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    作者簡(jiǎn)介：劉曉良（1971-）男，河北灤縣人，畢業(yè)于燕山大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)碩士，講師。曾擔(dān)任北京科技大學(xué)自動(dòng)化系教師，現(xiàn)任北京安控科技股份有限公司油氣事業(yè)部技術(shù)主管。

    摘要：本文以王二計(jì)量接轉(zhuǎn)站為例，描述了數(shù)字化系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用。該項(xiàng)目使用了北京安控公司生產(chǎn)的RTU和PLC，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、zigbee無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)橋產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井的示功圖采集、抽油機(jī)啟停控制、電參數(shù)采集和視頻監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)注水井的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)量接轉(zhuǎn)站的數(shù)據(jù)采集、控制和視頻監(jiān)控功能，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控、強(qiáng)化安全、減員增效的目標(biāo)。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字化系統(tǒng)；長(zhǎng)慶；RTU；PLC

    由于地勢(shì)環(huán)境的因素，導(dǎo)致長(zhǎng)慶油田“數(shù)字化”系統(tǒng)的復(fù)雜性和多層結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)涉及到了多種硬件設(shè)備、軟件平臺(tái)以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)，其中以王二計(jì)量轉(zhuǎn)接站的數(shù)字化建設(shè)更具有代表性。

    1 項(xiàng)目背景

    長(zhǎng)慶油田為國(guó)內(nèi)第二大油田，礦產(chǎn)資源登記面積25.78萬平方公里，跨越5省（區(qū)）， 長(zhǎng)慶油田管理的7萬口油、氣、水井分布在37萬平方公里的鄂爾多斯盆地，涉及4省（區(qū)）、數(shù)十個(gè)市縣，各采油、采氣廠分散獨(dú)立，管理難度之大、企業(yè)成本之高可想而知。為了降低企業(yè)成本、完善企業(yè)管理、提高企業(yè)在行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，長(zhǎng)慶油田成立了數(shù)字化建設(shè)、建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數(shù)字化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“同一平臺(tái)、信息共享、多級(jí)監(jiān)視、分散控制”，達(dá)到強(qiáng)化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標(biāo)。

    王二轉(zhuǎn)位于采油一廠王三計(jì)區(qū)域安塞縣王窯鄉(xiāng)白莊村內(nèi)，隸屬于長(zhǎng)慶油田采油一廠王窯作業(yè)區(qū)。項(xiàng)目涉及到2個(gè)接轉(zhuǎn)站、2個(gè)計(jì)量站及所轄58個(gè)井場(chǎng)，69口油井和5口注水井進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。通過井場(chǎng)上的無線網(wǎng)絡(luò)，將視頻、井場(chǎng)功圖數(shù)據(jù)傳到王二計(jì)量轉(zhuǎn)接站，實(shí)現(xiàn)電子巡井、油井巡護(hù)等功能。王二計(jì)量接轉(zhuǎn)站內(nèi)建設(shè)1套R(shí)TU/PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，輸油自動(dòng)控制，減少了工人日常巡視的工作強(qiáng)度，提高了站點(diǎn)的安全。

    2 整體結(jié)構(gòu)

    在油田公司數(shù)字化管理項(xiàng)目的建設(shè)要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行整體規(guī)劃，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型和功能實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：包括井場(chǎng)和站內(nèi)兩大部分。

    井場(chǎng)系統(tǒng)分為井口、井場(chǎng)配水間、井場(chǎng)視頻監(jiān)控和井場(chǎng)主控四部分；站內(nèi)系統(tǒng)分為站內(nèi)視頻監(jiān)控、增壓站RTU/PLC控制、中控室監(jiān)控系統(tǒng)三部分；這兩大系統(tǒng)之間是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。

                  

                                     圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.1井口RTU

    選用北京安控科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱安控科技）的井口數(shù)據(jù)采集RTU，通過4~20mA模擬信號(hào)對(duì)負(fù)荷和角位移進(jìn)行示功圖數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程手動(dòng)控制油井電機(jī)啟停，并采集油井運(yùn)行狀態(tài)；啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警提示；對(duì)電機(jī)三相電壓和三相電流進(jìn)行采集。井口數(shù)據(jù)通過2.4G無線通訊協(xié)議與井場(chǎng)主RTU進(jìn)行通訊。

