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案例頻道 1.系統(tǒng)設(shè)計說明
油田自動化信息系統(tǒng)建設(shè)主要包括油井遠程監(jiān)控、配電線路自動化系統(tǒng)、輸油管線泄露監(jiān)測、集輸站庫自動化監(jiān)控等四個部分，其目的是利用現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源頭自動采集，借助油田現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源自動加載到廠級實時數(shù)據(jù)庫，為各級管理部門應(yīng)用提供開放的數(shù)據(jù)平臺，使生產(chǎn)和管理人員及時控制和掌握生產(chǎn)動態(tài)，從而實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動化；并可以對取得的實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、優(yōu)化，從而為保證生產(chǎn)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)、降低生產(chǎn)成本提供重要依據(jù)。下面我們就油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行論述。
1.1.現(xiàn)狀綜述
全國各地各采油廠已不同程度地進行了油井監(jiān)控的試點工作，目前參與的廠商數(shù)量比較多，水平參差不齊，各個廠家都是在做試點工作，也有個別廠家開始規(guī)模推廣。也暴露出很多的問題，主要表現(xiàn)在油井現(xiàn)場設(shè)備可靠性差，可維護性差，不能承受油井現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境（包括高溫、低溫、潮濕和沙塵）。數(shù)據(jù)開放性不夠，往往是各個廠家互不兼容，軟件數(shù)據(jù)不能共享，呈現(xiàn)一個個的自動化孤島。
全國十幾萬口油井，已經(jīng)采用油井監(jiān)控的油井不會超過一萬口，不足總數(shù)的10％。
1.2.設(shè)計思想
目的：
油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過對井口參數(shù)的實時檢測，采用輪詢-應(yīng)答的通信方式，將檢測到的油井狀態(tài)，通過無線方式傳送給采油廠實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并以C／S或Ｂ／Ｓ模式，使生產(chǎn)管理的各個部門能夠及時掌握油井工作狀態(tài)，縮短油井故障處理時間，提高開井時率，增加原油產(chǎn)量，提高工作效率。另外，油井井口的控制器具有電量計算功能，可以為6kV 電力線路配電自動化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)計算數(shù)據(jù)。
原則：
自動化工程必須按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫”的原則建設(shè)，系統(tǒng)方案必須整體考慮網(wǎng)絡(luò)通訊、系統(tǒng)安全等問題，保證實時數(shù)據(jù)庫標準開放，使整個系統(tǒng)具有極高的可靠性與實用性。
系統(tǒng)設(shè)計遵循“實用性、可靠性、先進性、易維護”的基本原則，以方便操作、可靠運行為實施根本；方案設(shè)計既立足于實際，便于實施，又著眼于未來，為發(fā)展留有余地。技術(shù)方案普遍采用近幾年發(fā)展和改進的新技術(shù)、新設(shè)備、新系統(tǒng)，其所有硬件和軟件均應(yīng)經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場考驗，經(jīng)驗證具有先進性和可靠性。
整個油田自動化系統(tǒng)在局域網(wǎng)上根據(jù)地域特點在每個采油廠設(shè)一個實時數(shù)據(jù)傳控中心（包括通訊處理機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器），用于集中管理和存放各采油廠所轄區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)井、6KV 配電線路、聯(lián)合站、輸油管線的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，做到實時數(shù)據(jù)庫開放的原則。
整個系統(tǒng)構(gòu)成如下：
方案說明：
