外置磁致伸缩位移传感器在采油厂物联监控平台的研发与应用

外置磁致伸缩位移传感器在采油厂物联监控平台的研发与应用

袁　梁，陈　钧，马　健

 

 

 

 

 

0     引　言

        外置式位移传感器的安装可避免与介质直接接触，防止其被介质腐蚀，延长机械寿命，避免高温对仪表舱室内电路影响，安装方便，维护简易，特别是对有防火防爆场合要求的场所，可避免动火作业。对罐体原设备不拆除，不打开，避免跑冒滴漏。采用倒装模式，可避免传统正装仪表电缆上罐等情况，利于防火防爆要求。采用 B/S 架构油气田生产物联网平台对储油罐数据实时监控，收集相关应用价值。

1     磁致伸缩位移传感器工作原理

        磁致伸缩位移传感器工作时，传感器的电路部分将在波导丝上激发出脉冲电流，该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。在磁致伸缩位移传感器测杆外配有一永久磁环。当脉冲电流磁场与磁环磁场相遇时，使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在磁环所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。

2     外置安装磁致伸缩位移传感器的特点

（1）外置安装采用支架式安装，可不停产、不动火、不清罐，装于罐体外壁机械导轨上。相比传统的罐顶法兰式安装，避免了作业人员上罐开孔焊接法兰等动火作业步骤，同时也避免了作业人员处于罐顶安装孔油气挥发区域，发生中毒等意外情况，安全可靠。

（2）安装支架采用普通金属材料，成本低，螺栓夹紧原机械式液位计。安装时间短，基本在地面就可操作完成，避免高处作业坠落风险。支架采用工厂定制，现场可直接装配，缩短现场作业时间，避免了现场切割、磨、削、钻等动火作业行为。

（3）仪表外置安装情况下，不锈钢金属侧杆与仪表舱室远离高温、高腐蚀性原油，有效地保护了仪器设备的使用寿命。

（4）因为仪表外置安装，设备外观等情况一目了然，避免了传统仪表在原油中浸泡，无法察觉设备异常情况，不需要定期清洗设备，方便耐用。仪表工作可靠、稳定。

（5）磁环安装在罐外机械式浮漂上，不受油污影响，灵活不卡涩，维护简便，一人即可拆除更换，避免了传统的提表出罐，或罐体打开时油污四处滴漏的情况。

（6）外置安装时，测杆长度不影响安装，测杆可不弯曲，两人配合，镶嵌入安装支架中，传统仪表安装时，人员必须站在罐顶，法兰安装孔过小，作业人员必须高举测杆，斜 45 度安装进油罐中，安装过程中无法避免表头过重测杆弯曲，刮擦测杆等情况。

3     仪表倒装

（1）磁致伸缩位移传感器采用倒装方式，避免了传统安装方式的电缆上罐情况，采用传统安装方式，仪表舱室距离量油孔内原油介质过近，存在安全隐患。

（2）采用传统安装方式，仪表接地线连接过长，从罐顶拉至罐底接地，随处捆扎，不经济也不美观。仪表舱室放至罐底，节省电缆、钢管等材料。

（3）倒装仪表舱室处于罐底，维护人员方便操作，可不上罐，避免了高处作业风险。

4     维　护

（1）仪表外置维护简便，因远离了原油介质，不需擦洗，不需拆除。

（2）仪表维护过程，问题判断直观，值班室人员通过摄像机即可观察。

（3）仪表唯一可活动部件为磁环，上下调整简易，一人在罐底就可完成，不上罐、不拆表、不接触量油口。为罐体量油口密封上锁创造有利条件。

5     磁致伸缩液位计的特点

（1）可靠性强：由于磁致伸缩液位计采用波导原理，内置波导丝，无机械可动部分，故无摩擦，无磨损。

整个变换器封闭在不锈钢管内，和测量介质非接触，传感器工作可靠，寿命长。

（2）波导丝具有显著的（Wiedemann effect）威德曼效应。由磁致伸缩丝制成的液面位置 / 位移传感器具有抗干扰、高灵敏度、非接触式、可适应恶劣环境、量程大等优点，已广泛应用于油库、液体化工原料等液位测量中，在航空航天、核工业、精密机床、汽车工业、水处理等领域也有着广泛的应用前景

（3）精度高：由于磁致伸缩液位计用波导脉冲工作，工作中通过测量起始脉冲和终止脉冲的时间来确定被测位移量，因此测量精度高，分辨率优于0.05%FS，这是用其他传感器难以达到的精度。相对传统的单法兰液位变送器，它不受温度及介质黏稠度变化的影响。