    井場(chǎng)配水間RTU：選用安控科技的配水間RTU，對(duì)井場(chǎng)配水間匯管壓力進(jìn)行采集；通過RS485采集高壓注水流量計(jì)的注水流量數(shù)據(jù)，同時(shí)還與壓力變送器進(jìn)行通訊。配水間數(shù)據(jù)通過2.4G無線通訊協(xié)議與井場(chǎng)主RTU進(jìn)行通訊。

    2.2井場(chǎng)視頻監(jiān)控

    選用室外云臺(tái)和攝像機(jī)，通過井場(chǎng)攝像機(jī)傳送視頻信息到視頻服務(wù)器，通過交換機(jī)上傳至無線網(wǎng)橋，后經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)傳送到站內(nèi)視頻監(jiān)控平臺(tái)。

    2.3井場(chǎng)主RTU

    選用安控科技的井場(chǎng)主RTU（Super32-L系列RTU），通過4~20mA模擬信號(hào)對(duì)井口出油管線壓力進(jìn)行采集；通過2.4G無線通訊協(xié)議與所屬各井口RTU和配水間進(jìn)行無線通訊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和井口控制；通過無線網(wǎng)橋上傳數(shù)據(jù)到增壓站。

    2.4站內(nèi)視頻監(jiān)控部分

    選用室外云臺(tái)和攝像機(jī)，通過站內(nèi)攝像機(jī)傳送視頻信息到視頻服務(wù)器，后經(jīng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)傳送到站內(nèi)視頻監(jiān)控平臺(tái)。

    2.5增壓站RTU/PLC控制部分

    選用安控科技的增壓站RTU/PLC（3個(gè)AI模塊、1個(gè)AO模塊、1個(gè)DI模塊、1個(gè)DO模塊和一個(gè)RS485采集模塊），實(shí)現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、回路控制、故障連鎖和累計(jì)計(jì)算等功能。

    2.6中控室監(jiān)控系統(tǒng)部分

    選用安控科技的數(shù)字化油田SCADA軟件，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)和井場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)結(jié)合長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院的功圖智能工況診斷和功圖量油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量計(jì)算、功圖量油、自動(dòng)語音報(bào)警、報(bào)警管理和報(bào)表自動(dòng)生成等功能。

    2.7無線網(wǎng)絡(luò)部分

    數(shù)據(jù)無線通信產(chǎn)品選用無線網(wǎng)橋產(chǎn)品， 實(shí)現(xiàn)增壓站和井場(chǎng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等效果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)信息共享，信息管理等應(yīng)用。

    3 項(xiàng)目實(shí)施方案

    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況和指導(dǎo)意見，制定數(shù)字化系統(tǒng)實(shí)施方案。系統(tǒng)可分為井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊及站控系統(tǒng)三大部分。

    3.1井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集部分

    （1）功圖法量油

    在井場(chǎng)，井場(chǎng)RTU配套載荷傳感器、位移傳感器、無線網(wǎng)橋設(shè)備等硬件設(shè)施，在各增壓點(diǎn)建立數(shù)據(jù)監(jiān)控處理平臺(tái)及功圖遙測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)油井功圖全天候采集、泵況智能診斷和產(chǎn)量估算等功能。

    所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是各井口RTU通過無線網(wǎng)絡(luò)與主RTU進(jìn)行通訊，無線網(wǎng)絡(luò)采用的是ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee是一種無線連接，可在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上工作，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10~75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。

    （2）電參采集、集輸管道壓力采集

    在抽油機(jī)控制箱配套電流互感器，監(jiān)測(cè)抽油機(jī)上下行過程中電壓/電流/電量等參數(shù)變化情況；配套電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控模塊，監(jiān)視抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電機(jī)缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，并能根據(jù)控制中心命令實(shí)現(xiàn)啟停控制。
在井場(chǎng)集輸管道出口處安裝智能壓力變送器，監(jiān)測(cè)油壓變化。