井口控制器采集油井示功圖、電量、回壓、溫度等參數(shù)，經(jīng)CDMA/GPRS 網(wǎng)或者數(shù)傳電臺，以CDMA/GPRS 專線方式或者數(shù)傳電臺接口(RS232) 接入采油廠通訊機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，廠礦小隊的計算機可以用瀏覽器或客戶端方式對實時數(shù)據(jù)庫進行訪問。井口控制器改變以往只采電壓、電流有效值地模式，而是實時采集計算電機電量參數(shù)，可為配電線路自動化系統(tǒng)提供所需的數(shù)據(jù)。
6kV 配電線路遠方終端、采油廠通訊機、實時數(shù)據(jù)庫、配電SCADA 應(yīng)用服務(wù)器、工作站等，利用CDMA/GPRS 網(wǎng)，組成配電線路自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對配電線路運行狀況的實時監(jiān)控和管理。
集輸站庫自動化系統(tǒng)與輸油管線泄漏檢測系統(tǒng)均是相對獨立的一個系統(tǒng)，經(jīng)局域網(wǎng)將系統(tǒng)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳采油廠實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享。
通過B/S 模式，可以使管理者瀏覽和查詢?nèi)珡S實時數(shù)據(jù)，及時了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況。也可以通過C/S 模式對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析。
為了保證系統(tǒng)的時鐘一致性，系統(tǒng)配備專用的GPS 時鐘，用于同步全網(wǎng)的系統(tǒng)時鐘，包括定時與各FTU、SU 遠方對時。
系統(tǒng)中通訊機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等重要節(jié)點采用雙機熱備用配置，保持主機和備機之間數(shù)據(jù)的一致性，使主、備機可以在故障時可以隨時切換運行。
數(shù)據(jù)中心采用雙網(wǎng)冗余配置，且與油田局域網(wǎng)隔離，當主網(wǎng)出現(xiàn)故障，備網(wǎng)可隨時切換為主網(wǎng)運行。
網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計，采用防火墻、數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡(luò)隔離、用戶權(quán)限管理等技術(shù)和手段保證網(wǎng)絡(luò)和信息的安全。用戶權(quán)限管理工作包括系統(tǒng)用戶資料庫管理、用戶注冊、用戶級別設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置等主要內(nèi)容。
目前全油田網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)已建立起了病毒防治體系，因此本系統(tǒng)病毒防治依照油田統(tǒng)一規(guī)范執(zhí)行。
1.3.油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)
根據(jù)油井分布的地域特點與無線通訊技術(shù)發(fā)展的水平，油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)考慮用CDMA/GPRS 或者數(shù)傳電臺通訊模式，系統(tǒng)主要由傳感器、井口控制器SU、CDMA/GPRS （數(shù)傳電臺）通訊模塊DTU、采油廠通訊機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB 服務(wù)器、監(jiān)控瀏覽終端等組成。系統(tǒng)框圖如上面總圖所示。
油井工作狀態(tài)傳感器主要有溫度傳感器，壓力傳感器，電機電流、電壓傳感器抽油機載荷、位移傳感器、變壓器一次側(cè)電流傳感器，它們將油井的工作狀態(tài)變換成對應(yīng)的電壓或電流值送至井口控制器SU。然后經(jīng)CDMA/GPRS 網(wǎng)或數(shù)傳電臺，接入采油廠通訊機，數(shù)據(jù)通訊機采用輪詢方式收集井口控制器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析經(jīng)處理后，進采油廠實時數(shù)據(jù)庫。廠礦小隊的計算機可根據(jù)不同的權(quán)限，采用C/S 或B/S模式對實時數(shù)據(jù)庫進行訪問。
