羅輝

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采氣廠,新疆 庫車 842017)

大澇壩氣田油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

羅輝

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采氣廠,新疆 庫車 842017)

大澇壩氣田地處戈壁腹地,自然環(huán)境差、油氣井壓力高、安全風險大。通過自動化、信息化手段實現(xiàn)油氣井生產(chǎn)狀況的遠程監(jiān)控是油田發(fā)展的必然趨勢。依據(jù)油氣井生產(chǎn)實際情況,設計了一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以三維力控ForceControl監(jiān)控組態(tài)軟件和安控RTU為軟硬件核心,對油氣井生產(chǎn)過程實現(xiàn)全天候自動監(jiān)控。詳細闡述了油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計思路,包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、硬件和軟件設計。實踐表明該系統(tǒng)具有很好的推廣應用價值。

力控組態(tài)軟件 油氣井 遠程監(jiān)控 遠程終端(RTU) 數(shù)據(jù)庫

0 引言

雅克拉采氣廠大澇壩氣田地處大漠戈壁腹地,夏季酷熱,冬季嚴寒,春秋兩季風沙大,一線員工所處的自然環(huán)境差,勞動強度非常大;且處于新疆民族敏感地區(qū),反恐防暴形式嚴峻。管轄的油氣井多為高壓凝析氣井,氣井安全性要求高[1]。某采油氣分隊管理著大澇壩氣田的采氣井和集氣處理站。采氣井分散在集氣處理站周圍,距離較遠且相互分散,工人巡井存在著事故狀態(tài)無法及時報警和控制,突發(fā)事件不能及時處理、數(shù)據(jù)采集不及時等問題。油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)是集計算機、傳感器、自控控制、通信等技術(shù)于一體的智能化監(jiān)控體系[2],能夠?qū)崿F(xiàn)油氣井工況連續(xù)檢測、生產(chǎn)畫面實時監(jiān)控、異常工況及時報警、生產(chǎn)報表自動生成、參數(shù)管理數(shù)據(jù)庫化及網(wǎng)絡化。針對上述情況,在大澇壩氣田建立了一套油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了生產(chǎn)效益和管理水平的提升。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)功能

該油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)控制中心設在采油氣分隊站控室,負責監(jiān)控各單井信息,同時將各類信息傳送至采氣廠調(diào)度指揮中心。

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下。

①參數(shù)自動采集。實現(xiàn)油氣井油壓、套壓、油溫等壓力和溫度信息的自動采集、顯示和存儲。

②井口自動控制。在站控室發(fā)出關(guān)井指令后,能夠通過井口液壓控制柜快速實現(xiàn)遠程關(guān)井[3]。

③視頻監(jiān)控。采集井場視頻信號,實現(xiàn)現(xiàn)場畫面實時監(jiān)控。

④音頻預警。遠程喊話能夠?qū)崿F(xiàn)音頻預警,通過在站控室喊話,對井場實現(xiàn)聲音預警,防止閑雜人員進入井場。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)按照層次化結(jié)構(gòu)進行設計,分為井場應用層和站級應用層兩層結(jié)構(gòu)。其中井場應用層通過北京安控Super32系列遠程終端(remote terminal unit,RTU)實現(xiàn)井場信息自動采集。站級應用層以工控機和北京三維力控ForceControl軟件組成上位機系統(tǒng),接收RTU傳送的信息并實時處理、顯示和存儲,同時將信息傳送至采氣廠調(diào)度指揮中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

井場RTU通過光纜與站控室上位機進行通信,采氣廠調(diào)度指揮中心通過局域網(wǎng)訪問位于站控室的系統(tǒng)服務器,實現(xiàn)生產(chǎn)信息的查詢。

2 硬件設計

2.1 井場RTU設計

井場RTU是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制的核心,井場RTU采集現(xiàn)場信息上傳至站控室上位機,并且接收上位機發(fā)送的各類指令,控制現(xiàn)場設備實現(xiàn)相應功能。井場RTU結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 井場RTU結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of RTU at well site

井場RTU采用模塊化設計,將數(shù)據(jù)、視頻、音頻信息的數(shù)據(jù)采集與控制放在一起,結(jié)構(gòu)緊湊,功能強大。數(shù)字光端機是RTU的核心部件,它負責信號的采集、處理、轉(zhuǎn)換和傳輸,將采集到的各路信號轉(zhuǎn)換成光信號,然后利用傳輸光纜傳送至站控室。Super32控制器負責采集井口壓力、溫度等參數(shù),通過通信接口傳送至數(shù)字光端機,并且接收數(shù)字光端機發(fā)送的關(guān)井信號,控制液壓控制柜實現(xiàn)遠程關(guān)井。

