下圖展示的是一臺井口電動氣舉壓縮機。它是由白色柜子內(nèi)的變頻驅(qū)動器（VFD）所驅(qū)動的。而控制它的則是在其左側(cè)灰色機柜內(nèi)的PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)。
低成本物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備與人工舉升和生產(chǎn)設備的結(jié)合，為各類技術(shù)難題提供了簡單、可靠的解決方案。SPE最近的一篇論文引述了四個成功應用IoT的案例，它們都在現(xiàn)場設備的層面上，利用各種工程原理、現(xiàn)場經(jīng)驗以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這些例子展示了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的潛在應用能力，以及如何通過這些應用來緩解生產(chǎn)作業(yè)中出現(xiàn)的問題。
泵沖程優(yōu)化
在SPE 181228文中，介紹了一種泵沖程優(yōu)化（PSO）方法。桿式泵控制器（RPC）通常會對水平井中的段塞與波狀流反應過激，這會導致桿式泵在最小與最大泵速設定值之間頻繁變化。文中的這種泵沖程優(yōu)化方法就是為了降低這一頻率。大多數(shù)的桿式泵控制器在低泵入量段塞流時會陷入難以工作的困境。
為了執(zhí)行泵沖程優(yōu)化方法，則需要獲取桿式泵控制器的速度輸出模擬信號，并用優(yōu)化后的速度信號替代。然后，利用一臺可編程邏輯控制器（PLC）對優(yōu)化速度信號進行計算，得出與數(shù)小時內(nèi)平均流入量相匹配的速度值。隨后記錄每秒的泵速以及低泵入量發(fā)生的頻率，并計算出數(shù)小時內(nèi)的平均值。一旦計算出某段時間內(nèi)的平均速度，系統(tǒng)就會重新設定桿式泵控制器的泵速值，以降低低泵入量事件的發(fā)生頻率。
應用于該作業(yè)的可編程邏輯控制器系統(tǒng)能夠與作業(yè)者的SCADA系統(tǒng)相連，并在控制器上擁有一個網(wǎng)頁。該網(wǎng)頁具備可操作性，網(wǎng)頁上的虛擬交換機能夠像本地交換機那樣，可進行點擊，執(zhí)行某些功能。通過控制器能夠查看速度設定值與歷史泵速值，同時還可以遠程更改算法參數(shù)。操作者完全可以依靠個人電腦或智能手機來進行人機交互。最終，泵沖程優(yōu)化的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過作業(yè)者SCADA系統(tǒng)進行輪詢，然后存儲在內(nèi)部的云系統(tǒng)中。
改進壓縮機
另一篇論文SPE 181773，討論了一種井口氣舉電動壓縮機的設計改進方法。設計的主要目的是為了是解決高含液儲層段中，普遍存在的碳氫化合物冷凝現(xiàn)象。為了實現(xiàn)這一目標，作業(yè)者利用支持loT計算的可編程邏輯控制器，通過對獨立的中間冷卻器與后置冷卻器進行PID（比例-積分-微分控制器）控制，以維持較高的工作溫度，從而將碳氫化合物始終控制在相圖中100%氣態(tài)的區(qū)域內(nèi)。
該壓縮機并沒有使用傳統(tǒng)的控制面板，而是采用可編程邏輯控制器托管的頁面。本地控制由轉(zhuǎn)換開關(guān)與復位開關(guān)組成。正常運行時轉(zhuǎn)換開關(guān)為綠色指示燈，復位開關(guān)為紅色指示燈。控制系統(tǒng)還包括一個壓電蜂鳴器，它會在壓縮機即將啟動時發(fā)出警示，同時還能識別出停機代碼。因為正常作業(yè)時主要是依靠控制器的頁面來判斷是否停機與重置，因此這只是一種備用方法。
