作者簡介：劉曉良（1971-）男，河北灤縣人，畢業(yè)于燕山大學(xué)電氣自動化專業(yè)，工學(xué)碩士，講師。曾擔(dān)任北京科技大學(xué)自動化系教師，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：本文以王二計量接轉(zhuǎn)站為例，描述了數(shù)字化系統(tǒng)在長慶油田的應(yīng)用。該項目使用了北京安控公司生產(chǎn)的RTU和PLC，結(jié)合計算機技術(shù)、zigbee無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)橋產(chǎn)品，實現(xiàn)了對油井的示功圖采集、抽油機啟?？刂?、電參數(shù)采集和視頻監(jiān)控等功能，實現(xiàn)了對注水井的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了對計量接轉(zhuǎn)站的數(shù)據(jù)采集、控制和視頻監(jiān)控功能，達到了實時監(jiān)控、強化安全、減員增效的目標。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字化系統(tǒng)；長慶；RTU；PLC

    由于地勢環(huán)境的因素，導(dǎo)致長慶油田“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、軟件平臺以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)，其中以王二計量轉(zhuǎn)接站的數(shù)字化建設(shè)更具有代表性。

    1 項目背景

    長慶油田為國內(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?。▍^(qū)）、數(shù)十個市縣，各采油、采氣廠分散獨立，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)，實現(xiàn)“同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，達到強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標。

    王二轉(zhuǎn)位于采油一廠王三計區(qū)域安塞縣王窯鄉(xiāng)白莊村內(nèi)，隸屬于長慶油田采油一廠王窯作業(yè)區(qū)。項目涉及到2個接轉(zhuǎn)站、2個計量站及所轄58個井場，69口油井和5口注水井進行數(shù)字化建設(shè)。通過井場上的無線網(wǎng)絡(luò)，將視頻、井場功圖數(shù)據(jù)傳到王二計量轉(zhuǎn)接站，實現(xiàn)電子巡井、油井巡護等功能。王二計量接轉(zhuǎn)站內(nèi)建設(shè)1套RTU/PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，輸油自動控制，減少了工人日常巡視的工作強度，提高了站點的安全。

    2 整體結(jié)構(gòu)

    在油田公司數(shù)字化管理項目的建設(shè)要求和技術(shù)標準指導(dǎo)下，結(jié)合實際情況進行整體規(guī)劃，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型和功能實現(xiàn)三個方面進行設(shè)計。

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

    井場系統(tǒng)分為井口、井場配水間、井場視頻監(jiān)控和井場主控四部分；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（以下簡稱安控科技）的井口數(shù)據(jù)采集RTU，通過4~20mA模擬信號對負荷和角位移進行示功圖數(shù)據(jù)采集；遠程手動控制油井電機啟停，并采集油井運行狀態(tài)；啟動現(xiàn)場報警提示；對電機三相電壓和三相電流進行采集。井口數(shù)據(jù)通過2.4G無線通訊協(xié)議與井場主RTU進行通訊。

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

    2.2井場視頻監(jiān)控

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

    2.3井場主RTU

    選用安控科技的井場主RTU（Super32-L系列RTU），通過4~20mA模擬信號對井口出油管線壓力進行采集；通過2.4G無線通訊協(xié)議與所屬各井口RTU和配水間進行無線通訊，以實現(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

    選用室外云臺和攝像機，通過站內(nèi)攝像機傳送視頻信息到視頻服務(wù)器，后經(jīng)交換機實現(xiàn)現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)傳送到站內(nèi)視頻監(jiān)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AI模塊、1個AO模塊、1個DI模塊、1個DO模塊和一個RS485采集模塊），實現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控點的數(shù)據(jù)采集、回路控制、故障連鎖和累計計算等功能。

    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，實現(xiàn)站內(nèi)和井場的實時數(shù)據(jù)采集，同時結(jié)合長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)，實現(xiàn)產(chǎn)量計算、功圖量油、自動語音報警、報警管理和報表自動生成等功能。

    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， 實現(xiàn)增壓站和井場之間的數(shù)據(jù)實時傳輸、視頻監(jiān)控、遠程控制等效果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應(yīng)用。

    3 項目實施方案

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

    3.1井場數(shù)據(jù)采集部分

    （1）功圖法量油

    在井場，井場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，在各增壓點建立數(shù)據(jù)監(jiān)控處理平臺及功圖遙測平臺，實現(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)測數(shù)據(jù)都是各井口RTU通過無線網(wǎng)絡(luò)與主RTU進行通訊，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(美國流行)3個頻段上工作，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

    在抽油機控制箱配套電流互感器，監(jiān)測抽油機上下行過程中電壓/電流/電量等參數(shù)變化情況；配套電機運行監(jiān)控模塊，監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警，并能根據(jù)控制中心命令實現(xiàn)啟?？刂啤?br /> 在井場集輸管道出口處安裝智能壓力變送器，監(jiān)測油壓變化。

