數(shù)字化系統(tǒng)在長慶油田的應(yīng)用
— 王二計(jì)量轉(zhuǎn)接站數(shù)字化建設(shè)
前言：
由于地勢環(huán)境的因素，導(dǎo)致了長慶油田“數(shù)字化”系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、多層結(jié)構(gòu)的信息化系統(tǒng)。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(jì)量轉(zhuǎn)接站的數(shù)字化建設(shè)更具有代表性。
1 、項(xiàng)目背景介紹
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省（區(qū)）、數(shù)十個(gè)市縣，各采油、采氣廠比較分散獨(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(shí)現(xiàn)“同一平臺、信息共享、多級監(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，69口油井和5口注水井進(jìn)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(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RTU/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)如下圖所示：包括井場和站內(nèi)兩大部分。
井場系統(tǒng)分為井口部分、井場配水間部分、井場視頻監(jiān)控部分和井場主控部分；站內(nèi)系統(tǒng)分為站內(nèi)視頻監(jiān)控部分、增壓站RTU/PLC控制部分、中控室監(jiān)控系統(tǒng)部分；這兩大部分之間是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。
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(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)場報(bào)警提示；對電機(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)議與井場主RTU進(jìn)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(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)議與井場主RTU進(jìn)行通訊。
2.2井場視頻監(jiān)控
選用室外云臺和攝像機(jī)，通過井場攝像機(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(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(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)和井場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)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(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)傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)后臺信息共享，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)可分為井場數(shù)據(jù)采集部分；數(shù)據(jù)通訊部分；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(diǎn)建立數(shù)據(jù)監(jiān)控處理平臺及功圖遙測平臺，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,可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個(gè)頻段上,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(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)備起到的了一個(gè)通用的協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用，從硬件方面上可接入4～20mA、RS485等多種類型的信號,軟件方面上支持各種標(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)對閥組間儀表逐個(gè)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(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)需要一個(gè)一個(gè)儀表的進(jìn)行輪詢采集，無法一次性采集上來；輪詢采集，通訊效率必然低下，周期加長，井口數(shù)據(jù)采集也會(huì)受到影響；現(xiàn)場實(shí)際情況的不同，采用的儀表的型號也不完全統(tǒng)一，需要分別處理，代碼雜亂不統(tǒng)一，開發(fā)和維護(hù)都很困難。
4） 井場視頻監(jiān)控
根據(jù)每個(gè)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(shí)現(xiàn)對整個(gè)井場的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對多個(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，實(shí)現(xiàn)對井場的周界報(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
對現(xiàn)有場站和采油井?dāng)?shù)字化進(jìn)行升級，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)傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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)能長距離高帶寬回傳，并且要性能穩(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，項(xiàng)目安控科技的數(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(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(shí)現(xiàn)站內(nèi)和井場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)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(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)了對各井場及增壓點(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)：
a、對收球筒原油出口壓力檢測，超限報(bào)警，收球筒溫度控制；
b、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(bào)警；
c、對事故罐連續(xù)液位監(jiān)控，超高、低限液位報(bào)警；
d、預(yù)留外輸原油裝置（瞬時(shí)流量）監(jiān)測和累積計(jì)算功能，外輸原油溫度檢測；
e、連續(xù)監(jiān)測每臺泵入口、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；
f、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；
g、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。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，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)的反映井場實(shí)際情況；
功圖分析能定時(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)行情況和對事件的分析；
運(yùn)行報(bào)表實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測點(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)對場站監(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)警錄像功能。同時(shí)將報(bào)警信號通過光纜上傳到所屬視頻工作站進(jìn)行報(bào)警提示。同時(shí)還節(jié)省了巡警所占用的大量時(shí)間。方便了操作人員對井場情況的掌握，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、69口油井和5口注水井的原巡檢工作要花費(fèi)十幾個(gè)人半天的時(shí)間，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、信息共享、多級監(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)。