    （3） 注水閥組

    井場(chǎng)主RTU通過RS485(Modbus RTU)與注水閥組通訊，實(shí)時(shí)采集注水井口壓力、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、匯管壓力等實(shí)時(shí)參數(shù)，并通過遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)井口的按計(jì)劃、按實(shí)際流量需求進(jìn)行注水等功能。安控科技的閥組間RTU，集成了兩路RS485和8路AI。設(shè)備起到了通用協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用，硬件方面可接入4～20mA、RS485等多種類型的信號(hào)，軟件方面則支持各種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議或者自定義協(xié)議。可兼容各個(gè)廠家的儀表設(shè)備，給設(shè)備的維護(hù)和后期改造帶來很多便利條件。在通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，將閥組間儀表數(shù)據(jù)采集匯總到閥組間RTU（即協(xié)議轉(zhuǎn)換器）中。統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式后，一次性集中上傳。一方面可提高通信效率，避免上位機(jī)對(duì)閥組間儀表逐個(gè)輪詢掃描而導(dǎo)致輪詢周期過長(zhǎng)，另一方面，統(tǒng)一了與上位機(jī)的數(shù)據(jù)接口，便于上位機(jī)軟件的開發(fā)調(diào)試和維護(hù)。

    此處設(shè)計(jì)閥組間協(xié)議轉(zhuǎn)換箱是一個(gè)技術(shù)應(yīng)用的更新。如果不采用閥組間RTU而只是將多個(gè)流量計(jì)和壓力變送器當(dāng)作Modbus設(shè)備站在軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，必然會(huì)導(dǎo)致軟件在采集過程數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)逐個(gè)儀表進(jìn)行輪詢采集，無法一次性采集上來；輪詢采集，通訊效率必然會(huì)低，周期加長(zhǎng)，井口數(shù)據(jù)采集也會(huì)受到影響；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的不同，采用的儀表型號(hào)也不完全統(tǒng)一，需要分別處理，代碼雜亂不統(tǒng)一，開發(fā)和維護(hù)都很困難。

    （4）井場(chǎng)視頻監(jiān)控

    根據(jù)每個(gè)井場(chǎng)的井口數(shù)量的不同，設(shè)置1至2套視頻監(jiān)控設(shè)備（8口井以內(nèi)含8口井用1套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，9-15口井用2套視頻監(jiān)控系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)井場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    每套視頻監(jiān)控設(shè)備支持云臺(tái)、鏡頭預(yù)置位功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)固定位置的預(yù)置拍攝或取證拍攝。每套視頻監(jiān)控設(shè)備設(shè)具備智能物體行為分析功能的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器1臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)的周界報(bào)警、非法闖入等事件進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行廣播提示，同時(shí)在視頻操作站實(shí)時(shí)提醒操作人員，操作人員可以根據(jù)報(bào)警的情況通過手動(dòng)操作攝像機(jī)進(jìn)行近距離，高清晰取證錄像，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)遠(yuǎn)程錄像功能。

    通過電子巡井功能，用戶可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)/手動(dòng)巡井功能，并實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況和各種生產(chǎn)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速巡井，加快巡井周期，降低巡井工作量和生產(chǎn)成本。

    3.2數(shù)據(jù)通訊部分

    對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)站和采油井?dāng)?shù)字化進(jìn)行升級(jí)，要達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及傳輸、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等效果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)信息共享，信息管理等應(yīng)用。解決方案首先要保證網(wǎng)絡(luò)可長(zhǎng)距離高帶寬回傳，且性能穩(wěn)定。另外實(shí)現(xiàn)了設(shè)備集中管理，便于維護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和設(shè)計(jì)最低成本理念的指導(dǎo)下，以無線網(wǎng)橋?yàn)閭鬏斣O(shè)備，組建無線網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)。

    3.3站控系統(tǒng)部分

    站控系統(tǒng)主要由過程控制單元RTU/PLC、操作站、局域網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，并配套操作系統(tǒng)、工控組態(tài)及數(shù)據(jù)庫等相關(guān)軟件，安控科技的數(shù)字化油田SCADA軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心平臺(tái)。

    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的實(shí)際情況和在油田行業(yè)自動(dòng)化的控制經(jīng)驗(yàn)，站點(diǎn)采用安控科技的SuperE系列RTU/PLC控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)為油田長(zhǎng)期配套的專用產(chǎn)品。上位采用的是安控科技的數(shù)字化油田SCADA軟件作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)和井場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)結(jié)合長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院的功圖智能工況診斷和功圖量油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井組導(dǎo)航、流程監(jiān)控、電子巡井、功圖分析、生產(chǎn)曲線、運(yùn)行報(bào)表和單元報(bào)警等功能。

