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    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，現為北京安控科技股份有限公司油氣事業部技術主管。

    摘要：文章介紹了無線儀表和無線RTU在冀東油田數字化建設中的應用，采用專業化的油田工控產品和Zigbee通信技術，實現對現場油水井的遠程數據采集和控制，降低了施工成本，縮短了建設周期，為全面建設數字化油田創造了條件。

    關鍵詞：無線；儀表；RTU；數字化

    Abstract: In this paper, we introduce the application of wireless instruments and wireless RTUs in the digitalization construction of Jidong oilfield.Professional products and Zigbee communication technology realize the remote data acquisition and control of oil and water wells, reduce the construction cost, shorten the construction period, and provide the possibility of all-round construction of digital oilfield.

    Key words: Wireless; instrument; RTU; digitalization

    井站自動化系統是油田地面工程自動化系統最底層、范圍最廣、最關鍵的現場級控制系統，主要完成對現場井口、站點的數據采集和控制，以及現場視頻監控功能。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井，以及計量配水站等。

    1 項目介紹

    中國石油冀東油田公司是中國石油天然氣集團公司所屬地區公司，集油氣勘探、開發、研究、生產、銷售為一體的大型石油公司。作業區域跨唐山、秦皇島兩市，登記探礦權面積5797平方千米，有利勘探面積1570平方千米，其中：陸地面積570平方千米，灘海面積1000平方千米。

    自2000年以來，冀東油田在部分區塊已經建立了井站自動化系統，典型系統如高尚堡作業區，覆蓋了25個計量站、約400口油井。但是原有系統的覆蓋面小，對于整個冀東油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現自動化監控；另一方面，隨著電子技術、通信技術的發展，在已有系統中，早期建成的部分系統采用的產品和技術已經逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出一些問題。

    冀東油田的井站自動化系統項目包括無線油水井監控工程、作業區遠程監控系統完善兩大部分。前者完成對現場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的自動化建設，后者則針對中控室和計量站進行建設。最終要在2010年建立起覆蓋整個油田的、技術先進、質量可靠、便于使用維護的油田數據采集和監控（SCADA）系統，實現數字化油田的建設目標。

    在實時監控方面，實現對油井的遠程示功圖采集、電量采集和中控室遠程啟停控制，以及計量站的自動計量和站內無人值守；在生產管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析，通過電量數據掌握油井耗電情況和采取節能措施，通過功圖計產、計量站量油和含水率分析制定油井管理措施；在生產信息方面，在各個中控室設置數據庫服務器和WEB發布服務器，實現油田生產信息在油田范圍內的信息共享。

    1.1 無線油水井監控工程

    既包括新建區塊（對原來沒有實現自動化的區塊進行自動化建設），也包括老區塊改造（對已有自動化的區進行改造和完善）。其中新建區塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約150口，此外還包括幾十口注水井；老區塊改造的油水井總數約數百口。這些油水井隸屬于共計160多個計量站，每個計量站的周邊1公里距離內，下轄少則數個、多則20余個井口。

    各種井口要實現的功能見表1。

    1.2 作業區遠程監控系統完善

    項目為了完善冀東油田作業區控制系統，涉及到了陸上和南堡兩個采油作業區，要求軟件分別開發，功能和界面保持一致。其中陸上作業區分別在8個采油區建立控制室，實現各自采油區所轄油水井和集輸系統的自動監控，實現無集中的陸上作業區SCADA中控室。

    陸上作業區的第1、2、3采油區3個控制室作為遠端監控終端，網絡和存儲中心設在原柳贊作業區中控室機房，配備數據和發布服務器、交換機等設備；第4、5、6采油區3個控制室作為遠端監控終端，網絡和存儲中心設在原高尚堡作業區中控室機房，配備數據和發布服務器、交換機等設備；第7、8采油區2個控制室作為遠端監控終端，網絡和存儲中心設在原老爺廟作業區中控室機房，配備數據和發布服務器、交換機等設備。

    南堡油田采油作業區涉及陸岸平臺、NP2-3平臺、2號人工島分屬1號島采油隊、NP2-3采油隊和2號島采油隊。1號島采油隊控制室直接進原SCADA中心；NP2-3平臺監控設備與轉油站控制設備設在同一控制室（在建）；在2號島新建采油隊控制室。南堡作業區原SCADA中心作為南堡作業區中控室，可直接操作各采油隊監控設備，進行數據存儲和發布?？傮w數據采集走向見表2。

