數據的采集與存儲

        物聯網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行集群化擴展配置，實現集群并發采集。［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之間不會相互影響，一個數據采集的故障更不會影響整體設備，滿足了 60 萬點的并發工業數據采集業務應用。

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

        數據傳輸與控制采用的是 Web/Socket 協議實時推送與控制。Web/Socket 協議支持 Web 瀏覽器與Web 服務器之間的數據交互，通過較低的性能開銷，實現客戶端與服務器的實時數據傳輸。在 Web/Socket協議的機制中，我們可以看到在推送實時新聞的過程中，Web/Socket 協議只發送實時消息本身，而不是反復地發送 HTTP。運用數據實時推送功能，采油、集輸、供汽鍋爐的數據都可以通過物聯網云平臺進行頁面發布，只要有辦公網連接即可實現隨時隨地數據查看。另外，物聯網云平臺可以實時推送最新井站場數據并存儲進入服務器，數據可以通過物聯網云平臺形成日報數據提供給各應用系統作為數據源，便于形成業務需求中的日分析、月匯總。

       現有物聯網云平臺采集服務器部署于生產專網，而移動應用根據工控安全規定，不能與生產專網直接進行互聯以及數據交互，為解決這個難題，我們采用在生產專網與辦公網之間架設兩套服務器的方案：在生產專網內，物聯網云平臺服務器進行數據采集、遠程控制、數據存儲、數據轉發、報警和日志存儲，在辦公網內架設的服務器通過防火墻與生產專網服務器對接，生產專網數據庫的數據單向傳輸至辦公網服務器后，可以進行數據展示、報表生成、報警處置反饋、數據補錄等相關功能，使用此方式既能保證工控安全管理，又能實現數據的交互應用和閉環處理。

6.3   組態腳本在線編輯技術

        組態編輯：采油一廠設備類型多、數量大，需要對每一臺設備的每一個采集點進行人機交互界面編輯，工作量非常大。組態式人機界面配置與仿真工具的編輯模塊主要研究畫面的編輯，該模塊利用用戶定制的組件編輯成一個個畫面，同時可以設置每個組件的參數。［7］物聯網云平臺利用 HTML5 的組態編輯器，將設備分為不同的類型，每一種類型建立一套人機交互界面，添加同一類型的設備可自動獲取其界面，節省了大量的工作量。同時，在人機交互界面內部，每一個數據都可以根據不同的數據量類型切換不同的綁定方式，在實時觀測數據變化的基礎上實現數據的只讀或讀寫功能。

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

6.4   新型B/S架構生產監控平臺的優勢

6.4.1   對操作人員

       查詢效率高：服務器主動推送實時數據到 Web 客戶端，自動刷新，電腦不需要安裝客戶端，直接訪問網址就可以查看數據。在每個功能板塊設置了查詢入口，支持多類查詢方式，能快速找到需要的內容。操作簡單：故障解決后，可直接獲取實時數據；可在物聯網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性和準確性。閉環控制：運用 APP 實現故障閉環處理，可以大量減少人工操作流程，實現對生產過程和生產設備的閉環控制。

6.4.2   對維護人員

組態設置靈活：物聯網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，可導入圖片進行組態畫面編輯；在管理項目中，用戶無需代碼，僅通過一些基礎的添加拖拽操作即可完成設備開發管理。

數據自動備份：物聯網云平臺不再需要人工手動備份，而是利用數據備份程序，可每天固定時間自動備份，可大量節省維護人員的維護時間。

功能修改簡單：物聯網云平臺利用 JavaScript 語言，可根據不同時期具體需求直接在網頁上修改呈現方式，添加或修改功能。

查找故障方便：運行邏輯簡單清晰，設置多點查詢功能，便于查找并維護故障點。

6.4.3   物聯網生產監控平臺的應用

        對油區儲油罐進行此項液位計安裝以及數據采集以后，根據現場采集的數據頻次和數量，總結出以下應用效果。實時監控：替代現場人工、車輛進行儲油罐的液位巡檢，并對高液位進行預警，使得生產單位更好地調動拉油車輛，提高勞動效率。產量預測：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液體積參數，可通過監控平臺計算公式腳本進行每日產量計算。并且可以根據近幾天的產量值進行對比，對液量波動較大井進行生產提示預警。

       保障生產安全：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變化的時間，從而推算儲油罐是否上凍，并防止溢罐，保障油井正常生產。 

7     結　語

       采油廠通過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，提高了作業效率，維護簡便易上手，最重要的是，避免了油罐動火作業、高處作業、管線打開作業、中毒窒息等風險，使維護更加簡便，安全環保。通過物聯網生產監控平臺對儲油罐液位遠程觀測、上位機實時讀取，指導生產指揮。為油田安全生產建設做出貢獻。

 

 

 

 

 

 

 

 

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