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，現為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：文章介紹了無(wú)線(xiàn)儀表和無(wú)線(xiàn)RTU在冀東油田數字化建設中的應用，采用專(zhuān)業(yè)化的油田工控產(chǎn)品和Zigbee通信技術(shù)，實(shí)現對現場(chǎng)油水井的遠程數據采集和控制，降低了施工成本，縮短了建設周期，為全面建設數字化油田創(chuàng )造了條件。

    關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)；儀表；RTU；數字化

    Abstract: In this paper, we introduce the application of wireless instruments and wireless RTUs in the digitalization construction of Jidong oilfield.Professional products and Zigbee communication technology realize the remote data acquisition and control of oil and water wells, reduce the construction cost, shorten the construction period, and provide the possibility of all-round construction of digital oilfield.

    Key words: Wireless; instrument; RTU; digitalization

    井站自動(dòng)化系統是油田地面工程自動(dòng)化系統最底層、范圍最廣、最關(guān)鍵的現場(chǎng)級控制系統，主要完成對現場(chǎng)井口、站點(diǎn)的數據采集和控制，以及現場(chǎng)視頻監控功能。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井，以及計量配水站等。

    1 項目介紹

    中國石油冀東油田公司是中國石油天然氣集團公司所屬地區公司，集油氣勘探、開(kāi)發(fā)、研究、生產(chǎn)、銷(xiāo)售為一體的大型石油公司。作業(yè)區域跨唐山、秦皇島兩市，登記探礦權面積5797平方千米，有利勘探面積1570平方千米，其中：陸地面積570平方千米，灘海面積1000平方千米。

    自2000年以來(lái)，冀東油田在部分區塊已經(jīng)建立了井站自動(dòng)化系統，典型系統如高尚堡作業(yè)區，覆蓋了25個(gè)計量站、約400口油井。但是原有系統的覆蓋面小，對于整個(gè)冀東油田而言，仍有一半以上的井口、站點(diǎn)尚未實(shí)現自動(dòng)化監控；另一方面，隨著(zhù)電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，在已有系統中，早期建成的部分系統采用的產(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)逐漸失去了先進(jìn)性，在使用維護過(guò)程中暴露出一些問(wèn)題。

    冀東油田的井站自動(dòng)化系統項目包括無(wú)線(xiàn)油水井監控工程、作業(yè)區遠程監控系統完善兩大部分。前者完成對現場(chǎng)的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的自動(dòng)化建設，后者則針對中控室和計量站進(jìn)行建設。最終要在2010年建立起覆蓋整個(gè)油田的、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、便于使用維護的油田數據采集和監控（SCADA）系統，實(shí)現數字化油田的建設目標。

    在實(shí)時(shí)監控方面，實(shí)現對油井的遠程示功圖采集、電量采集和中控室遠程啟?？刂?，以及計量站的自動(dòng)計量和站內無(wú)人值守；在生產(chǎn)管理方面，通過(guò)抽油機示功圖對油井工況進(jìn)行診斷分析，通過(guò)電量數據掌握油井耗電情況和采取節能措施，通過(guò)功圖計產(chǎn)、計量站量油和含水率分析制定油井管理措施；在生產(chǎn)信息方面，在各個(gè)中控室設置數據庫服務(wù)器和WEB發(fā)布服務(wù)器，實(shí)現油田生產(chǎn)信息在油田范圍內的信息共享。

    1.1 無(wú)線(xiàn)油水井監控工程

    既包括新建區塊（對原來(lái)沒(méi)有實(shí)現自動(dòng)化的區塊進(jìn)行自動(dòng)化建設），也包括老區塊改造（對已有自動(dòng)化的區進(jìn)行改造和完善）。其中新建區塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約150口，此外還包括幾十口注水井；老區塊改造的油水井總數約數百口。這些油水井隸屬于共計160多個(gè)計量站，每個(gè)計量站的周邊1公里距離內，下轄少則數個(gè)、多則20余個(gè)井口。

    各種井口要實(shí)現的功能見(jiàn)表1。

    1.2 作業(yè)區遠程監控系統完善

    項目為了完善冀東油田作業(yè)區控制系統，涉及到了陸上和南堡兩個(gè)采油作業(yè)區，要求軟件分別開(kāi)發(fā)，功能和界面保持一致。其中陸上作業(yè)區分別在8個(gè)采油區建立控制室，實(shí)現各自采油區所轄油水井和集輸系統的自動(dòng)監控，實(shí)現無(wú)集中的陸上作業(yè)區SCADA中控室。