（4）安全性好：磁致伸缩液位计可以防爆。它性能高，本安防爆，使用安全，特别适合对化工原料和易燃液体的测量。测量时无须开启罐盖，避免人工测量所存在的不安全性，拆除过程中不需要开罐作业，防止跑冒滴漏。

（5）便于系统自动化工作：磁致伸缩液位计的二次仪表采用标准输出信号，便于微机对信号进行处理，容易实现联网工作，提高整个测量系统的自动化程度。模拟输出：电流 / 电压；数字输出：RS485 信号；可双重位置测量：液位测量、界面测量，刚性测杆 / 柔性测杆，双屏蔽抗电磁干扰，无须定期标定和维护，高精度，隔爆、本安。

6     储油罐数据在物联网生产监控平台的应用价值

       采油厂采用物联网生产监控平台基于 B/S 架构，可以很方便地利用脚本优化采集、传输、存储和数据应用，以及实现需要的定制化功能，极大地克服了传统 C/S 架构 SCADA 系统易卡死、灵活性差、操作困难、查询不便等方面的不足，在架构、接入、数据处理、设备维护、稳定性和成本方面获得极大的改进。
6.1   物联网生产监控平台总体技术
        架构物联网平台是物联网与云平台结合后的产物，采用 React Web 框架，通过分布式采集前端设备数据，经由各类通信协议将数据传输至服务器，也可以通过同样的路径发送控制命令至设备。为了保证数据安全，在办公网内架设的物联网云平台服务器通过防火墙与生产专网云平台服务器对接。利用组态在线编辑技术设计人机交互界面，直观看到每台设备生产情况。同时采用脚本在线编辑技术，实现需要的所有功能。使用云化部署，保护平台稳定运行和数据完整性。

        物联网云平台使用的是 React Web 框架，它与单页面技术相结合，把用户界面抽象成一个个组件，布置在浏览器中，从而得到功能丰富、交互简单、自动更新的单一页面，需要查看新的页面时，只需要点击对应的选项即可在单一页面进行查询，避免了多个网页重复跳转。监控界面在编辑完成后生产配置文件，并通过 Web 发布，用户只需要使用浏览器就可以运行监控界面；监控界面在浏览器通过 Web 服务器的数据交互，实时刷新界面，实现监控。当数据发生变动的时候，页面可以快速更新，用户在整个使用过程中不需要刷新或跳转页面，操作体验好，同时因为在同一个界面中，无需进行多次链接跳转，减轻了程序开发的工作量，便于数据的呈现和维护。

6.2   数据的采集与存储

        物联网云平台采用分布式采集、集群式存储，可以加强采集性能、扩展容量，充分保证了数据的可靠性和大容量。任务分配采用了可配置化目标采集地址，采集器基于 docker 独立构建，可根据采集目标地址的情况进行集群化扩展配置，实现集群并发采集。［2］既能提高数据采集和计算处理能力，又能保证系统各节点之间不会相互影响，一个数据采集的故障更不会影响整体设备，满足了 60 万点的并发工业数据采集业务应用。

        数据存储采用的是时序数据库（InfluxDB），包括设备数据点数据、报警信息数据。数据量会随时间不断增长，存储空间占用也会不断增长，它允许快速写入，持久化、多维度地聚合查询时序数据等操作。而数据存储中应用数据采用的是 MongoDB，MongoDB是一个基于分布式，文件存储的非关系型数据库，其特点是高性能、易部署、易使用、存储数据方便。［4］数据基本固定，数据量不会随时间增长，存储空间占用少，可满足灵活多变的应用需求。

        数据传输与控制采用的是 Web/Socket 协议实时推送与控制。Web/Socket 协议支持 Web 浏览器与Web 服务器之间的数据交互，通过较低的性能开销，实现客户端与服务器的实时数据传输。在 Web/Socket协议的机制中，我们可以看到在推送实时新闻的过程中，Web/Socket 协议只发送实时消息本身，而不是反复地发送 HTTP。运用数据实时推送功能，采油、集输、供汽锅炉的数据都可以通过物联网云平台进行页面发布，只要有办公网连接即可实现随时随地数据查看。另外，物联网云平台可以实时推送最新井站场数据并存储进入服务器，数据可以通过物联网云平台形成日报数据提供给各应用系统作为数据源，便于形成业务需求中的日分析、月汇总。