    井組導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)了對(duì)各井場(chǎng)及增壓點(diǎn)外輸出口壓力的采集，能夠?qū)χ饕獢?shù)據(jù)更及時(shí)的觀察；
    流程監(jiān)控是站內(nèi)主流程的體現(xiàn)，直觀的反映站內(nèi)工藝流程。主要實(shí)現(xiàn)：
    （1）對(duì)收球筒原油出口壓力檢測(cè)，超限報(bào)警，收球筒溫度控制；
    （2）對(duì)密閉分離裝置（緩沖罐）連續(xù)液位監(jiān)控，超高、低限液位報(bào)警；
    （3）對(duì)事故罐連續(xù)液位監(jiān)控，超高、低限液位報(bào)警；
    （4）預(yù)留外輸原油裝置（瞬時(shí)流量）監(jiān)測(cè)和累積計(jì)算功能，外輸原油溫度檢測(cè)；
    （5）連續(xù)監(jiān)測(cè)每臺(tái)泵入口、出口壓力，當(dāng)進(jìn)口壓力超下限時(shí)或出口壓力超上限時(shí)報(bào)警；
    （6）根據(jù)分離裝置的液位，通過變頻調(diào)節(jié)分輸泵的排量，使分離裝置內(nèi)液位基本保持在中線附近，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸油；
    （7）外輸泵運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行頻率及三相電流、電壓及功率等參數(shù)監(jiān)測(cè)。接受可燃?xì)怏w報(bào)警控制器輸出的濃度超限報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w泄露濃度超限報(bào)警。

    電子巡井實(shí)現(xiàn)對(duì)各井口數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程啟停控制，并在安控科技的數(shù)字化油田SCADA軟件上嵌入了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，支持SCADA畫面與視頻畫面進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。可以如實(shí)的反映井場(chǎng)實(shí)際情況；

    功圖分析可定時(shí)生成功圖數(shù)據(jù)，并做出相關(guān)智能判斷。為工作人員分析數(shù)據(jù)提供可靠依據(jù)；

    生產(chǎn)曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度和液位實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的查詢，方便工作人員更好的掌握運(yùn)行情況和對(duì)事件的分析；

    運(yùn)行報(bào)表實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的定時(shí)記錄、歷史查詢、數(shù)據(jù)刷新、報(bào)表導(dǎo)出和報(bào)表打印等功能。能夠如實(shí)的記錄數(shù)據(jù)，為日常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理提供了諸多便利條件，也杜絕了人為原因?qū)е碌恼`差；

    單元報(bào)警，在報(bào)警功能上做到了實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警兩部分。實(shí)時(shí)報(bào)警能夠及時(shí)的顯示報(bào)警提示和相關(guān)報(bào)警信息，歷史報(bào)警可對(duì)歷史報(bào)警信息進(jìn)行存檔查詢，同時(shí)也支持報(bào)警數(shù)據(jù)的打印功能。這樣能夠很好的防范事故的發(fā)生，做到真正意義上的安全生產(chǎn)。

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)處理井場(chǎng)和站內(nèi)的視頻圖像信息，同時(shí)具有錄像功能，能同時(shí)存儲(chǔ)這多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻錄像。在監(jiān)控畫面中制定一定的報(bào)警規(guī)則（如跨界報(bào)警、區(qū)域報(bào)警），對(duì)人或車跨越報(bào)警線或進(jìn)入報(bào)警區(qū)域，視頻工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)站監(jiān)控范圍的闖入進(jìn)行報(bào)警提示，視頻工作站具有記錄報(bào)警時(shí)間、報(bào)警聲音提示、自動(dòng)生成報(bào)警畫面和報(bào)警錄像的功能，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)通過光纜上傳到所屬視頻工作站進(jìn)行報(bào)警提示，從而節(jié)省巡警所占用的大量時(shí)間，方便了操作人員對(duì)井場(chǎng)情況的掌握，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

    4 成效

    系統(tǒng)運(yùn)行期間，王二計(jì)量轉(zhuǎn)接站所屬的58個(gè)井場(chǎng)、69口油井和5口注水井的原巡檢工作需要十幾個(gè)人花費(fèi)半天的時(shí)間才能完成，如今只需一人在電腦前幾分鐘的時(shí)間。節(jié)省了大量的時(shí)間和精力，真正實(shí)現(xiàn)了“同一平臺(tái)、信息共享、多級(jí)監(jiān)視、分散控制”，達(dá)到了強(qiáng)化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標(biāo)。