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    作者簡介：劉曉良（1971-）男，河北灤縣人，畢業于燕山大學電氣自動化專業，工學碩士，講師。曾擔任北京科技大學自動化系教師，現任北京安控科技股份有限公司油氣事業部技術主管。

    摘要：本文以王二計量接轉站為例，描述了數字化系統在長慶油田的應用。該項目使用了北京安控公司生產的RTU和PLC，結合計算機技術、zigbee無線通信技術和無線網橋產品，實現了對油井的示功圖采集、抽油機啟停控制、電參數采集和視頻監控等功能，實現了對注水井的數據采集，實現了對計量接轉站的數據采集、控制和視頻監控功能，達到了實時監控、強化安全、減員增效的目標。

    關鍵詞：數字化系統；長慶；RTU；PLC

    由于地勢環境的因素，導致長慶油田“數字化”系統的復雜性和多層結構。該系統涉及到了多種硬件設備、軟件平臺以及復雜的網絡通訊結構，其中以王二計量轉接站的數字化建設更具有代表性。

    1 項目背景

    長慶油田為國內第二大油田，礦產資源登記面積25.78萬平方公里，跨越5省（區）， 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）、數十個市縣，各采油、采氣廠分散獨立，管理難度之大、企業成本之高可想而知。為了降低企業成本、完善企業管理、提高企業在行業的競爭力，長慶油田成立了數字化建設、建立全油田統一的生產管理、綜合研究的數字化管理系統，實現“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，達到強化安全、過程監控、節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域安塞縣王窯鄉白莊村內，隸屬于長慶油田采油一廠王窯作業區。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口注水井進行數字化建設。通過井場上的無線網絡，將視頻、井場功圖數據傳到王二計量轉接站，實現電子巡井、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，實現關鍵生產數據的集中監控，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劃，從系統結構、設備選型和功能實現三個方面進行設計。

    系統結構如圖1所示：包括井場和站內兩大部分。

    井場系統分為井口、井場配水間、井場視頻監控和井場主控四部分；站內系統分為站內視頻監控、增壓站RTU/PLC控制、中控室監控系統三部分；這兩大系統之間是通過無線網絡進行數據交換的。

                  

                                     圖1 系統結構圖

    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）的井口數據采集RTU，通過4~20mA模擬信號對負荷和角位移進行示功圖數據采集；遠程手動控制油井電機啟停，并采集油井運行狀態；啟動現場報警提示；對電機三相電壓和三相電流進行采集。井口數據通過2.4G無線通訊協議與井場主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據，同時還與壓力變送器進行通訊。配水間數據通過2.4G無線通訊協議與井場主RTU進行通訊。

    2.2井場視頻監控

    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橋，后經無線網絡最終實現現場視頻數據傳送到站內視頻監控平臺。

    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無線通訊協議與所屬各井口RTU和配水間進行無線通訊，以實現數據采集和井口控制；通過無線網橋上傳數據到增壓站。

    2.4站內視頻監控部分

    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，后經交換機實現現場視頻數據傳送到站內視頻監控平臺。

    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），實現站內監控點的數據采集、回路控制、故障連鎖和累計計算等功能。

    2.6中控室監控系統部分

    選用安控科技的數字化油田SCADA軟件，實現站內和井場的實時數據采集，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，實現產量計算、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無線網絡部分

    數據無線通信產品選用無線網橋產品， 實現增壓站和井場之間的數據實時傳輸、視頻監控、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網絡，實現后臺信息共享，信息管理等應用。

    3 項目實施方案

    根據現場狀況和指導意見，制定數字化系統實施方案。系統可分為井場數據采集、數據通訊及站控系統三大部分。

    3.1井場數據采集部分

    （1）功圖法量油

    在井場，井場RTU配套載荷傳感器、位移傳感器、無線網橋設備等硬件設施，在各增壓點建立數據監控處理平臺及功圖遙測平臺，實現油井功圖全天候采集、泵況智能診斷和產量估算等功能。

    所有監測數據都是各井口RTU通過無線網絡與主RTU進行通訊，無線網絡采用的是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據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。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，但可以繼續增加。

    （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，監測抽油機上下行過程中電壓/電流/電量等參數變化情況；配套電機運行監控模塊，監視抽油機運行狀態，對電機缺相、過載、空轉等故障實現自動報警，并能根據控制中心命令實現啟停控制。
在井場集輸管道出口處安裝智能壓力變送器，監測油壓變化。

    （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，并通過遠程調度，實現對井口的按計劃、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。設備起到了通用協議轉換器的作用，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準通信協議或者自定義協議。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。在通訊數據結構方面，將閥組間儀表數據采集匯總到閥組間RTU（即協議轉換器）中。統一數據格式后，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，統一了與上位機的數據接口，便于上位機軟件的開發調試和維護。