       现有物联网云平台采集服务器部署于生产专网，而移动应用根据工控安全规定，不能与生产专网直接进行互联以及数据交互，为解决这个难题，我们采用在生产专网与办公网之间架设两套服务器的方案：在生产专网内，物联网云平台服务器进行数据采集、远程控制、数据存储、数据转发、报警和日志存储，在办公网内架设的服务器通过防火墙与生产专网服务器对接，生产专网数据库的数据单向传输至办公网服务器后，可以进行数据展示、报表生成、报警处置反馈、数据补录等相关功能，使用此方式既能保证工控安全管理，又能实现数据的交互应用和闭环处理。

6.3   组态脚本在线编辑技术

        组态编辑：采油一厂设备类型多、数量大，需要对每一台设备的每一个采集点进行人机交互界面编辑，工作量非常大。组态式人机界面配置与仿真工具的编辑模块主要研究画面的编辑，该模块利用用户定制的组件编辑成一个个画面，同时可以设置每个组件的参数。［7］物联网云平台利用 HTML5 的组态编辑器，将设备分为不同的类型，每一种类型建立一套人机交互界面，添加同一类型的设备可自动获取其界面，节省了大量的工作量。同时，在人机交互界面内部，每一个数据都可以根据不同的数据量类型切换不同的绑定方式，在实时观测数据变化的基础上实现数据的只读或读写功能。

        脚本编辑：物联网云平台的脚本是一种可以在系统内部直接编辑和运行，实现自定义报表、大屏展示页面、批量操作、数据分析等基础功能的机器语言。在系统后端直接建立脚本系统，根据前端设备定义各类对象，针对特定的对象和所需的功能编辑相应的程序，就可以根据用户需求进行需要的逻辑或数字运算，进而实现相对应的功能。

6.4   新型B/S架构生产监控平台的优势

6.4.1   对操作人员

       查询效率高：服务器主动推送实时数据到 Web 客户端，自动刷新，电脑不需要安装客户端，直接访问网址就可以查看数据。在每个功能板块设置了查询入口，支持多类查询方式，能快速找到需要的内容。操作简单：故障解决后，可直接获取实时数据；可在物联网云平台内部根据需要定制需要的报表，避免人工处理报表，提高了数据处理的及时性和准确性。闭环控制：运用 APP 实现故障闭环处理，可以大量减少人工操作流程，实现对生产过程和生产设备的闭环控制。

6.4.2   对维护人员

组态设置灵活：物联网云平台提供更加丰富的容器、图形、可视化组件，添加灵活易用的流程图编辑器，可导入图片进行组态画面编辑；在管理项目中，用户无需代码，仅通过一些基础的添加拖拽操作即可完成设备开发管理。

数据自动备份：物联网云平台不再需要人工手动备份，而是利用数据备份程序，可每天固定时间自动备份，可大量节省维护人员的维护时间。

功能修改简单：物联网云平台利用 JavaScript 语言，可根据不同时期具体需求直接在网页上修改呈现方式，添加或修改功能。

查找故障方便：运行逻辑简单清晰，设置多点查询功能，便于查找并维护故障点。

6.4.3   物联网生产监控平台的应用

        对油区储油罐进行此项液位计安装以及数据采集以后，根据现场采集的数据频次和数量，总结出以下应用效果。实时监控：替代现场人工、车辆进行储油罐的液位巡检，并对高液位进行预警，使得生产单位更好地调动拉油车辆，提高劳动效率。产量预测：根据现有采集液位参数以及标准 60 立方米储油罐每厘米的进液体积参数，可通过监控平台计算公式脚本进行每日产量计算。并且可以根据近几天的产量值进行对比，对液量波动较大井进行生产提示预警。

       保障生产安全：因西北地区油田冬季寒冷，油井采出液含水量较高，储油罐在室外容易上冻，查看采集的液位参数可以分析出储油罐无变化的时间，从而推算储油罐是否上冻，并防止溢罐，保障油井正常生产。 

7     结　语

       采油厂通过对磁致伸缩位移传感器的安装方式改变及合理选型，提高了测量精度，提高了作业效率，维护简便易上手，最重要的是，避免了油罐动火作业、高处作业、管线打开作业、中毒窒息等风险，使维护更加简便，安全环保。通过物联网生产监控平台对储油罐液位远程观测、上位机实时读取，指导生产指挥。为油田安全生产建设做出贡献。

 

 

 

 

 

 

 

 

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