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(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，講師。曾擔任北京科技大學(xué)自動(dòng)化系教師，現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：本文以王二計量接轉站為例，描述了數字化系統在長(cháng)慶油田的應用。該項目使用了北京安控公司生產(chǎn)的RTU和PLC，結合計算機技術(shù)、zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋產(chǎn)品，實(shí)現了對油井的示功圖采集、抽油機啟?？刂?、電參數采集和視頻監控等功能，實(shí)現了對注水井的數據采集，實(shí)現了對計量接轉站的數據采集、控制和視頻監控功能，達到了實(shí)時(shí)監控、強化安全、減員增效的目標。

    關(guān)鍵詞：數字化系統；長(cháng)慶；RTU；PLC

    由于地勢環(huán)境的因素，導致長(cháng)慶油田“數字化”系統的復雜性和多層結構。該系統涉及到了多種硬件設備、軟件平臺以及復雜的網(wǎng)絡(luò )通訊結構，其中以王二計量轉接站的數字化建設更具有代表性。

    1 項目背景

    長(cháng)慶油田為國內第二大油田，礦產(chǎn)資源登記面積25.78萬(wàn)平方公里，跨越5?。▍^）， 長(cháng)慶油田管理的7萬(wàn)口油、氣、水井分布在37萬(wàn)平方公里的鄂爾多斯盆地，涉及4?。▍^）、數十個(gè)市縣，各采油、采氣廠(chǎng)分散獨立，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)的競爭力，長(cháng)慶油田成立了數字化建設、建立全油田統一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數字化管理系統，實(shí)現“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，達到強化安全、過(guò)程監控、節約人力資源和提高效益的目標。

    王二轉位于采油一廠(chǎng)王三計區域安塞縣王窯鄉白莊村內，隸屬于長(cháng)慶油田采油一廠(chǎng)王窯作業(yè)區。項目涉及到2個(gè)接轉站、2個(gè)計量站及所轄58個(gè)井場(chǎng)，69口油井和5口注水井進(jìn)行數字化建設。通過(guò)井場(chǎng)上的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將視頻、井場(chǎng)功圖數據傳到王二計量轉接站，實(shí)現電子巡井、油井巡護等功能。王二計量接轉站內建設1套RTU/PLC控制系統，實(shí)現關(guān)鍵生產(chǎn)數據的集中監控，輸油自動(dòng)控制，減少了工人日常巡視的工作強度，提高了站點(diǎn)的安全。

    2 整體結構

    在油田公司數字化管理項目的建設要求和技術(shù)標準指導下，結合實(shí)際情況進(jìn)行整體規劃，從系統結構、設備選型和功能實(shí)現三個(gè)方面進(jìn)行設計。

    系統結構如圖1所示：包括井場(chǎng)和站內兩大部分。

    井場(chǎng)系統分為井口、井場(chǎng)配水間、井場(chǎng)視頻監控和井場(chǎng)主控四部分；站內系統分為站內視頻監控、增壓站RTU/PLC控制、中控室監控系統三部分；這兩大系統之間是通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據交換的。

                  

                                     圖1 系統結構圖

    2.1井口RTU

    選用北京安控科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)安控科技）的井口數據采集RTU，通過(guò)4~20mA模擬信號對負荷和角位移進(jìn)行示功圖數據采集；遠程手動(dòng)控制油井電機啟停，并采集油井運行狀態(tài)；啟動(dòng)現場(chǎng)報警提示；對電機三相電壓和三相電流進(jìn)行采集。井口數據通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)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，對井場(chǎng)配水間匯管壓力進(jìn)行采集；通過(guò)RS485采集高壓注水流量計的注水流量數據，同時(shí)還與壓力變送器進(jìn)行通訊。配水間數據通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議與井場(chǎng)主RTU進(jìn)行通訊。

    2.2井場(chǎng)視頻監控

    選用室外云臺和攝像機，通過(guò)井場(chǎng)攝像機傳送視頻信息到視頻服務(wù)器，通過(guò)交換機上傳至無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，后經(jīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最終實(shí)現現場(chǎng)視頻數據傳送到站內視頻監控平臺。

    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(guò)4~20mA模擬信號對井口出油管線(xiàn)壓力進(jìn)行采集；通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議與所屬各井口RTU和配水間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，以實(shí)現數據采集和井口控制；通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋上傳數據到增壓站。

    2.4站內視頻監控部分

    選用室外云臺和攝像機，通過(guò)站內攝像機傳送視頻信息到視頻服務(wù)器，后經(jīng)交換機實(shí)現現場(chǎng)視頻數據傳送到站內視頻監控平臺。

    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)現站內監控點(diǎn)的數據采集、回路控制、故障連鎖和累計計算等功能。