    此處設計閥組間協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據采集，必然會導致軟件在采集過程數據時需要對逐個儀表進行輪詢采集，無法一次性采集上來；輪詢采集，通訊效率必然會低，周期加長，井口數據采集也會受到影響；現場實際情況的不同，采用的儀表型號也不完全統一，需要分別處理，代碼雜亂不統一，開發和維護都很困難。

    （4）井場視頻監控

    根據每個井場的井口數量的不同，設置1至2套視頻監控設備（8口井以內含8口井用1套視頻監控系統，9-15口井用2套視頻監控系統），實現對整個井場的實時監控。

    每套視頻監控設備支持云臺、鏡頭預置位功能，可以實現對多個固定位置的預置拍攝或取證拍攝。每套視頻監控設備設具備智能物體行為分析功能的網絡視頻服務器1臺，實現對井場的周界報警、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，同時也可以實現自動觸發遠程錄像功能。

    通過電子巡井功能，用戶可以實現遠程自動/手動巡井功能，并實時記錄生產現場的情況和各種生產參數，從而實現快速巡井，加快巡井周期，降低巡井工作量和生產成本。

    3.2數據通訊部分

    對現有場站和采油井數字化進行升級，要達到實時數據采集及傳輸、視頻監控、遠程控制等效果，并將相應數據傳輸至后臺網絡，實現后臺信息共享，信息管理等應用。解決方案首先要保證網絡可長距離高帶寬回傳，且性能穩定。另外實現了設備集中管理，便于維護。根據現場情況和設計最低成本理念的指導下，以無線網橋為傳輸設備，組建無線網絡傳輸結構。

    3.3站控系統部分

    站控系統主要由過程控制單元RTU/PLC、操作站、局域網絡等構成，并配套操作系統、工控組態及數據庫等相關軟件，安控科技的數字化油田SCADA軟件平臺和數據中心平臺。

    根據現場工藝的實際情況和在油田行業自動化的控制經驗，站點采用安控科技的SuperE系列RTU/PLC控制系統， 該系統為油田長期配套的專用產品。上位采用的是安控科技的數字化油田SCADA軟件作為系統的數據監控平臺，實現站內和井場的實時數據采集，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，實現了井組導航、流程監控、電子巡井、功圖分析、生產曲線、運行報表和單元報警等功能。

    井組導航實現了對各井場及增壓點外輸出口壓力的采集，能夠對主要數據更及時的觀察；
    流程監控是站內主流程的體現，直觀的反映站內工藝流程。主要實現：
    （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）連續液位監控，超高、低限液位報警；
    （3）對事故罐連續液位監控，超高、低限液位報警；
    （4）預留外輸原油裝置（瞬時流量）監測和累積計算功能，外輸原油溫度檢測；
    （5）連續監測每臺泵入口、出口壓力，當進口壓力超下限時或出口壓力超上限時報警；
    （6）根據分離裝置的液位，通過變頻調節分輸泵的排量，使分離裝置內液位基本保持在中線附近，實現連續輸油；
    （7）外輸泵運行狀態、運行頻率及三相電流、電壓及功率等參數監測。接受可燃氣體報警控制器輸出的濃度超限報警信號，實現可燃氣體泄露濃度超限報警。

    電子巡井實現對各井口數據的采集和遠程啟停控制，并在安控科技的數字化油田SCADA軟件上嵌入了視頻監控系統，支持SCADA畫面與視頻畫面進行聯動。可以如實的反映井場實際情況；

    功圖分析可定時生成功圖數據，并做出相關智能判斷。為工作人員分析數據提供可靠依據；

    生產曲線實現對壓力、溫度和液位實時和歷史數據的查詢，方便工作人員更好的掌握運行情況和對事件的分析；

    運行報表實現對監測點的定時記錄、歷史查詢、數據刷新、報表導出和報表打印等功能。能夠如實的記錄數據，為日常數據統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，同時也支持報警數據的打印功能。這樣能夠很好的防范事故的發生，做到真正意義上的安全生產。

    視頻監控系統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場的視頻錄像。在監控畫面中制定一定的報警規則（如跨界報警、區域報警），對人或車跨越報警線或進入報警區域，視頻工作站實現對場站監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行報警提示，從而節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，降低了勞動強度。

    4 成效

    系統運行期間，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需要十幾個人花費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。節省了大量的時間和精力，真正實現了“同一平臺、信息共享、多級監視、分散控制”，達到了強化安全、過程監控、節約人力資源和提高效益的目標。