1.3.1.系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
電泵井 SU 主要進行電壓、電流、油井回壓、井口溫度等參數(shù)的測量。抽油機井SU 主要進行示功圖、電壓、電流、油井回壓、井口溫度等參數(shù)的測量，且保留油井遙控啟停功能。
井口控制器具有電機有功功率、無功功率、功率因數(shù)、日用電量等參數(shù)的計算功能。
對電潛泵井停機、電壓過壓、欠壓、電流過流、欠載、井口回壓過高、過低等異常情況檢測報警；對抽油機井停機、電壓過壓、欠壓、電流過流、欠載、井口回壓過高、過低、載荷過低等異常情況檢測報警。線路來電瞬間，也作為異常情況報警。
采油隊監(jiān)控機按照管理權(quán)限僅能查詢本隊油井的工作狀態(tài)、實時收據(jù)、及相關(guān)通信模塊工作狀態(tài)、配電線路工作狀態(tài)。
抽油機井示功圖、電流圖（或功率圖），除定時采集保存外，采油隊可根據(jù)生產(chǎn)情況，手動選擇油井井號，實時索要示功圖、電流圖（或功率圖）。
當電潛泵井出現(xiàn)過載停機故障時，將停機前一分鐘內(nèi)三相電流（Ia、Ib、Ic）與線電壓(如Uab)的數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫，為電泵故障診斷提供分析數(shù)據(jù)。
采油隊監(jiān)控機具有靜態(tài)數(shù)據(jù)瀏覽和編輯等功能：包括抽油機型號、配置電機型號、油井井號、沖程、線路名稱、量程上、下限、報警上、下限、油井井況等方面的數(shù)據(jù)，并能夠添加新開油井、刪除停產(chǎn)油井、修改作業(yè)井的基本數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)具有示功圖、電流圖（或功率圖）、電流、電壓等參數(shù)的實時趨勢、歷史趨勢監(jiān)視功能，可方便地了解長時間的參數(shù)變化情況，方便快速分析。
系統(tǒng)應(yīng)將地理概念引入圖形系統(tǒng)，使圖形能反映地理信息，可以非常直觀形象反映整個油區(qū)的工作狀況。
采油廠、礦與相關(guān)科室能夠通過瀏覽器查詢廠、礦、隊油井的工作狀態(tài)與實時數(shù)據(jù)，當天停井情況、開機時率統(tǒng)計，以及歷史數(shù)據(jù)與歷史記錄。
1.3.2.需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)
抽油機井需上傳數(shù)據(jù)主要有：載荷（最大與最小值）、回壓、井口溫度、電流(Ia、Ib、Ic) （最大與最小值）、電壓(Ua、Ub、Uc)有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、上下沖程最大電流值、上下沖程功率、平衡率、日用電量、累計電量、沖次、系統(tǒng)狀態(tài)、采集時間等數(shù)據(jù)。示功圖、電流圖（或功率圖）需要一個沖次內(nèi)載荷、電流（或功率）的所有采集量，每個圖約需要200 個數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)總量約為430 個數(shù)據(jù)，其中基本數(shù)據(jù)量為30 個數(shù)據(jù)。
電潛泵井需上傳數(shù)據(jù)主要有：回壓、井口溫度、電流(Ia、Ib、Ic)、電壓(Ua、Ub、Uc)、變有功功率、無功功率、功率因數(shù)、日用電量、累計電量、系統(tǒng)狀態(tài)、采集時間等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總量約為20 個數(shù)據(jù)。
1.3.3.采油隊主站
油井生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在油井上的監(jiān)測終端、安裝在采油廠級的通訊和數(shù)據(jù)服務(wù)器、采油隊等用戶使用的監(jiān)測界面、現(xiàn)場通訊系統(tǒng)和管理通訊系統(tǒng)五個部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
油井監(jiān)測系統(tǒng)軟件由通訊軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、命令處理軟件、報警和事件處理軟件、安全控制軟件、圖形界面軟件和圖形制作軟件組成。
通訊軟件主要負責通過設(shè)定的通訊規(guī)約和接口與現(xiàn)場設(shè)備進行通訊，獲取現(xiàn)場設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)或向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和指令。