    （3） 注水閥組

    井場主RTU通過RS485(Modbus RTU)與注水閥組通訊，實時采集注水井口壓力、瞬時流量、累計流量、匯管壓力等實時參數(shù)，并通過遠程調(diào)度，實現(xiàn)對井口的按計劃、按實際流量需求進行注水等功能。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，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€廠家的儀表設(shè)備，給設(shè)備的維護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，避免上位機對閥組間儀表逐個輪詢掃描而導(dǎo)致輪詢周期過長，另一方面，統(tǒng)一了與上位機的數(shù)據(jù)接口，便于上位機軟件的開發(fā)調(diào)試和維護。

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

    （4）井場視頻監(jiān)控

    根據(jù)每個井場的井口數(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)），實現(xiàn)對整個井場的實時監(jiān)控。

    每套視頻監(jiān)控設(shè)備支持云臺、鏡頭預(yù)置位功能，可以實現(xiàn)對多個固定位置的預(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，實現(xiàn)對井場的周界報警、非法闖入等事件進行報警并進行廣播提示，同時在視頻操作站實時提醒操作人員，操作人員可以根據(jù)報警的情況通過手動操作攝像機進行近距離，高清晰取證錄像，同時也可以實現(xiàn)自動觸發(fā)遠程錄像功能。

    通過電子巡井功能，用戶可以實現(xiàn)遠程自動/手動巡井功能，并實時記錄生產(chǎn)現(xiàn)場的情況和各種生產(chǎn)參數(shù)，從而實現(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

    對現(xiàn)有場站和采油井?dāng)?shù)字化進行升級，要達到實時數(shù)據(jù)采集及傳輸、視頻監(jiān)控、遠程控制等效果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應(yīng)用。解決方案首先要保證網(wǎng)絡(luò)可長距離高帶寬回傳，且性能穩(wěn)定。另外實現(xiàn)了設(shè)備集中管理，便于維護。根據(jù)現(xiàn)場情況和設(shè)計最低成本理念的指導(dǎo)下，以無線網(wǎng)橋為傳輸設(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軟件平臺和數(shù)據(jù)中心平臺。

    根據(jù)現(xiàn)場工藝的實際情況和在油田行業(yè)自動化的控制經(jīng)驗，站點采用安控科技的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，實現(xiàn)站內(nèi)和井場的實時數(shù)據(jù)采集，同時結(jié)合長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、運行報表和單元報警等功能。

    井組導(dǎo)航實現(xiàn)了對各井場及增壓點外輸出口壓力的采集，能夠?qū)χ饕獢?shù)據(jù)更及時的觀察；
    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。主要實現(xiàn)：
    （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(xù)液位監(jiān)控，超高、低限液位報警；
    （3）對事故罐連續(xù)液位監(jiān)控，超高、低限液位報警；
    （4）預(yù)留外輸原油裝置（瞬時流量）監(jiān)測和累積計算功能，外輸原油溫度檢測；
    （5）連續(xù)監(jiān)測每臺泵入口、出口壓力，當(dāng)進口壓力超下限時或出口壓力超上限時報警；
    （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，實現(xiàn)連續(xù)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(shù)監(jiān)測。接受可燃氣體報警控制器輸出的濃度超限報警信號，實現(xiàn)可燃氣體泄露濃度超限報警。

    電子巡井實現(xiàn)對各井口數(shù)據(jù)的采集和遠程啟?？刂疲⒃诎部乜萍嫉臄?shù)字化油田SCADA軟件上嵌入了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，支持SCADA畫面與視頻畫面進行聯(lián)動?？梢匀鐚嵉姆从尘畧鰧嶋H情況；

    功圖分析可定時生成功圖數(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)曲線實現(xiàn)對壓力、溫度和液位實時和歷史數(shù)據(jù)的查詢，方便工作人員更好的掌握運行情況和對事件的分析；

    運行報表實現(xiàn)對監(jiān)測點的定時記錄、歷史查詢、數(shù)據(jù)刷新、報表導(dǎo)出和報表打印等功能。能夠如實的記錄數(shù)據(jù)，為日常數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理提供了諸多便利條件，也杜絕了人為原因?qū)е碌恼`差；

    單元報警，在報警功能上做到了實時報警和歷史報警兩部分。實時報警能夠及時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行存檔查詢，同時也支持報警數(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)處理井場和站內(nèi)的視頻圖像信息，同時具有錄像功能，能同時存儲這多個現(xiàn)場的視頻錄像。在監(jiān)控畫面中制定一定的報警規(guī)則（如跨界報警、區(qū)域報警），對人或車跨越報警線或進入報警區(qū)域，視頻工作站實現(xiàn)對場站監(jiān)控范圍的闖入進行報警提示，視頻工作站具有記錄報警時間、報警聲音提示、自動生成報警畫面和報警錄像的功能，同時將報警信號通過光纜上傳到所屬視頻工作站進行報警提示，從而節(jié)省巡警所占用的大量時間，方便了操作人員對井場情況的掌握，降低了勞動強度。

    4 成效

    系統(tǒng)運行期間，王二計量轉(zhuǎn)接站所屬的58個井場、69口油井和5口注水井的原巡檢工作需要十幾個人花費半天的時間才能完成，如今只需一人在電腦前幾分鐘的時間。節(jié)省了大量的時間和精力，真正實現(xiàn)了“同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，達到了強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標。