該頁面還能夠?qū)嚎s機的轉(zhuǎn)速值、氣體冷卻器溫度、以及正常壓力與溫度設定值進行查看和調(diào)整。此外，可編程邏輯控制器還能夠模擬壓縮機的表現(xiàn)，并將其與實際計算的關(guān)鍵性能指標（KPI）進行比較。然后，它會將這些值與存儲的數(shù)月歷史數(shù)據(jù)進行比較，檢測兩者差異，并發(fā)出提醒。油公司只要將可編程邏輯控制器與SCADA系統(tǒng)連接，并與壓縮機管理工具結(jié)合，就能每15分鐘對可編程邏輯控制器查詢一次作業(yè)壓力、溫度、速率與關(guān)鍵績效指標。
VFD面板散熱風扇
安裝井口壓縮機時，變頻驅(qū)動（VFD）機柜配備有機械恒溫器。如果布置不當，加之死區(qū)很小，就會導致嚴重的風機循環(huán)。
為了解決該問題，作業(yè)者利用帶有熱敏電阻的可編程邏輯控制器來控制冷卻風扇的運行。熱敏電阻本身是一款可靠、低成本的溫度設備，但由于采用了基于六階多項式的非線性輸出，因此并不受歡迎。但是可以使用查找函數(shù)，將其分解為多個直線方程。 試驗發(fā)現(xiàn)，這兩種方法都能很好地與可編程邏輯控制器配合使用。
由于變頻驅(qū)動機的額定溫度為50°C（122°F），因此風扇被設定于47.2°C（117°F）時打開，40°C（104°F）時關(guān)閉。這樣就提供了一個13度的死區(qū)，可以最大限度地減少風機的循環(huán)次數(shù)，風機運行時間會因這些更高的設定值而大大降低。若溫度高于50°C，則表明過濾器發(fā)生堵塞，并設立了維護警報。此外，頁面還可以顯示可編輯的設定值、實時柜溫度、風扇每日運行時間、風扇每日循環(huán)次數(shù)，并可由油公司的SCADA系統(tǒng)進行查詢。
壓縮機面板物聯(lián)網(wǎng)設備
隨著水平井氣舉的普及，使作業(yè)者需要對現(xiàn)有氣舉壓縮機進行改進，以防止在氣體冷卻時發(fā)生碳氫化合物的冷凝。當這些冷凝液在大氣壓力下被傾倒到儲罐中時，會造成產(chǎn)品損失與排放問題。還存在一些其他的問題，如卸料管線被冷凍，排放管道中形成水合物塊等，這些都會導致壓縮機停止工作。
北達科他州的某個油公司就運用獨立的PID（比例-積分-微分控制器）數(shù)學方法來控制百葉窗定位器，取代了手動操作氣體冷卻器上的百葉窗。
通過可編程邏輯控制器對百葉窗定位器與變頻驅(qū)動機的冷卻風扇進行PID控制，將作業(yè)溫度控制在一個較高的水平，從而防止碳氫化合物冷凝。
該應用與第一個電動壓縮機例子的不同之處在于：傳感器不是直接連接到可編程邏輯控制器上的，而是使用Modbus遠程終端裝置，通過RS-485串行通信，從現(xiàn)有壓縮機面板中提取出壓力、溫度、運行轉(zhuǎn)速等信息。
輸入到可編程邏輯控制器的信息，是百葉窗位置的模擬反饋�？刂破鬏敵龅男畔⑹悄M與數(shù)字輸出，能夠控制變頻驅(qū)動機。應用的具體表現(xiàn)為對壓縮機與百葉窗現(xiàn)有位置重新設定。
由于可編程邏輯控制器是通過Modbus傳輸控制協(xié)議連接到油公司的SCADA系統(tǒng)，因此控制器中計算的所有壓縮機壓力和溫度、百葉窗位置與工程KPI指標都收集在壓縮機管理工具中以供使用。
物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵
對于那些從事云計算與數(shù)據(jù)科學工作的人來說，機器學習與遠程控制優(yōu)化的價值并沒有被忽視。目前已經(jīng)可以在現(xiàn)場利用簡單的物聯(lián)網(wǎng)設備進行數(shù)據(jù)訪問以及處理日常優(yōu)化工作。這類設備的使用為未來更大規(guī)模的機器學習起了一個好頭。想要成功利用物聯(lián)網(wǎng)，關(guān)鍵在于要了解基本的工程原理、現(xiàn)場設備是如何工作的、以及物聯(lián)網(wǎng)的基礎知識。
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