數(shù)字光端機技術(shù)參數(shù)與性能如表1所示。

表1 數(shù)字光端機技術(shù)參數(shù)及性能Tab.1 Technical parameters and performance of digital optical transceiver

一根光纖可以完成視頻、音頻、控制數(shù)據(jù)的綜合傳輸。采用全數(shù)字視頻無壓縮傳輸技術(shù),支持高分辨率的靜態(tài)和動態(tài)圖像的高質(zhì)量傳輸。采用先進的自動增益控制功能,所有數(shù)據(jù)端口均有防雷設計,具有先進的自適應技術(shù),使用時無需進行電氣光學調(diào)節(jié)。使用兩路RS-485通信接口,一路與Super32控制器通信,實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和遠程關(guān)井,另一路實現(xiàn)視頻攝像頭云臺控制。

2.2 站控系統(tǒng)設計

在站控室安裝與井場RTU同類型數(shù)字光端機組,接收各井場RTU傳送來的信號,并將各路信號解析出來。視頻信號進入硬盤錄像機,直接與工業(yè)電視相連,實現(xiàn)視頻畫面監(jiān)控。生產(chǎn)數(shù)據(jù)信號進入串口服務器,經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后存入數(shù)據(jù)服務器,數(shù)據(jù)監(jiān)控計算機采用C/S架構(gòu),在操作站上通過組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻信息通過網(wǎng)絡交換機可以上傳至廠級調(diào)度指揮中心,實現(xiàn)廠級監(jiān)控。在網(wǎng)絡交換機與數(shù)據(jù)服務器之間設置安全網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)了站控系統(tǒng)與外界之間的物理隔離,保障了信息安全。

各單井RTU數(shù)據(jù)通信方式采用RS-485串口通信,通過串口服務器實現(xiàn)通信接口擴展,與數(shù)據(jù)服務器進行通信。串口服務器提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡功能,將RS-232/485/422串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡接口,實現(xiàn)串口與TCP/IP網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡接口功能。通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信,極大地擴展了串口設備的通信距離,實現(xiàn)了一臺上位機與多臺下位機之間的網(wǎng)絡通信。站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器與外網(wǎng)之間需進行物理隔離,保證控制系統(tǒng)不會受外部攻擊,通過設置安全網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)數(shù)據(jù)單向訪問(只讀),從而保障了系統(tǒng)信息安全。

站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the station control system

3 軟件設計

3.1 軟件架構(gòu)

油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)層、控制層和應用層。

①數(shù)據(jù)層軟件實現(xiàn)系統(tǒng)所需的視頻數(shù)據(jù)、自動化數(shù)據(jù)的采集及存儲。

②控制層軟件通過組態(tài)軟件進行開發(fā),實現(xiàn)對油氣井控制、故障診斷服務、異常分析服務、報警服務等[4]。

③應用層軟件負責業(yè)務數(shù)據(jù)的展示,其根據(jù)不同的用戶群采取不同的可視化展示。應用層軟件主要采用關(guān)鍵預警、表格、統(tǒng)計圖、圖像、曲線等多種形式來滿足用戶應用需要。

油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)軟件包含視頻監(jiān)控、生產(chǎn)過程監(jiān)測、現(xiàn)場故障診斷、設備設施檢測維護功能。

圖4 油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software structure of remote monitoring system for oil-gas well

3.2 生產(chǎn)過程監(jiān)控軟件開發(fā)

生產(chǎn)過程監(jiān)控采用北京三維力控ForceControl監(jiān)控組態(tài)軟件實現(xiàn)。ForceControl監(jiān)控組態(tài)軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用軟件,其最大的特點是能以靈活多樣的組態(tài)方式而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成。它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法,只要將其預設的各種軟件模塊進行簡單的組態(tài),便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能[5]。

力控監(jiān)控組態(tài)軟件能同時和國內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設備進行網(wǎng)絡通信,它可以與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)合,達到集中管理和監(jiān)控的目的;同時還可以方便地向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口,實現(xiàn)與“第三方”軟、硬件系統(tǒng)的集成。

3.2.1 I/O設備組態(tài)

井場RTU為下位機設備,采集到油壓、套壓、油溫等生產(chǎn)參數(shù)后,經(jīng)過串口服務器轉(zhuǎn)換,再上傳至站控系統(tǒng)上位機,在上位機進行數(shù)據(jù)處理。RTU與串口服務器之間采用Modbus RTU通信協(xié)議,串口服務器與數(shù)據(jù)服務器之間采用TCP/IP通信協(xié)議。ForceControl軟件根據(jù)通信協(xié)議定制出相應的I/O驅(qū)動程序,與RTU進行數(shù)據(jù)交換。

