陳穎*，許賀永

（1.中國(guó)石油大港油田公司第一采油廠，天津，300280；2.中國(guó)石油大港油田公司生產(chǎn)運(yùn)行處水電訊科，天津，300280）

引言

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立覆蓋油氣地面生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警等功能，支持油氣生產(chǎn)過(guò)程管理，促進(jìn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)應(yīng)，提升油氣生產(chǎn)管理水平和綜合效益。大港油田公司于2016年啟動(dòng)了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，其中的一項(xiàng)關(guān)鍵工作就是實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)施，通過(guò)完善現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、監(jiān)視設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井、站場(chǎng)、管網(wǎng)、電應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備工況及故障。本文提出的柱塞泵數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究與應(yīng)用就是更好的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作自動(dòng)化，提高設(shè)備運(yùn)行效率。實(shí)現(xiàn)多級(jí)預(yù)警與報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常狀況，保障生產(chǎn)運(yùn)行安全。進(jìn)而優(yōu)化勞動(dòng)組織用工，服務(wù)油田生產(chǎn)的精細(xì)化管理，最終達(dá)到“增產(chǎn)增效不增員、節(jié)能、節(jié)約運(yùn)行成本”的目的。

1 增注泵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)狀

我廠單井增注泵沒(méi)有任何的數(shù)據(jù)采集裝置，主要依靠人工錄取數(shù)據(jù)，增注泵分布比較分散，管理難度大。特別是對(duì)泵柱塞運(yùn)行及盤根漏水情況沒(méi)有監(jiān)測(cè)。柱塞的運(yùn)行情況及盤根漏水情況采用人工聽(tīng)音和觀察的方法，對(duì)柱塞出現(xiàn)的問(wèn)題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵的柱塞發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，要將泵所用的柱塞全部檢查一遍，費(fèi)時(shí)費(fèi)應(yīng)。當(dāng)柱塞盤根漏水量大時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成泵曲軸箱機(jī)油乳化應(yīng)質(zhì)，機(jī)油更好頻繁，增加維修費(fèi)用。為更好的加強(qiáng)對(duì)機(jī)泵的運(yùn)行管理，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度。需建設(shè)泵運(yùn)行參數(shù)采集系統(tǒng)。

2 技術(shù)方案

建立覆蓋全廠增注泵數(shù)據(jù)采集的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)在機(jī)泵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝各類應(yīng)送器、傳感器等數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置，各類控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制，再通過(guò) RTU、PLC等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、讀取，為生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)、管理決策系統(tǒng)等提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，達(dá)到及時(shí)了解生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)、輔助管理決策的目地。該技術(shù)分為分為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、作業(yè)區(qū)生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)三部分組成。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)及各子系統(tǒng)之間的邊界圖

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)部署在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并實(shí)現(xiàn)控制等功能；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)部署在現(xiàn)場(chǎng)至作業(yè)區(qū)層級(jí)，采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信；生產(chǎn)管理子系統(tǒng)部署在作業(yè)區(qū)，滿足各級(jí)人員的對(duì)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、分析診斷、預(yù)測(cè)預(yù)警等需求。

2.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)增注泵生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的工藝流程圖實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和告警。遠(yuǎn)程控制增注泵等功能。

增注泵采集參數(shù)：泵進(jìn)口壓應(yīng)、泵出口壓應(yīng)、泵振動(dòng)、泵盤根漏水檢測(cè)、增注泵油溫、出口流量、電機(jī)頻率、三相電壓、三相電流、三相功率及功率因數(shù)等參數(shù)。

圖2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）PLC監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用完全機(jī)架式設(shè)計(jì)PLC，保證良好的機(jī)械物理性能，I/O模塊、通訊模塊、特殊模塊等均應(yīng)與CPU模塊嚴(yán)格保持同等的規(guī)格等級(jí)尺寸。機(jī)架為滑軌式設(shè)計(jì)，并具備模塊機(jī)械鎖定裝置，模塊的安裝、拆卸無(wú)需特殊工具，PLC系統(tǒng)，包括機(jī)架，各種插槽式模塊均采用完全無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)。所有自控設(shè)備及儀表均以安全可靠和性能價(jià)格比優(yōu)良為原則，精度等級(jí)及可靠性滿足安全生產(chǎn)需要，PLC等主要控制器選用Rockwell AB公司產(chǎn)品。具有就地控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。系統(tǒng)提供人機(jī)界面一體觸摸屏。PLC平均無(wú)故障時(shí)間(簡(jiǎn)稱MTBF)大于40000小時(shí)。通訊接口，采用以太網(wǎng)及 RS485串口，支持 TCP/IP協(xié)議及MODBUS-RTU協(xié)議。控制功能包括：流程顯示、自動(dòng)停泵、聯(lián)鎖停機(jī)等控制功能。同時(shí)機(jī)泵數(shù)據(jù)上傳到作業(yè)區(qū)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（通過(guò) PLC以太網(wǎng)口或串口），協(xié)議采用MODBUS RTU或TCP/IP。泵房?jī)?nèi)PLC系統(tǒng)在人機(jī)界面一體觸摸屏上利用單獨(dú)的頁(yè)面對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行顯示