    2 井站自動化系統的總體結構設計和產品選型

    井站自動化系統主要由井口控制終端(RTU)、現場檢測設備、通訊鏈路、計量終端（PLC）、中心控制設備組成的一套（SCADA）數據采集控制系統。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進行井口數據通訊以及如何使數據穩定準確及時的傳輸到中控室，都決定了系統的穩定性、實用性和可靠性。

                                                       表1
                   

                                                  表2
                       
 
    在2010年的新系統建設和老區塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設的已有系統類似，但是在井站系統的通信系統設計和產品、技術選型方面，卻發生了本質的變化。

    在產品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產的高性能一體化RTU產品和無線儀表，安控產品既保留了其傳統的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術。對于冀東油田已有系統的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造，擴充出無線通信接口。

    在井站系統通信設計方面，井口儀表與井口RTU之間、井口RTU與計量站數據采集器之間，均采用先進的ZigBee無線技術，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優點，代表了短距離無線通信技術的發展趨勢，并由此帶來施工簡化、調試維護簡單、建設周期短等優點。計量站與上級作業區監控中心之間的數據通信和視頻傳輸，則采用了已有的光纖通信網絡。

    2.1 井站自動化系統的總體結構

    在高標準、高性能、高穩定性的原則指導下，冀東油田井站自動化系統結構如圖1所示，包括數據采集部分、網絡通訊部分和作業區監控中心（中控室）三大部分：  

                   
                                       圖1  自動化系統結構圖

    2.2 產品選型

    在冀東井站自動化系統的建設中，井口相關部分選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設備。這些設備均支持ZigBee通信技術。ZigBee通信技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數據連接層上制定出的標準，具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。

    北京安控科技股份有限公司（簡稱“安控科技”），是專業從事工業級RTU產品研發、生產、銷售和系統集成業務的高新技術企業，是行業領先的工業級RTU產品供應商和系統集成服務商，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產品鏈，擁有完善的油氣田自動化和環保在線監測專用產品。

    2.2.1 無線電量模塊

    抽油機井、電潛泵井的數據采集設備，選用的是北京安控公司的Super32-L308無線電量模塊，可實現對三相電壓、三相電流和對抽油機的啟?？刂埔约盃顟B采集。

    模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個RS232接口、1個RS485接口，內置了高性能的Zigbee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線。

                           

    Super32-L308無線電量模塊采用先進的32位處理器，不僅能完成邏輯運算、定時、計數控制，還能實現數據處理、通訊聯網等功能。
                         
                      

    與同類RTU相比，具有更大的存儲容量，更強的計算功能，更簡便的編程與開發能力；強大的通訊組網能力和卓越的環境指標特性，能夠適應各種惡劣工況環境。通過無線通訊協議與計量間無線數據采集器進行數據通訊。

    2.2.2 無線載荷位移傳感器

    抽油機井選用了北京安控公司的SZ902N型號無線載荷位移傳感器，可自動測量功圖和自動測量沖次，實現對有桿泵示功圖的采集。示功圖數據以Zigbee無線通信方式，傳輸到井口無線電量模塊和計量站無線數據采集器通信主站。
                         
                      

    SZ902N型號無線載荷位移傳感器，設備簡單，只有一個與傳統載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線儀表電纜敷設的施工量，安裝簡化快捷；運行穩定，使用電池供電，可消除外界電網干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動，不易被人為破壞；技術先進，可設置多個頻點，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產品，利用太陽能充電安全環保。通過無線通訊協議與計量間進行數據通訊。
   

    2.2.3 無線壓力變送器

    無線壓力變送器選用的是北京安控公司的SZ903D產品，實時監測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線壓力傳感器，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設計；適用于各種惡劣的使用環境；具有功能強、可靠性高、應用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協議與計量間進行數據通訊。

    2.2.4 無線網關

    螺桿泵井采集器和計量站無線數據采集器主站，均選用了北京安控公司的SZ932無線網關產品。該設備具有1個Zigbee無線接口、1個RS485接口、1個RS232接口、1個TCP/IP網絡接口，因此可以廣泛用于以下場合：
                 
                    

    （1）實現第三方產品的協議轉換；

    （2）實現有線通信和無線通信之間的轉換；

    （3）作為網關設備，將有線RS232/RS485或者無線通信轉換為網絡數據傳輸。

    在冀東井站自動化系統中，SZ932無線采集器可以通過標準的RS485通訊協議對螺桿泵變頻數據進行采集，然后以Zigbee無線方式，將螺桿泵變頻器數據傳輸到計量站，從而滿足了第三方產品設備更好的接入。

