張煒 粟鵬 劉啟聰 李蔚熹 伍坤一

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦

國際電信聯(lián)盟定義的“物聯(lián)網(wǎng)”是指通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田的應(yīng)用主要是利用各種傳感器對油田生產(chǎn)過程與環(huán)節(jié)對象進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳到控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用，通過分析結(jié)果再對檢測對象進(jìn)行實(shí)時反饋、控制[2-5]。

“十二五”期間，中國石油啟動建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(A11)項目，通過傳感、射頻、通信等技術(shù)，對油氣水井、計量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等生產(chǎn)對象進(jìn)行全面感知，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息集中管理和控制[3-6]?！笆濉逼陂g，隨著我國油氣勘探開發(fā)力度的加大、信息采集與智能計算技術(shù)的迅速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的廣泛應(yīng)用以及與傳感網(wǎng)結(jié)合的不斷深入，油氣田大規(guī)模運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的時機(jī)日趨成熟。

1 天然氣分離計量集成裝置

油氣田地面系統(tǒng)的一體化集成裝置是在工藝流程優(yōu)化簡化的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合地面建設(shè)特點(diǎn)和規(guī)模，將設(shè)備制造、自動控制等技術(shù)有機(jī)融合，多功能高度集成，形成滿足生產(chǎn)流程和過程控制要求的定型產(chǎn)品，可替代部分常規(guī)中小型站場和常規(guī)站場生產(chǎn)單元，其主要優(yōu)勢在于可工廠預(yù)制、節(jié)約用地、可拆遷利舊，在節(jié)省投資、縮短建設(shè)周期、減少勞動定員等方面效果顯著。本文以立式分離計量集成裝置為例介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)基本概念的改進(jìn)方案[7-10]。

1.1 裝置簡介

該裝置為適應(yīng)中國石油西南油氣田某區(qū)塊現(xiàn)場工況研制，除分離計量之外還具備除砂功能，適用于含砂的天然氣分離計量單井站。

裝置由橇座、除砂器、立式重力分離器、流量計、安全閥、液位計、壓力表、電動(或氣動)控制閥以及相應(yīng)的管路、管件、閥門組成，并配備有RTU控制系統(tǒng)。該裝置流程如圖1所示。

1.2 裝置自控系統(tǒng)

本方案自控系統(tǒng)集成于橇塊之上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、監(jiān)視、報警、控制等功能，無需依托站場建設(shè)控制室。

1.2.1檢測與控制功能

裝置采用氣液混輸工藝，主要檢測和控制方案如下。

(1)分離器配置毛細(xì)管雙法蘭差壓液位變送器及高壓玻璃板液位計、氣動排液球閥，實(shí)現(xiàn)對液位就地顯示、遠(yuǎn)傳；由控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置高、低液位報警，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對氣動排液球閥的閉環(huán)控制，即高液位自動打開氣動排液閥，低液位自動關(guān)閉氣動排液閥，實(shí)現(xiàn)分離器液位自動排液控制。氣動排液控制閥具備閥位信號反饋功能。

(2)分離器出口天然氣管線設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板閥和智能差壓流量變送器對天然氣計量，系統(tǒng)組態(tài)顯示天然氣瞬時流量和累計流量。

(3)分離器排液量計量采用容積法，即排液量由控制系統(tǒng)按分離器有效容積和排液次數(shù)進(jìn)行計算，實(shí)現(xiàn)排液量的累計計量。

1.2.2主要設(shè)備選擇

(1)選用一套RTU系統(tǒng)控制柜(箱)實(shí)現(xiàn)裝置數(shù)據(jù)采集及與上位機(jī)通訊?？刂乒?箱)選用防爆產(chǎn)品。

(2)天然氣流量計量采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板閥配套智能差壓流量變送器，對裝置出口天然氣進(jìn)行計量。

(3)液位檢測選用雙法蘭差壓液位計及高壓玻璃板液位計對液位進(jìn)行檢測。

(4)分離器液位排液控制閥采用氣動高壓V型球閥。

(5)選用1套氣源處理裝置，對分離器出口天然氣進(jìn)行過濾、減壓等處理，達(dá)到氣動球閥的氣源要求。

(6)儀表的保護(hù)等級不低于IP65,儀表及電氣附件防爆等級不低于Ex dⅡBT4。

1.2.3采集的主要數(shù)據(jù)

本裝置的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)如表1所列。

1.2.4主要設(shè)備配置

裝置選用主要設(shè)備及規(guī)格如表2所列。

表2 主要設(shè)備一覽表名稱規(guī)格數(shù)量備注RTU不少于1路RS232、2路RS485、1路RJ45?？A(yù)留20%備用1AI:2DI:2DO:1RS485:1防爆控制柜(長×寬×高)600mm×250mm×800mm1觸摸屏7inch(1inch=25.4mm)1含組態(tài)軟件壓力表10MPa1標(biāo)準(zhǔn)孔板閥10MPa,DN50mm1智能差壓流量變送器10MPa1差壓液位變送器800mm,10MPa1高壓玻板液位計800mm,10MPa1兩位式氣動排液閥10MPa,DN25mm1