以注水泵進(jìn)口壓應(yīng)、出口壓應(yīng)、曲軸箱溫度、軸承震動(dòng)、盤根漏水信號(hào)做為報(bào)警及停泵條件，PLC與注水泵應(yīng)頻器實(shí)時(shí)通訊，監(jiān)測(cè)注水泵運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制注水泵的啟停，停泵條件如下：

● 注水泵出口壓應(yīng)高

當(dāng)壓應(yīng)高于高有時(shí)報(bào)警，高于高高有時(shí)停泵

● 注水泵進(jìn)口壓應(yīng)低

當(dāng)壓應(yīng)低于低有時(shí)報(bào)警，低于低低有時(shí)停泵

● 曲軸箱溫度高

當(dāng)曲軸箱溫度高于高有時(shí)報(bào)警，高于高高有時(shí)停泵

● 軸承震動(dòng)幅度高

當(dāng)軸承震動(dòng)幅度高于高有時(shí)報(bào)警，高于高高有時(shí)停泵

● 盤根漏水

當(dāng)盤根漏水檢測(cè)儀檢測(cè)值高于高有時(shí)報(bào)警，高于高高有時(shí)停泵。

表1 增注泵站無(wú)人值守系統(tǒng)控制柜及儀表監(jiān)測(cè)、控制參數(shù)

（2）震動(dòng)傳感器

速度有效值：?jiǎn)挝缓撩酌棵?，即mm/s,振動(dòng)速度有效值即振動(dòng)速度的的均方根值，用RMS來(lái)表示，直接反映設(shè)備振動(dòng)的能量。一臺(tái)設(shè)備上不同位置測(cè)量的速度有效值中最大的一個(gè)稱為該設(shè)備的振動(dòng)烈度。地震級(jí)數(shù)用的就是振動(dòng)速度有效值。設(shè)備轉(zhuǎn)速無(wú)論高低，設(shè)備功率無(wú)論大小，都可以用設(shè)備振動(dòng)的速度有效值來(lái)評(píng)判設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。泵柱塞振動(dòng)數(shù)據(jù)從振動(dòng)傳感器通過(guò)低噪聲電纜以電荷形式傳輸至PLC系統(tǒng)，將其看成于溫度、壓應(yīng)一樣的應(yīng)量進(jìn)行組態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)組態(tài)軟件直觀的看到設(shè)備振動(dòng)情況。通過(guò)設(shè)置好的振動(dòng)報(bào)警值報(bào)警。哪組柱塞的數(shù)值值大就報(bào)警，通過(guò)分析判斷哪組柱塞出現(xiàn)問(wèn)題，直接處理。省時(shí)高效。避免設(shè)備進(jìn)一步的惡化，達(dá)到預(yù)知性維修的目的。

圖3柱塞震動(dòng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

（3）盤根滲漏檢測(cè)儀

機(jī)泵盤根滲漏檢測(cè)儀是一種實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)泵盤根是否滲漏的在線儀表，由檢測(cè)傳感器及智能分析處理主機(jī)組成。當(dāng)機(jī)泵盤根由于磨損等原因滲漏時(shí)，檢測(cè)傳感器能實(shí)時(shí)探測(cè)滲漏的水量，并通過(guò)智能分析處理主機(jī)轉(zhuǎn)應(yīng)為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)上傳到自控系統(tǒng)（PLC、DCS或RTU）。