串口服務器上配置有1個網(wǎng)口和多個串口,每個串口對應一個單井RTU。設置好相應的站地址、波特率、奇偶校驗等參數(shù)后,即可進行一對一通信。串口服務器的網(wǎng)口與數(shù)據(jù)服務器相連,在ForceControl軟件中進行I/O組態(tài),為每一口單井分配IP地址和端口,即可將單井數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)服務器中。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

單井數(shù)據(jù)采集上來,進入到數(shù)據(jù)服務器的數(shù)據(jù)庫進行存儲之后,需要進行數(shù)據(jù)庫點組態(tài)。點是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存和處理信息的基本單位。點存放在實時數(shù)據(jù)庫的點名字典中。實時數(shù)據(jù)庫根據(jù)點名字典決定數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu),分配數(shù)據(jù)庫的存儲空間[6-7]。

數(shù)據(jù)點分為模擬量、數(shù)字量等類型,每個點組態(tài)分為基本參數(shù)、報警參數(shù)、數(shù)據(jù)連接和歷史數(shù)據(jù)4個畫面。其中數(shù)據(jù)連接選項選擇測量值與某一種I/O設備建立數(shù)據(jù)連接過程,將單井RTU傳送過來的參數(shù)存入其對應的點存儲空間。報警參數(shù)選項用來設置參數(shù)的高、低限報警值。歷史數(shù)據(jù)選項用來設置I/O點的歷史數(shù)據(jù)保存及保存方式。

3.2.3 OPC組態(tài)

OPC是OLE for Process Control的縮寫,即把OLE應用于工業(yè)控制領域。不同的廠家提供的協(xié)議不同,應用軟件需要為不同的設備編寫大量的驅(qū)動程序。這種程序可復用程度低,不符合軟件工程的發(fā)展趨勢。在這種背景下,產(chǎn)生了OPC技術(shù)[8-9]。

在油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)中,生產(chǎn)數(shù)據(jù)還需要從站控室傳送至采氣廠調(diào)度指揮中心。為了保障站控系統(tǒng)信息安全,站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器利用ForceControl其自帶的OPC Server作為OPC服務器,采氣廠調(diào)度指揮中心通過pSafetyLink安全網(wǎng)關(guān)采集OPC服務器上的數(shù)據(jù)。將OPC Server按照步驟配置好后,在ForceControl軟件中設立網(wǎng)絡節(jié)點,該節(jié)點IP地址與數(shù)據(jù)服務器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)卡地址一致,本機網(wǎng)卡與pSafetyLink安全網(wǎng)關(guān)通信端口設置在同一網(wǎng)段,即可實現(xiàn)OPC通信。

4 實施效果

通過油氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設,實現(xiàn)了以中控室為核心的生產(chǎn)模式變革,有效提升了生產(chǎn)運行組織效率,大幅提升了安全管理水平。

①實現(xiàn)了參數(shù)自動采集、監(jiān)測、報警。RTU遠程監(jiān)測各井口參數(shù),中控室上位機自動生成歷史曲線,參數(shù)異常波動時實時報警。

②實現(xiàn)了重要場所視頻、音頻全覆蓋。通過視頻監(jiān)控及語音喊話警示,能夠及時發(fā)現(xiàn)異常,出現(xiàn)異常情況之后能夠迅速處理。

③實現(xiàn)了井口自動關(guān)斷。中控室可以遠程關(guān)井。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場實踐表明,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)科學,性能穩(wěn)定,自動化程度高,在油氣田生產(chǎn)過程中為油氣田高效開發(fā)、降低消耗、安全生產(chǎn)、減輕員工勞動強度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障,在油田企業(yè)具有很好的推廣應用價值。

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Design and Realization of the Remote Monitoring System for Oil-gas Wells in DaLaoBa Gas Field

DalaoBa gas field locates in the hinterland of Gobi where the natural environment is very poor,the pressure of the oil-gas wellhead is high,and the security risk is significant.Thus,implementing remote monitoring of the production status through automation and information technologies is an inevitable trend for developing oil-gas field.In accordance with the practical production conditions of the oil-gas well,the remote monitoring system is designed.With the 3D forcecontrol monitoring configuration software and ECHO RTU as the core of the software and hardware,the system realizes weather-proof automatic monitoring for the production process of the oil-gas well.The design concept of this system is described in detail,including principle of system structure,design of hardware and software.The practice shows that the system possesses good popularization and application value.

Force control configuration software Oil-gas well Remote monitoring Remote terminal unit(RTU) Database

TP29

A

修改稿收到日期:2014-02-13。

作者羅輝(1983-),男,2008年畢業(yè)于西南石油大學測試計量技術(shù)及儀器專業(yè),獲碩士學位,工程師;主要從事油氣田自動化技術(shù)工作。