    陸上作業(yè)區的第1、2、3采油區3個(gè)控制室作為遠端監控終端，網(wǎng)絡(luò )和存儲中心設在原柳贊作業(yè)區中控室機房，配備數據和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設備；第4、5、6采油區3個(gè)控制室作為遠端監控終端，網(wǎng)絡(luò )和存儲中心設在原高尚堡作業(yè)區中控室機房，配備數據和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設備；第7、8采油區2個(gè)控制室作為遠端監控終端，網(wǎng)絡(luò )和存儲中心設在原老爺廟作業(yè)區中控室機房，配備數據和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設備。

    南堡油田采油作業(yè)區涉及陸岸平臺、NP2-3平臺、2號人工島分屬1號島采油隊、NP2-3采油隊和2號島采油隊。1號島采油隊控制室直接進(jìn)原SCADA中心；NP2-3平臺監控設備與轉油站控制設備設在同一控制室（在建）；在2號島新建采油隊控制室。南堡作業(yè)區原SCADA中心作為南堡作業(yè)區中控室，可直接操作各采油隊監控設備，進(jìn)行數據存儲和發(fā)布?？傮w數據采集走向見(jiàn)表2。

    2 井站自動(dòng)化系統的總體結構設計和產(chǎn)品選型

    井站自動(dòng)化系統主要由井口控制終端(RTU)、現場(chǎng)檢測設備、通訊鏈路、計量終端（PLC）、中心控制設備組成的一套（SCADA）數據采集控制系統。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進(jìn)行井口數據通訊以及如何使數據穩定準確及時(shí)的傳輸到中控室，都決定了系統的穩定性、實(shí)用性和可靠性。

                                                       表1
                   

                                                  表2
                       
 
    在2010年的新系統建設和老區塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統類(lèi)似，但是在井站系統的通信系統設計和產(chǎn)品、技術(shù)選型方面，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。

    在產(chǎn)品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化RTU產(chǎn)品和無(wú)線(xiàn)儀表，安控產(chǎn)品既保留了其傳統的高性能、高可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)又全面支持最新的ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)。對于冀東油田已有系統的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行改造，擴充出無(wú)線(xiàn)通信接口。

    在井站系統通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間、井口RTU與計量站數據采集器之間，均采用先進(jìn)的ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優(yōu)點(diǎn)，代表了短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，并由此帶來(lái)施工簡(jiǎn)化、調試維護簡(jiǎn)單、建設周期短等優(yōu)點(diǎn)。計量站與上級作業(yè)區監控中心之間的數據通信和視頻傳輸，則采用了已有的光纖通信網(wǎng)絡(luò )。

    2.1 井站自動(dòng)化系統的總體結構

    在高標準、高性能、高穩定性的原則指導下，冀東油田井站自動(dòng)化系統結構如圖1所示，包括數據采集部分、網(wǎng)絡(luò )通訊部分和作業(yè)區監控中心（中控室）三大部分：  

                   
                                       圖1  自動(dòng)化系統結構圖

    2.2 產(chǎn)品選型

    在冀東井站自動(dòng)化系統的建設中，井口相關(guān)部分選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設備。這些設備均支持ZigBee通信技術(shù)。ZigBee通信技術(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)。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數據連接層上制定出的標準，具有高可靠、高性?xún)r(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò )應用規格。

    北京安控科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“安控科技”），是專(zhuān)業(yè)從事工業(yè)級RTU產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和系統集成業(yè)務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，是行業(yè)領(lǐng)先的工業(yè)級RTU產(chǎn)品供應商和系統集成服務(wù)商，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產(chǎn)品鏈，擁有完善的油氣田自動(dòng)化和環(huán)保在線(xiàn)監測專(zhuān)用產(chǎn)品。

    2.2.1 無(wú)線(xiàn)電量模塊

    抽油機井、電潛泵井的數據采集設備，選用的是北京安控公司的Super32-L308無(wú)線(xiàn)電量模塊，可實(shí)現對三相電壓、三相電流和對抽油機的啟?？刂埔约盃顟B(tài)采集。

    模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個(gè)RS232接口、1個(gè)RS485接口，內置了高性能的Zigbee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線(xiàn)。

                           

    Super32-L308無(wú)線(xiàn)電量模塊采用先進(jìn)的32位處理器，不僅能完成邏輯運算、定時(shí)、計數控制，還能實(shí)現數據處理、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。
                         
                      

    與同類(lèi)RTU相比，具有更大的存儲容量，更強的計算功能，更簡(jiǎn)便的編程與開(kāi)發(fā)能力；強大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標特性，能夠適應各種惡劣工況環(huán)境。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議與計量間無(wú)線(xiàn)數據采集器進(jìn)行數據通訊。