數(shù)據(jù)處理軟件主要負責將通訊軟件得到的原始數(shù)據(jù)按現(xiàn)場采集點的類型進行轉(zhuǎn)換、判斷是否需要產(chǎn)生報警及數(shù)據(jù)存儲管理。
命令處理軟件主要負責處理用戶的下發(fā)命令、將命令轉(zhuǎn)換為通訊服務(wù)器的控制指令，并協(xié)調(diào)多個用戶同時下發(fā)命令時的關(guān)系。
報警和事件處理軟件負責實現(xiàn)預(yù)定的報警效果、對報警和事件進行記錄、存儲。
安全控制軟件負責管理系統(tǒng)用戶的認證和授權(quán)信息，對系統(tǒng)用戶進行身份認證和權(quán)限檢查。
圖形界面軟件和圖形制作軟件用于生成和顯示用戶圖形界面。
系統(tǒng)基本處理流程為：
油井的數(shù)據(jù)由油井終端負責采集，油井終端上裝通訊模塊，采集到的數(shù)據(jù)由通訊模塊送至位于采油廠信息中心的通訊服務(wù)器。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。采油廠用戶通過應(yīng)用服務(wù)器獲取系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)器訪問實時數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。
由用戶發(fā)起的操作，如手工召測數(shù)據(jù)、更改配置等，由應(yīng)用服務(wù)器進行處理，并通知通訊服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)的操作。
1.3.3.1. 功能
系統(tǒng)主要有以下功能：
(1) 數(shù)據(jù)采集功能
數(shù)據(jù)定時采集：能夠采集各種可以通過通道傳遞到主站的遙測、遙信、電度及其它類型的量測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)定時召喚油井終端數(shù)據(jù)，召喚周期可按功圖、電流圖和其它量分別以分鐘為單位設(shè)置，最小為1 分鐘，最大為255 分鐘；
按需數(shù)據(jù)采集：采油廠用戶終端可在任何時刻請求召喚一口或多口井的數(shù)據(jù)；
通訊控制功能：啟動/停止對油井終端的數(shù)據(jù)采集、切換終端使用的通道等；
通道質(zhì)量監(jiān)視及故障診斷，通訊流量計算；
GPS 對時：接入GPS 時鐘信號，定時統(tǒng)一全系統(tǒng)時鐘，并向各油井終端發(fā)送對時命令；
可支持多種通訊規(guī)約、多種通訊通道；
添加/刪除油井終端，修改終端通訊參數(shù)，如地址、通訊規(guī)約、數(shù)據(jù)召喚周期等；
修改油井終端參數(shù)，如各種報警限值，抽油機沖程、沖次、各傳感器量程等參數(shù)，并將必要的參數(shù)下發(fā)到油井終端；
(2) 數(shù)據(jù)處理功能
事項報警處理功能：系統(tǒng)對模擬量可分別設(shè)置報警上、下限，有效上、下限，當數(shù)據(jù)越限值時可生成報警記錄。可定義報警的音響效果，活給出語音報警提示；
事件記錄，系統(tǒng)記錄所有用戶操作、通訊事件和終端報警；
數(shù)據(jù)保存周期可按不同數(shù)據(jù)類型設(shè)置為逢變即存、10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘（保存周期應(yīng)大于等于采集周期）；
權(quán)限管理。所有系統(tǒng)操作均有授權(quán)控制；
(3) 人機界面功能
界面循環(huán)顯示：授權(quán)用戶可選擇油井，使基本信息界面可自動循環(huán)顯示，顯示時間可在5 秒-30 秒之間以秒為單位設(shè)置；
報警發(fā)生時，可自動推出報警畫面，并伴有聲音或語音報警；
結(jié)合地理位置圖顯示油井信息，如開/關(guān)井，基本運行數(shù)據(jù)等；
結(jié)合地理位置圖顯示與油井相關(guān)的電力線路運行信息，如是否停電等；
生成各采集參數(shù)的時間曲線；
顯示示功圖：功圖迭加和并列對比；
計算功能：支持常用函數(shù)功能；
歷史數(shù)據(jù)綜合查詢及生成報表；
遙控啟/停井（預(yù)留功能）
(4) 系統(tǒng)維護功能
為油井終端維護人員提供手持終端，以便于現(xiàn)場維護，并可在局信息網(wǎng)出現(xiàn)故障時接收現(xiàn)場的報警信息；
(5) 報表功能
可自定義報表格式，生成EXCEL 報表。
1.3.3.2. 應(yīng)用服務(wù)器
應(yīng)用服務(wù)器負責接收用戶終端的請求，通過訪問實時數(shù)據(jù)庫向用戶返回所需的數(shù)據(jù)，在必要時向通訊服務(wù)器發(fā)出指令。油井應(yīng)用服務(wù)器包含數(shù)據(jù)處理軟件、命令處理軟件、報警和事件處理軟件、安全控制軟件、圖形制作軟件。油井應(yīng)用服務(wù)器軟件應(yīng)至少提供以下基本功能：