    另外，每個計量站的無線數據采集器同樣也采用了SZ932無線網關。其作為井口設備的通信主站，以Zigbee短距離無線通信方式，與現場無線儀表或無線RTU通信；然后經網關通過光纖網絡傳輸到作業區監控中心的上位機系統。

    2.3 網絡通信設計

    從系統結構圖可以看出，通信設計采取了無線和有線相結合的方式，達到實時數據采集、傳輸、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。

    2.3.1 無線應用部分

    每個計量站下轄的井口，一般分布在以計量站為中心、半徑1公里以內，相對比較集中。采用短距離無線技術可以節省成本同時也降低了施工強度。采用ZigBee無線技術，應用在現場無線儀表和無線RTU與計量站無線數據采集器之間的通訊上。

    無線技術采用的是Zi gBe e的無線網絡協議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上，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。

    2.3.2 有線應用部分

    計量站是分散的，且與作業區監控中心的距離相對較遠。井口采集數據和視頻監控數據要統一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠、數據通訊量大的光纖作為媒介，以保證數據傳輸的實時性、可靠性和穩定性。

    3 系統實現的功能

    數據采集包括井口數據采集、計量站數據采集和作業區監控中心。

    3.1 井口數據采集部分

    （1）功圖法量油

    在井場，井場配套無線載荷位移傳感器SZ902N，實現油井功圖全天候采集。在作業區監控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產量情況和分析故障原因。

    （2）電參采集、油井壓力采集

    在抽油機控制箱配套無線電量模塊Super32-L308，監測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；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?？刂?。

    在油井上安裝無線壓力傳感器SZ903D，實時監測油壓和套壓的變化。

    （3）螺桿泵井

    在螺桿泵井控制箱內配套無線采集模塊SZ932，無線采集模塊SZ932提供了標準的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數據，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數和電能等參數，并據此制定節能降耗措施。

    （4）電潛泵井

    在電潛泵井控制箱內配套無線電量模塊Super32-L308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監控。

    （5）注水井

    在注水井安裝無線壓力變送器SZ903D，實時監測注水井壓力的變化。

    3.2 計量站數據采集部分

    （1）計量站無線采集主站

    計量站無線采集器SZ932實現了兩級通信方式：每個計量站下轄的現場無線儀表和無線控制器的數據，首先要傳輸到計量站無線數據采集器主站，然后再經網關集中批量地傳輸到上位機系統。

    兩級通信方式的優點：將井口無線儀表和設備，首先以計量站為單元，分別獨立地進行數據采集，提高了采集效率，縮短了輪訓周期；而作業區監控中心則只需與計量站無線數據采集器通信，而不必直接面對現場數以千計、輸出接口各異的設備（儀表、電量采集單元、變頻器等），降低了中控室上位軟件的工作負荷和軟件復雜性。

    （2）計量站PLC

    計量站采用的是西門子的S7-300系列PLC，實現對計量間內數據的采集、計算和控制。實現計量站的無人值守功能。

    3.3 作業區監控中心部分

    中控室數據采集與監視控制系統（SCADA），主要實現流程監控，功圖分析，生產曲線、報表生成，操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢。提高了油田油井系統運行可靠性、安全性與經濟效益，減輕了調度員的負擔，實現了油田調度自動化與現代化，在提高調度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。

    4 無線井站自動化系統的優點、效益分析

    與傳統的產品選型和系統設計相比，冀東無線井站自動化系統在建設和使用中均顯示出了獨特的優點：

    4.1 施工簡便、低成本，節省材料和人工

    油田傳統的井站自動化系統的建設方式，以冀東原有的老區塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。

而在無線井站自動化系統中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調試，施工成本被降到了最低。

    4.2 施工快捷，建設周期短，便于后期維護

    由于新系統的建設省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數倍。

    以北京安控公司生產的U型無線載荷傳感器的安裝為例，傳統的信號電纜敷設和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內。

    井場內自動化設備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產效益的提高。

在系統的后期維護方面，冀東老區塊原有的信號和通信電纜，在修井作業中經常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線產品則免除了這一問題。

    4.3 適合于規模施工，全面建設數字化油田

    隨著電子技術、計算機技術的進步，特別是國產設備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產品的采購成本已經逐漸降低；而無線技術的應用，則帶來了施工費用的大大降低。

    僅僅在數年以前，油田自動化建設的投資還只能針對重點區塊、建設重點工程。而目前最新的技術和產品，則為全面建設數字化油田創造了條件。

    摘自《自動化博覽》2010年第十期