    2.2.2 無(wú)線(xiàn)載荷位移傳感器

    抽油機井選用了北京安控公司的SZ902N型號無(wú)線(xiàn)載荷位移傳感器，可自動(dòng)測量功圖和自動(dòng)測量沖次，實(shí)現對有桿泵示功圖的采集。示功圖數據以Zigbee無(wú)線(xiàn)通信方式，傳輸到井口無(wú)線(xiàn)電量模塊和計量站無(wú)線(xiàn)數據采集器通信主站。
                         
                      

    SZ902N型號無(wú)線(xiàn)載荷位移傳感器，設備簡(jiǎn)單，只有一個(gè)與傳統載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線(xiàn)儀表電纜敷設的施工量，安裝簡(jiǎn)化快捷；運行穩定，使用電池供電，可消除外界電網(wǎng)干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動(dòng)，不易被人為破壞；技術(shù)先進(jìn)，可設置多個(gè)頻點(diǎn)，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產(chǎn)品，利用太陽(yáng)能充電安全環(huán)保。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議與計量間進(jìn)行數據通訊。
   

    2.2.3 無(wú)線(xiàn)壓力變送器

    無(wú)線(xiàn)壓力變送器選用的是北京安控公司的SZ903D產(chǎn)品，實(shí)時(shí)監測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無(wú)線(xiàn)壓力傳感器，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點(diǎn)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議與計量間進(jìn)行數據通訊。

    2.2.4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)

    螺桿泵井采集器和計量站無(wú)線(xiàn)數據采集器主站，均選用了北京安控公司的SZ932無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。該設備具有1個(gè)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口、1個(gè)RS485接口、1個(gè)RS232接口、1個(gè)TCP/IP網(wǎng)絡(luò )接口，因此可以廣泛用于以下場(chǎng)合：
                 
                    

    （1）實(shí)現第三方產(chǎn)品的協(xié)議轉換；

    （2）實(shí)現有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信之間的轉換；

    （3）作為網(wǎng)關(guān)設備，將有線(xiàn)RS232/RS485或者無(wú)線(xiàn)通信轉換為網(wǎng)絡(luò )數據傳輸。

    在冀東井站自動(dòng)化系統中，SZ932無(wú)線(xiàn)采集器可以通過(guò)標準的RS485通訊協(xié)議對螺桿泵變頻數據進(jìn)行采集，然后以Zigbee無(wú)線(xiàn)方式，將螺桿泵變頻器數據傳輸到計量站，從而滿(mǎn)足了第三方產(chǎn)品設備更好的接入。

    另外，每個(gè)計量站的無(wú)線(xiàn)數據采集器同樣也采用了SZ932無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。其作為井口設備的通信主站，以Zigbee短距離無(wú)線(xiàn)通信方式，與現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表或無(wú)線(xiàn)RTU通信；然后經(jīng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò )傳輸到作業(yè)區監控中心的上位機系統。

    2.3 網(wǎng)絡(luò )通信設計

    從系統結構圖可以看出，通信設計采取了無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)相結合的方式，達到實(shí)時(shí)數據采集、傳輸、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。

    2.3.1 無(wú)線(xiàn)應用部分

    每個(gè)計量站下轄的井口，一般分布在以計量站為中心、半徑1公里以?xún)?，相對比較集中。采用短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以節省成本同時(shí)也降低了施工強度。采用ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，應用在現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表和無(wú)線(xiàn)RTU與計量站無(wú)線(xiàn)數據采集器之間的通訊上。

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)采用的是Zi gBe e的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，ZigBee是一種無(wú)線(xiàn)連接，可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個(gè)頻段上，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。

    2.3.2 有線(xiàn)應用部分

    計量站是分散的，且與作業(yè)區監控中心的距離相對較遠。井口采集數據和視頻監控數據要統一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠、數據通訊量大的光纖作為媒介，以保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩定性。

    3 系統實(shí)現的功能

    數據采集包括井口數據采集、計量站數據采集和作業(yè)區監控中心。

    3.1 井口數據采集部分

    （1）功圖法量油

    在井場(chǎng)，井場(chǎng)配套無(wú)線(xiàn)載荷位移傳感器SZ902N，實(shí)現油井功圖全天候采集。在作業(yè)區監控中心則安裝專(zhuān)門(mén)的示功圖量油診斷軟件，及時(shí)掌握油井產(chǎn)量情況和分析故障原因。

    （2）電參采集、油井壓力采集

    在抽油機控制箱配套無(wú)線(xiàn)電量模塊Super32-L308，監測抽油機上下行過(guò)程中三相電流和三相電壓的變化情況；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?。