    2.6中控室監控系統部分

    選用安控科技的數字化油田SCADA軟件，實(shí)現站內和井場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據采集，同時(shí)結合長(cháng)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，實(shí)現產(chǎn)量計算、功圖量油、自動(dòng)語(yǔ)音報警、報警管理和報表自動(dòng)生成等功能。

    2.7無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部分

    數據無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品選用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋產(chǎn)品， 實(shí)現增壓站和井場(chǎng)之間的數據實(shí)時(shí)傳輸、視頻監控、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現后臺信息共享，信息管理等應用。

    3 項目實(shí)施方案

    根據現場(chǎng)狀況和指導意見(jiàn)，制定數字化系統實(shí)施方案。系統可分為井場(chǎng)數據采集、數據通訊及站控系統三大部分。

    3.1井場(chǎng)數據采集部分

    （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(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋設備等硬件設施，在各增壓點(diǎn)建立數據監控處理平臺及功圖遙測平臺，實(shí)現油井功圖全天候采集、泵況智能診斷和產(chǎn)量估算等功能。

    所有監測數據都是各井口RTU通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與主RTU進(jìn)行通訊，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用的是ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)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備之間進(jìn)行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時(shí)間數據傳輸的應用。ZigBee是一種無(wú)線(xiàn)連接，可在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)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，但可以繼續增加。

    （2）電參采集、集輸管道壓力采集

    在抽油機控制箱配套電流互感器，監測抽油機上下行過(guò)程中電壓/電流/電量等參數變化情況；配套電機運行監控模塊，監視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過(guò)載、空轉等故障實(shí)現自動(dòng)報警，并能根據控制中心命令實(shí)現啟?？刂?。
在井場(chǎng)集輸管道出口處安裝智能壓力變送器，監測油壓變化。

    （3） 注水閥組

    井場(chǎng)主RTU通過(guò)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、累計流量、匯管壓力等實(shí)時(shí)參數，并通過(guò)遠程調度，實(shí)現對井口的按計劃、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。設備起到了通用協(xié)議轉換器的作用，硬件方面可接入4～20mA、RS485等多種類(lèi)型的信號，軟件方面則支持各種標準通信協(xié)議或者自定義協(xié)議?？杉嫒莞鱾€(gè)廠(chǎng)家的儀表設備，給設備的維護和后期改造帶來(lái)很多便利條件。在通訊數據結構方面，將閥組間儀表數據采集匯總到閥組間RTU（即協(xié)議轉換器）中。統一數據格式后，一次性集中上傳。一方面可提高通信效率，避免上位機對閥組間儀表逐個(gè)輪詢(xún)掃描而導致輪詢(xún)周期過(guò)長(cháng)，另一方面，統一了與上位機的數據接口，便于上位機軟件的開(kāi)發(fā)調試和維護。

    此處設計閥組間協(xié)議轉換箱是一個(gè)技術(shù)應用的更新。如果不采用閥組間RTU而只是將多個(gè)流量計和壓力變送器當作Modbus設備站在軟件上進(jìn)行數據采集，必然會(huì )導致軟件在采集過(guò)程數據時(shí)需要對逐個(gè)儀表進(jìn)行輪詢(xún)采集，無(wú)法一次性采集上來(lái)；輪詢(xún)采集，通訊效率必然會(huì )低，周期加長(cháng)，井口數據采集也會(huì )受到影響；現場(chǎng)實(shí)際情況的不同，采用的儀表型號也不完全統一，需要分別處理，代碼雜亂不統一，開(kāi)發(fā)和維護都很困難。

    （4）井場(chǎng)視頻監控

    根據每個(gè)井場(chǎng)的井口數量的不同，設置1至2套視頻監控設備（8口井以?xún)群?口井用1套視頻監控系統，9-15口井用2套視頻監控系統），實(shí)現對整個(gè)井場(chǎng)的實(shí)時(shí)監控。

    每套視頻監控設備支持云臺、鏡頭預置位功能，可以實(shí)現對多個(gè)固定位置的預置拍攝或取證拍攝。每套視頻監控設備設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，實(shí)現對井場(chǎng)的周界報警、非法闖入等事件進(jìn)行報警并進(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，操作人員可以根據報警的情況通過(guò)手動(dòng)操作攝像機進(jìn)行近距離，高清晰取證錄像，同時(shí)也可以實(shí)現自動(dòng)觸發(fā)遠程錄像功能。

    通過(guò)電子巡井功能，用戶(hù)可以實(shí)現遠程自動(dòng)/手動(dòng)巡井功能，并實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)現場(chǎng)的情況和各種生產(chǎn)參數，從而實(shí)現快速巡井，加快巡井周期，降低巡井工作量和生產(chǎn)成本。