（1） 生成客戶終端畫面
畫面應(yīng)可以以采油廠地圖做背景，按油井的近似地理位置顯示油井的基本運行狀態(tài)，如是否開井、是否有報警等；鼠標移動到油井位置可彈出信息框，顯示油井的基本運行數(shù)據(jù)，如電流、電壓、回壓、溫度等；鼠標點擊該井轉(zhuǎn)入詳細的油井信息畫面，提供了顯示示功圖、查詢歷史記錄、進行功圖對比等功能選項。
以地圖做背景的畫面可以方便地進行放大、縮小、平移等操作，圖形應(yīng)在正常縮放范圍內(nèi)保持不失真。
（2） 安全控制
① 系統(tǒng)應(yīng)能對用戶采用基于組的權(quán)限控制方式，對終端采用基于區(qū)域的控制方式；
② 系統(tǒng)向用戶提供以下權(quán)限：系統(tǒng)管理、終端管理、控制、瀏覽，能控制每個用戶對每個終端的訪問權(quán)限；
③ 系統(tǒng)管理員負責注冊（修改）新用戶，并為用戶分配權(quán)限；負責維護系統(tǒng)級參數(shù)，包括：生產(chǎn)井缺省輪詢周期、生產(chǎn)井缺省保持日期；
④ 一般授權(quán)用戶可以添加（修改）其管轄范圍內(nèi)的終端的配置參數(shù)
（3） 通過查詢配電實時數(shù)據(jù)庫，獲取配電線路的實時數(shù)據(jù)顯示在地圖背景上，使小隊用戶可以及時掌握油井供電情況，當發(fā)生停井時能更好地分析停井原因；
（4） 數(shù)據(jù)處理
接收通訊服務(wù)器采集的數(shù)據(jù)，通過配置庫中配置的變換參數(shù)和報警限值設(shè)定，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程值，并與報警限值比較，如果需要產(chǎn)生報警，則交給報警和事件處理軟件。
（5） 歷史數(shù)據(jù)存儲
可對每個采集點配置歷史存儲周期，歷史存儲周期至少可設(shè)置為以下兩種：逢變即存、以分鐘為單位設(shè)置存儲周期。
（6） 報警控制
系統(tǒng)可為每種報警定義報警級別，對每個報警級別提供不同的報警效果，如顏色、音響、閃爍等。
可為每個報警級別定義自動確認及時間或人工確認。
可支持多種報警音響效果，至少包括以下兩種：以PC 機的蜂鳴器作為音響效果，使用自定義的wav 文件
（7） 圖形工具
提供繪制用戶界面的圖形工具。繪制好的圖形界面可自動下發(fā)到用戶終端。
（8） 雙機備用系統(tǒng)維護
在系統(tǒng)正常運行時，可隨時停止雙機備用系統(tǒng)中的任何一臺機器而不影響系統(tǒng)運行；可手動切換主/從機
（9） 實時/歷史數(shù)據(jù)庫維護
提供維護實時/歷史數(shù)據(jù)庫的工具，主要是進行數(shù)據(jù)備份。一般使用數(shù)據(jù)庫自帶工具即可。
1.3.3.3. 通訊服務(wù)器
通訊服務(wù)器主要用于與現(xiàn)場設(shè)備通訊，處理在通訊過程中遇到的問題，以向系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)。通訊服務(wù)器軟件應(yīng)具備以下基本功能：
（1） 增/刪終端
系統(tǒng)可支持多種類型的終端。至少支持以下兩種：抽油機井終端、電泵井終端
（2） 配置終端通訊參數(shù)，包括通訊規(guī)約及屬性；
系統(tǒng)可支持多種通訊規(guī)約。至少支持MODBUS、DNP3.0/UDP/IP 規(guī)約。
（3） 下發(fā)終端采集參數(shù)；
（4） 按照終端的配置執(zhí)行與終端的通訊過程和規(guī)約處理系統(tǒng)根據(jù)終端的通訊通道和廠家將終端分組，一個組中的終端應(yīng)是同一通訊方式同一廠家的產(chǎn)品，一個組最多可容納20 個終端（與通訊的輪詢周期有關(guān)）。在循檢時間到來時，通訊服務(wù)器根據(jù)終端的分組情況，為每個組建立一個通訊線程，由每個現(xiàn)場負責該組中所有終端的通訊。一個組應(yīng)使用相同廠家的接口模塊。
（5） 對終端進行時間同步；
（6） 將接受到的模擬量進行標度變換，轉(zhuǎn)換為工程值；
（7） 將處理過的數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫；
（8） 通道質(zhì)量監(jiān)視對通道的速率、誤碼率等指標進行監(jiān)測，并隨時做出統(tǒng)計結(jié)果；
（9） 雙機熱備用，保障系統(tǒng)可靠性；
（10）接受應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出的指令；
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號