北京安控科技股份有限公司 劉曉良，胡占源

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)

北京安控科技股份有限公司 劉曉良，胡占源

Applications of Digital System in Changqing Oilfield——Digital Construction of Wang NO.2 Station

本文以王二計(jì)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(xiàng)目使用了北京安控公司生產(chǎn)的RTU和PLC，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、zigbee無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)橋產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了對油井的示功圖采集、抽油機(jī)啟?？刂啤㈦妳?shù)采集和視頻監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)了對注水井的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了對計(jì)量接轉(zhuǎn)站的數(shù)據(jù)采集、控制和視頻監(jiān)控功能，達(dá)到了實(shí)時監(jiān)控、強(qiáng)化安全、減員增效的目標(biāo)。

數(shù)字化系統(tǒng)；長慶；RTU；PLC

Abstract: Taking the Wang NO.2 Station as an example, this article describes the applications of digital system in Changqing Oilfield. The project uses the RTU and PLC of Beijing Echo Technologies., Ltd. Combining with the computer technology, the zigbee wireless communication technology and the products of wireless bridge, it realizes the functions of diagram collection,the controlling of the rodpumps, the electric parameter acquisition, the video monitoring, and so on. Moreover, it implements data collection of injection wells,and data acquisition and control and video surveillance of the metering station. The applications of digital system achieves the goals of realtime monitoring, safety strengthening, staff reducing and efficiency increasing.

Key words: Digital System; Changqing; 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(jì)量轉(zhuǎn)接站的數(shù)字化建設(shè)更具有代表性。

1 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?。▍^(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(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個接轉(zhuǎn)站、2個計(jì)量站及所轄58個井場、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)三個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

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(fù)荷和角位移進(jìn)行示功圖數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程手動控制油井電機(jī)啟停，并采集油井運(yùn)行狀態(tài)；啟動現(xiàn)場報警提示；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(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(shí)現(xiàn)產(chǎn)量計(jì)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(shí)現(xiàn)增壓站和井場之間的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸、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、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

3.1.1 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。

3.1.2 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)自動報警，并能根據(jù)控制中心命令實(shí)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。

3.1.3 注水閥組

井場主RTU通過RS485(Modbus RTU)與注水閥組通訊，實(shí)時采集注水井口壓力、瞬時流量、累計(jì)流量、匯管壓力等實(shí)時參數(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(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議或者自定義協(xié)議。可兼容各個廠家的儀表設(shè)備，給設(shè)備的維護(hù)和后期改造帶來很多便利。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(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，必然會導(dǎo)致軟件在采集過程數(shù)據(jù)時需要對逐個儀表進(jìn)行輪詢采集，無法一次性采集上來；輪詢采集，通訊效率必然會低，周期加長，井口數(shù)據(jù)采集也會受到影響；現(xiàn)場實(shí)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(hù)都很困難。

3.1.4 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(shí)現(xiàn)對整個井場的實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對井場的周界報警、非法闖入等事件進(jìn)行報警并進(jìn)行廣播提示，同時在視頻操作站實(shí)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(jī)進(jìn)行近距離，高清晰取證錄像，同時也可以實(shí)現(xiàn)自動觸發(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/手動巡井功能，并實(shí)時記錄生產(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)可長距離高帶寬回傳，且性能穩(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，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(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)行報表和單元報警等功能。

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)更及時的觀察。

流程監(jiān)控是站內(nèi)主流程的體現(xiàn)，直觀地反映站內(nèi)工藝流程。主要實(shí)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(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)連續(xù)輸油；

（7）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報警控制器輸出的濃度超限報警信號，實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w泄露濃度超限報警。

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?？梢匀鐚?shí)的反映井場實(shí)際情況。

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(shí)現(xiàn)對壓力、溫度和液位實(shí)時和歷史數(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)行報表實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)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(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。

單元報警，在報警功能上做到了實(shí)時報警和歷史報警兩部分。實(shí)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(jìn)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，能同時存儲多個現(xiàn)場視頻錄像。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(jìn)入報警區(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(jìn)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(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(fèi)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(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)。

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。