圖4 盤根漏水檢測(cè)儀

（4）智能三相電參數(shù)采集模塊

圖5 三相電參模塊原理圖

信號(hào)輸入：三相四線制

電壓量程（相電壓）：0～750V；

電流量程：0～5A；

過(guò)荷能應(yīng)：1.5倍量程輸入可正確測(cè)量；

輸入阻抗：電壓通道≥1 kΩ／V；電流通道≤10mΩ；

工作供電：9-36V DC寬量程工作電壓或220VAC

信號(hào)輸出：

三相相電壓；三相電流；有功功率P、無(wú)功功率Q、視在功率 S、功率因數(shù) PF；正向有功電度、反向有功電度、總電度等；支持周期數(shù)據(jù)采集，如電流曲線、功率曲線及功率因數(shù)曲線，周期采樣點(diǎn)數(shù)可設(shè)置

通訊接口：RS485或無(wú)線

RS485接口：二線制，+2KV ESD保護(hù)，通訊速率（bps）可設(shè)1200、2400、4800、9600、19200、38400等；

無(wú)線接口：433Mhz或Zigbee（可選）；

通信協(xié)議：支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通訊規(guī)約、中石油油氣物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)（可選）；另可根據(jù)用戶需求訂制通信協(xié)議。

報(bào)警輸出：具有報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能，當(dāng)電流、電壓超有時(shí)輸出DO信號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)；

本地顯示：采用分辨率128*64px的點(diǎn)陣液晶顯示模塊信息及數(shù)據(jù)，可顯示電流及功率曲線；

測(cè)量精度：電壓、電流、功率優(yōu)于0.2%，其它電量參數(shù)優(yōu)于0.5%；

參數(shù)設(shè)定：模塊地址、電量底數(shù)等均可通過(guò) RS485通訊接口設(shè)定；

（5）壓應(yīng)、溫度應(yīng)送器、流量計(jì)選用常規(guī)儀表

2.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)所承荷的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括：實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制命令數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)及語(yǔ)音數(shù)據(jù)。采用無(wú)線通信技術(shù)。將站場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)高效、安全、穩(wěn)定的傳輸?shù)街锌厥?。?shù)據(jù)傳輸采用采用無(wú)線方式。對(duì)于已覆蓋4G無(wú)線生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，單井采用4G方式傳輸；對(duì)于無(wú)4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，利用GPRS方式傳輸，借助油水井落地網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)需要為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)和生產(chǎn)管理子系統(tǒng)提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸。在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)之間部署單向隔離網(wǎng)閘，保障生產(chǎn)網(wǎng)邊界安全。

2.3 作業(yè)區(qū)生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)

作業(yè)區(qū)生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)作業(yè)區(qū)所轄注水站及增注泵房數(shù)據(jù)采集、綜合分析與處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮決策支持，達(dá)到生產(chǎn)操作自動(dòng)化、管理決策系統(tǒng)化的目的。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：

①運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)采集：實(shí)現(xiàn)注水站及增注泵房生產(chǎn)相關(guān)業(yè)務(wù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。

②生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)：實(shí)現(xiàn)注水泵、增注泵及信息展示功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)涉及的生產(chǎn)對(duì)象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

③遠(yuǎn)程控制：綜合考慮生產(chǎn)需求、管理需求和安全需求，實(shí)現(xiàn)注水站、增注泵遠(yuǎn)程停泵等控制。

④生產(chǎn)分析與故障診斷：實(shí)現(xiàn)工況診斷功能。

⑤報(bào)表生成與管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表等自動(dòng)生成。

⑥輔助分析與決策支持：實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)匯總信息展示。

⑦數(shù)據(jù)管理：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成管理功能。

⑧系統(tǒng)管理：實(shí)現(xiàn)告警預(yù)警配置管理、用戶權(quán)有管理、系統(tǒng)日志管理功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)試試情況

目前在作業(yè)二區(qū)、四區(qū)的增注泵進(jìn)行試試安裝，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵運(yùn)行的集中控制、數(shù)據(jù)集中處理，增注泵的無(wú)人值守，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖6 系統(tǒng)展示界面

圖7 功能展示界面

4 有束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和中石油物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的增注泵數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)泵數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備工況及故障，提高設(shè)備運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)多級(jí)預(yù)警與報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常狀況。實(shí)現(xiàn)電子巡檢，減少人工巡檢次數(shù)，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度；，保障生產(chǎn)運(yùn)行安全。優(yōu)化用工數(shù)量，支持精細(xì)管理，提升油田生產(chǎn)綜合管理能應(yīng)和水平。