    在油井上安裝無(wú)線(xiàn)壓力傳感器SZ903D，實(shí)時(shí)監測油壓和套壓的變化。

    （3）螺桿泵井

    在螺桿泵井控制箱內配套無(wú)線(xiàn)采集模塊SZ932，無(wú)線(xiàn)采集模塊SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進(jìn)行通訊。采集變頻實(shí)時(shí)數據，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數和電能等參數，并據此制定節能降耗措施。

    （4）電潛泵井

    在電潛泵井控制箱內配套無(wú)線(xiàn)電量模塊Super32-L308，通過(guò)電流互感器對電泵井的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。

    （5）注水井

    在注水井安裝無(wú)線(xiàn)壓力變送器SZ903D，實(shí)時(shí)監測注水井壓力的變化。

    3.2 計量站數據采集部分

    （1）計量站無(wú)線(xiàn)采集主站

    計量站無(wú)線(xiàn)采集器SZ932實(shí)現了兩級通信方式：每個(gè)計量站下轄的現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表和無(wú)線(xiàn)控制器的數據，首先要傳輸到計量站無(wú)線(xiàn)數據采集器主站，然后再經(jīng)網(wǎng)關(guān)集中批量地傳輸到上位機系統。

    兩級通信方式的優(yōu)點(diǎn)：將井口無(wú)線(xiàn)儀表和設備，首先以計量站為單元，分別獨立地進(jìn)行數據采集，提高了采集效率，縮短了輪訓周期；而作業(yè)區監控中心則只需與計量站無(wú)線(xiàn)數據采集器通信，而不必直接面對現場(chǎng)數以千計、輸出接口各異的設備（儀表、電量采集單元、變頻器等），降低了中控室上位軟件的工作負荷和軟件復雜性。

    （2）計量站PLC

    計量站采用的是西門(mén)子的S7-300系列PLC，實(shí)現對計量間內數據的采集、計算和控制。實(shí)現計量站的無(wú)人值守功能。

    3.3 作業(yè)區監控中心部分

    中控室數據采集與監視控制系統（SCADA），主要實(shí)現流程監控，功圖分析，生產(chǎn)曲線(xiàn)、報表生成，操作日志和報警等功能。有著(zhù)信息完整、提高工作效率、正確掌握系統運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統運行可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕了調度員的負擔，實(shí)現了油田調度自動(dòng)化與現代化，在提高調度人員的工作效率和操作水平方面有著(zhù)不可替代的作用。

    4 無(wú)線(xiàn)井站自動(dòng)化系統的優(yōu)點(diǎn)、效益分析

    與傳統的產(chǎn)品選型和系統設計相比，冀東無(wú)線(xiàn)井站自動(dòng)化系統在建設和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點(diǎn)：

    4.1 施工簡(jiǎn)便、低成本，節省材料和人工

    油田傳統的井站自動(dòng)化系統的建設方式，以冀東原有的老區塊為例，采用的是模擬儀表和有線(xiàn)通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線(xiàn)通信方式，在施工安裝過(guò)程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場(chǎng)挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。

而在無(wú)線(xiàn)井站自動(dòng)化系統中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡(jiǎn)化為無(wú)線(xiàn)通信的調試，施工成本被降到了最低。

    4.2 施工快捷，建設周期短，便于后期維護

    由于新系統的建設省略了在井場(chǎng)動(dòng)土挖溝、動(dòng)火電焊等施工，因此施工速度提高了數倍。

    以北京安控公司生產(chǎn)的U型無(wú)線(xiàn)載荷傳感器的安裝為例，傳統的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時(shí)以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時(shí)間，因此正常的安裝時(shí)間縮短到了10分鐘以?xún)取?br />
    井場(chǎng)內自動(dòng)化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著(zhù)油井減產(chǎn)。因此從這個(gè)意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高。

在系統的后期維護方面，冀東老區塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)常被重型車(chē)輛軋斷和遭到人為破壞。而無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品則免除了這一問(wèn)題。

    4.3 適合于規模施工，全面建設數字化油田

    隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)的進(jìn)步，特別是國產(chǎn)設備的推陳出新，油田專(zhuān)用的RTU、PLC產(chǎn)品的采購成本已經(jīng)逐漸降低；而無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用，則帶來(lái)了施工費用的大大降低。

    僅僅在數年以前，油田自動(dòng)化建設的投資還只能針對重點(diǎn)區塊、建設重點(diǎn)工程。而目前最新的技術(shù)和產(chǎn)品，則為全面建設數字化油田創(chuàng )造了條件。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十期