1.3 存在問題

上述方案技術(shù)成熟可行，但在現(xiàn)場應(yīng)用中存在以下3個問題。

(1)因裝置處于防爆區(qū)域內(nèi)，只有在停產(chǎn)檢修時才能對非防爆的觸摸屏進(jìn)行操作，而在生產(chǎn)過程中不能對非防爆的觸摸屏進(jìn)行觸控操作。若更換成防爆型的觸摸屏，則會因其購置費(fèi)昂貴且可選擇品牌單一，提高整個裝置的制造運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)性較差。

(2)裝置內(nèi)的智能型儀表設(shè)備自診斷功能未能充分利用，對智能儀表健康狀態(tài)的判斷往往依靠操作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗。目前，油氣行業(yè)對智能儀表的使用多限于監(jiān)測實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對儀表自身屬性參數(shù)數(shù)據(jù)缺乏關(guān)注，使用中往往沒有采集。用戶對智能儀表設(shè)備的健康狀態(tài)及故障原因不能及時掌握，影響裝置正常運(yùn)行管理。

(3)裝置的日常巡檢維護(hù)記錄依賴傳統(tǒng)人工紙質(zhì)記錄方式，這種方式存在兩個弊端：一是人工記錄時有錯記漏記的可能；二是人工記錄沒有時間戳的約束，即使巡檢中出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，也可事后人為修改記錄。

2 改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)思路

針對第1.3節(jié)中提出的3個問題，可嘗試?yán)没谖锫?lián)網(wǎng)的基本概念確定改進(jìn)思路。

(1)體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)M2M(Machine to Machine)的特點(diǎn)，將非防爆觸摸屏與防爆區(qū)安全距離外的遠(yuǎn)程工控終端“物物相連”，實(shí)現(xiàn)觸摸屏操作。

(2)發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的精細(xì)化設(shè)備管理能力，采集智能儀表設(shè)備屬性參數(shù)，在系統(tǒng)中開發(fā)相應(yīng)的智能儀表設(shè)備管理功能，監(jiān)測儀表健康狀態(tài)，甚至預(yù)判故障發(fā)生[11]。

(3)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅提升對“物”的管控水平，也可對巡檢人員的行為進(jìn)行監(jiān)視，督促人員定期檢查維護(hù)一些目前難以實(shí)現(xiàn)自動控制但又非常重要的環(huán)節(jié)。若將巡檢記錄功能集成于裝置系統(tǒng)內(nèi)，既可保證記錄的準(zhǔn)確性和及時性，客觀上也實(shí)現(xiàn)了對巡檢人員的管理，一定程度上提高了巡檢工作質(zhì)量。

2.2 改進(jìn)方案

基于以上思路對裝置進(jìn)行改進(jìn)，新增“就地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)連接及調(diào)試操作”“智能儀表設(shè)備物聯(lián)管理”“裝置日常巡檢及檢維修記錄”3部分功能。

2.2.1就地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)連接及調(diào)試操作功能

RTU和觸摸屏安裝在集成于橇塊之上的防爆控制箱內(nèi)，正常生產(chǎn)時通過柜門上的玻璃觀察窗查看生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)。只有待停產(chǎn)檢修才能對非防爆的觸摸屏進(jìn)行操作，使得觸摸屏使用受限，影響其功能發(fā)揮。

為解決正常生產(chǎn)時無法操作的問題，更好發(fā)揮觸摸屏功能，提出了以下措施。

(1)在防爆箱內(nèi)加裝工業(yè)級WIFI路由設(shè)備，通過網(wǎng)線與觸摸屏連接(見圖2)。

(2)將WIFI路由天線通過防爆接線孔延長至非防爆區(qū)域，實(shí)現(xiàn)WIFI信號覆蓋。

(3)在防爆區(qū)安全距離之外的工控終端設(shè)備上安裝觸摸屏組態(tài)軟件，并將其無線網(wǎng)卡IP地址設(shè)為與WIFI路由器相同網(wǎng)段，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與觸摸屏的網(wǎng)絡(luò)連接。

(4)用工控終端設(shè)備上安裝的觸摸屏組態(tài)軟件，遠(yuǎn)程等同操控觸摸屏。

改進(jìn)之后在工控終端上即可使用鼠標(biāo)代替觸摸屏完成數(shù)據(jù)修改等常規(guī)操作，滿足了防爆區(qū)域安全距離要求，實(shí)現(xiàn)對防爆控制柜內(nèi)的觸摸屏實(shí)時在線操作，有效提高了設(shè)備利用率。

這樣在不影響生產(chǎn)安全的前提下，可滿足防爆區(qū)域安全距離要求，實(shí)現(xiàn)對防爆控制柜內(nèi)的觸摸屏實(shí)時在線操作，極大地提高了設(shè)備利用率。

