數(shù)字化系統(tǒng)在長慶油田的應用
— 王二計量轉接站數(shù)字化建設

前言：
由于地勢環(huán)境的因素，導致了長慶油田“數(shù)字化”系統(tǒng)是一個復雜的、多層結構的信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及到了多種硬件設備、軟件平臺以及復雜的網(wǎng)絡通訊結構，其中以王二計量轉接站的數(shù)字化建設更具有代表性。
1 、項目背景介紹
長慶油田為國內第二大油田，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)十個市縣，各采油、采氣廠比較分散獨立，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、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。
王二轉位于采油一廠王三計區(qū)域安塞縣王窯鄉(xiāng)白莊村內，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。通過井場上的無線網(wǎng)絡，將視頻、井場功圖數(shù)據(jù)傳到王二計量轉接站，實現(xiàn)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(tǒng)，實現(xiàn)關鍵生產(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、整體結構
在油田公司數(shù)字化管理項目的建設要求和技術標準指導下,結合實際情況進行整體規(guī)劃，從系統(tǒng)結構、設備選型和功能實現(xiàn)三個方面進行設計。
系統(tǒng)結構如下圖所示：包括井場和站內兩大部分。
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；站內系統(tǒng)分為站內視頻監(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)絡進行數(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器，通過交換機上傳至無線網(wǎng)橋，后經(jīng)無線網(wǎng)絡最終實現(xiàn)現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)傳送到站內視頻監(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站內視頻監(jiān)控部分
選用室外云臺和攝像機，通過站內攝像機傳送視頻信息到視頻服務器，后經(jīng)交換機實現(xiàn)現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)傳送到站內視頻監(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)站內和井場的實時數(shù)據(jù)采集，同時結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，并將相應數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應用。

3、項目實施方案
根據(jù)現(xiàn)場狀況和指導意見，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)橋設備等硬件設施，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)絡與主RTU進行通訊，無線網(wǎng)絡采用的是ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。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)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩igBee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(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?。
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。設備起到的了一個通用的協(xié)議轉換器的作用，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準通信協(xié)議或者自定義協(xié)議。可兼容各個廠家的儀表設備，給設備的維護和后期改造帶來很多便利條件。在通訊數(shù)據(jù)結構方面，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)調試和維護。
此處設計閥組間協(xié)議轉換箱是一個技術應用的更新。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作Modbus設備站在軟件上進行數(shù)據(jù)采集，必然會導致軟件在采集過程數(shù)據(jù)時需要一個一個儀表的進行輪詢采集，無法一次性采集上來；輪詢采集，通訊效率必然低下，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，設置1至2套視頻監(jiān)控設備（8口井以內含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)控設備支持云臺、鏡頭預置位功能，可以實現(xiàn)對多個固定位置的預置拍攝或取證拍攝。每套視頻監(jiān)控設備設具備智能物體行為分析功能的網(wǎng)絡視頻服務器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)有場站和采油井數(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，并將相應數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應用。解決方案首先要保證網(wǎng)絡能長距離高帶寬回傳，并且要性能穩(wěn)定。另外實現(xiàn)了設備集中管理，便于維護。根據(jù)現(xiàn)場情況和設計最低成本理念的指導下，以無線網(wǎng)橋為傳輸設備，組建無線網(wǎng)絡傳輸結構。

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)絡等構成，并配套操作系統(tǒng)、工控組態(tài)及數(shù)據(jù)庫等相關軟件，項目安控科技的數(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)站內和井場的實時數(shù)據(jù)采集，同時結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。
井組導航實現(xiàn)了對各井場及增壓點外輸出口壓力的采集，能夠對主要數(shù)據(jù)更及時的觀察；
流程監(jiān)控是站內主流程的體現(xiàn)，直觀的反映站內工藝流程。主要實現(xiàn)：
a、對收球筒原油出口壓力檢測，超限報警，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、低限液位報警；
c、對事故罐連續(xù)液位監(jiān)控，超高、低限液位報警；
d、預留外輸原油裝置（瞬時流量）監(jiān)測和累積計算功能，外輸原油溫度檢測；
e、連續(xù)監(jiān)測每臺泵入口、出口壓力，當進口壓力超下限時或出口壓力超上限時報警；
f、根據(jù)分離裝置的液位，通過變頻調節(jié)分輸泵的排量，使分離裝置內液位基本保持在中線附近，實現(xiàn)連續(xù)輸油；
g、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；
功圖分析能定時生成功圖數(shù)據(jù)，并做出相關智能判斷。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)了對監(jiān)測點的定時記錄、歷史查詢、數(shù)據(jù)刷新、報表導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，也杜絕了人為原因導致的誤差；
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。同時還節(jié)省了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要花費十幾個人半天的時間，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。