    3.2數據通訊部分

    對現有場(chǎng)站和采油井數字化進(jìn)行升級，要達到實(shí)時(shí)數據采集及傳輸、視頻監控、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現后臺信息共享，信息管理等應用。解決方案首先要保證網(wǎng)絡(luò )可長(cháng)距離高帶寬回傳，且性能穩定。另外實(shí)現了設備集中管理，便于維護。根據現場(chǎng)情況和設計最低成本理念的指導下，以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋為傳輸設備，組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸結構。

    3.3站控系統部分

    站控系統主要由過(guò)程控制單元RTU/PLC、操作站、局域網(wǎng)絡(luò )等構成，并配套操作系統、工控組態(tài)及數據庫等相關(guān)軟件，安控科技的數字化油田SCADA軟件平臺和數據中心平臺。

    根據現場(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，站點(diǎn)采用安控科技的SuperE系列RTU/PLC控制系統， 該系統為油田長(cháng)期配套的專(zhuān)用產(chǎn)品。上位采用的是安控科技的數字化油田SCADA軟件作為系統的數據監控平臺，實(shí)現站內和井場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據采集，同時(shí)結合長(cháng)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，實(shí)現了井組導航、流程監控、電子巡井、功圖分析、生產(chǎn)曲線(xiàn)、運行報表和單元報警等功能。

    井組導航實(shí)現了對各井場(chǎng)及增壓點(diǎn)外輸出口壓力的采集，能夠對主要數據更及時(shí)的觀(guān)察；
    流程監控是站內主流程的體現，直觀(guān)的反映站內工藝流程。主要實(shí)現：
    （1）對收球筒原油出口壓力檢測，超限報警，收球筒溫度控制；
    （2）對密閉分離裝置（緩沖罐）連續液位監控，超高、低限液位報警；
    （3）對事故罐連續液位監控，超高、低限液位報警；
    （4）預留外輸原油裝置（瞬時(shí)流量）監測和累積計算功能，外輸原油溫度檢測；
    （5）連續監測每臺泵入口、出口壓力，當進(jìn)口壓力超下限時(shí)或出口壓力超上限時(shí)報警；
    （6）根據分離裝置的液位，通過(guò)變頻調節分輸泵的排量，使分離裝置內液位基本保持在中線(xiàn)附近，實(shí)現連續輸油；
    （7）外輸泵運行狀態(tài)、運行頻率及三相電流、電壓及功率等參數監測。接受可燃氣體報警控制器輸出的濃度超限報警信號，實(shí)現可燃氣體泄露濃度超限報警。

    電子巡井實(shí)現對各井口數據的采集和遠程啟?？刂?，并在安控科技的數字化油田SCADA軟件上嵌入了視頻監控系統，支持SCADA畫(huà)面與視頻畫(huà)面進(jìn)行聯(lián)動(dòng)?？梢匀鐚?shí)的反映井場(chǎng)實(shí)際情況；

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

    生產(chǎn)曲線(xiàn)實(shí)現對壓力、溫度和液位實(shí)時(shí)和歷史數據的查詢(xún)，方便工作人員更好的掌握運行情況和對事件的分析；

    運行報表實(shí)現對監測點(diǎn)的定時(shí)記錄、歷史查詢(xún)、數據刷新、報表導出和報表打印等功能。能夠如實(shí)的記錄數據，為日常數據統計管理提供了諸多便利條件，也杜絕了人為原因導致的誤差；

    單元報警，在報警功能上做到了實(shí)時(shí)報警和歷史報警兩部分。實(shí)時(shí)報警能夠及時(shí)的顯示報警提示和相關(guān)報警信息，歷史報警可對歷史報警信息進(jìn)行存檔查詢(xún)，同時(shí)也支持報警數據的打印功能。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)。

    視頻監控系統處理井場(chǎng)和站內的視頻圖像信息，同時(shí)具有錄像功能，能同時(shí)存儲這多個(gè)現場(chǎng)的視頻錄像。在監控畫(huà)面中制定一定的報警規則（如跨界報警、區域報警），對人或車(chē)跨越報警線(xiàn)或進(jìn)入報警區域，視頻工作站實(shí)現對場(chǎng)站監控范圍的闖入進(jìn)行報警提示，視頻工作站具有記錄報警時(shí)間、報警聲音提示、自動(dòng)生成報警畫(huà)面和報警錄像的功能，同時(shí)將報警信號通過(guò)光纜上傳到所屬視頻工作站進(jìn)行報警提示，從而節省巡警所占用的大量時(shí)間，方便了操作人員對井場(chǎng)情況的掌握，降低了勞動(dòng)強度。

    4 成效

    系統運行期間，王二計量轉接站所屬的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。節省了大量的時(shí)間和精力，真正實(shí)現了“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，達到了強化安全、過(guò)程監控、節約人力資源和提高效益的目標。