2.2.2智能儀表設(shè)備管理功能

一體化集成裝置具有可移動、可復(fù)用的特點(diǎn)，橇上智能儀表設(shè)備可能會因為搬遷進(jìn)行更換，設(shè)備自身屬性參數(shù)如出廠日期、故障信息等均發(fā)生變化，需及時更新以便跟蹤該設(shè)備使用情況。智能儀表多采用HART(highway addressable remote transducer)通信協(xié)議，協(xié)議數(shù)字信號中包含了來自設(shè)備的信息，包括設(shè)備狀態(tài)、診斷、計算值等。利用這些信息可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀表故障、判斷健康狀態(tài)、遠(yuǎn)程診斷等功能。在日益嚴(yán)格的設(shè)備精細(xì)化管理要求背景下，采集智能儀表設(shè)備信息拓展應(yīng)用，提升設(shè)備管理水平尤為必要[11]。

具體現(xiàn)場實(shí)施時，在防爆控制箱內(nèi)加裝HART數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對智能變送器的設(shè)備狀態(tài)信息采集，HART數(shù)據(jù)采集模塊連接拓?fù)鋱D及安裝圖如圖3和圖4所示。

智能儀表設(shè)備管理功能開發(fā)采用基于Windows系統(tǒng)的圖形化界面，主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)自動檢測與系統(tǒng)相連的智能儀表，無需專門設(shè)定智能儀表地址。

(2)在線監(jiān)測與系統(tǒng)相連的智能儀表的健康狀況并報警。

(3)可在線診斷儀表故障，如儀表無反應(yīng)、EEPROM故障、傳感器老化/故障、導(dǎo)壓管堵塞等。

(4)可在工控終端中快速完成回路測試、連聯(lián)調(diào)試，并自動生成狀態(tài)報告。

(5)可在線進(jìn)行智能儀表組態(tài)修改，并在數(shù)據(jù)庫中自動記錄該事件；可對儀表進(jìn)行預(yù)組態(tài)，當(dāng)該儀表安裝好時直接下載到該儀表中。

圖5即為遠(yuǎn)程工控終端中對設(shè)備信息的綜合解析畫面。

2.2.3裝置日常巡檢及檢維修記錄功能

為了實(shí)現(xiàn)對裝置巡檢和檢維修情況可追溯，落實(shí)責(zé)任人員，需增加對裝置日常巡檢及維修記錄的功能。

利用RTU編程組態(tài)及存儲可擴(kuò)展的功能，新增用于巡檢及檢維修記錄存儲的數(shù)據(jù)字段，實(shí)現(xiàn)記錄的存儲、查詢和顯示。

觸摸屏顯示檢維修人員的操作記錄如圖6所示。

遠(yuǎn)程工控終端界面顯示記錄如圖7所示。

2.3 裝置改進(jìn)后功能對比

裝置改造前后功能對比見表3。

從表3可看出，第13～第19項為本裝置新增功能點(diǎn)，這些新增功能點(diǎn)具有物聯(lián)網(wǎng)基本特征，如利用無線網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程工控終端模擬操控觸摸屏上體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)典型的M2M特征；智能儀表設(shè)備的信息采集及管理、操作維護(hù)記錄等也是物聯(lián)網(wǎng)概念的拓展應(yīng)用。

3 結(jié)語

本改進(jìn)方案已在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)施，“就地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)連接及調(diào)試操作”功能、“智能儀表設(shè)備管理”功能和“裝置日常巡檢及檢維修記錄”功能具備物聯(lián)網(wǎng)基本特征，經(jīng)測試滿足使用要求，自控系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)管理需求，提高了設(shè)備利用率及設(shè)備管理水平，保證了日常巡檢工作質(zhì)量，降低了員工勞動強(qiáng)度。

表3 裝置改進(jìn)前后自控功能對比表序號功能描述改進(jìn)前改進(jìn)后1實(shí)時數(shù)值就地顯示√√2實(shí)時數(shù)值網(wǎng)絡(luò)上傳√√3就地參數(shù)設(shè)置√√4遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置√√5就地手動控制√√6遠(yuǎn)程手動控制√√7計量功能及參數(shù)設(shè)置√√8自動連鎖√√9用戶權(quán)限控制√√10有線網(wǎng)絡(luò)接入√√11報警顯示√√12報表生成√√13利用WIFI無線進(jìn)行設(shè)置√14利用WIFI無線進(jìn)行顯示√15利用WIFI無線進(jìn)行控制√16智能儀表設(shè)備信息采集√17智能儀表設(shè)備管理√18操作歷史記錄√19檢維修記錄√

在此基礎(chǔ)上，可在系統(tǒng)使用的便利性上做進(jìn)一步改進(jìn)完善，如除智能儀表設(shè)備之外的靜設(shè)備上加裝射頻識別標(biāo)簽(radio frequency identification,RFID)，寫入更多設(shè)備屬性參數(shù)，如歷史故障、檢修情況、設(shè)備負(fù)責(zé)人等信息。同時，為巡檢人員配置內(nèi)置標(biāo)簽閱讀器的防爆手持終端,可更便捷地完成日常巡檢任務(wù)。