今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 前言：
由于地勢環境的因素，導致了長慶油田“數字化”系統是一個復雜的、多層結構的信息化系統。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 、項目背景介紹
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、采氣廠比較分散獨立，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，長慶油田實施了數字化建設工程、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。為此，長慶油田于2010年初對王二轉及所轄井場進行了數字化改造。
王二轉位于陜西省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。其下58個井場，69口油井，4座配水閥組間、32口注水井分布在周圍三座大山上，管理難度非常大，大量的油水井都采用人工徒步巡檢的方式完成，效率十分低下。在王二轉站內，值班員工采用傳統方式進行生產：手動切換來油管線至雙容積計量裝置進行產液量計量；定時現場巡視關鍵部位生產數據；根據液位來油情況手動啟動外輸泵輸送原油；手動填寫生產報表、電話上報上級管理單位……，這造成了一線值班人員非常大的勞動強度，同時還存在生產數據不準確、信息反饋不及時等方面的缺陷。王二轉數字化建設的目的就是通過前端井場和站內的改造，使得員工不出站點就能夠在王二轉站內隨時了解到現場和站內的生產情況、獲得準確的運行數據、實時的數據共享，降低勞動強度和用工數量。
2、項目目標與原則
王二轉數字化建設要達到以下功能：
1、油水井數據遠程監測：實時將抽油機示功圖、三相電量參數、運行狀態等數據傳輸至王二轉監控平臺，并且可以遠程遙控抽油機啟停；實時采集注水井注水流量、注水壓力、管線壓力等數據，并且可以遠程調節注水井配注量；對井場外輸壓力進行檢測，從而能夠根據壓力變化情況判斷管道泄露、堵塞等異常情況；
2、井場視頻監控及闖入報警提示：能夠在王二轉站內平臺實時監測井場和站內關鍵部位視頻數據，并且具備抓拍、錄像、云臺控制等功能；能夠捕獲外來闖入人員，上報監控平臺，從而達到語音警告、取證拍攝的功能；
3、對王二轉站內重點數據的實時監測與控制：監控王二轉站內關鍵部位生產數據、通過報警、曲線、報表等方式進行顯示與監測，同時實現根據原油來量自動調節外輸泵的排量、連鎖停泵、自動收球加熱的功能；
4、廢除以前的雙容積計量流程，通過現場采集到得功圖進行功圖法產量計算、并且存入數據庫，為日后報表查詢、產量分析、油井故障判斷提供原始數據；
5、為更高一層的作業區、廠級信息平臺提供數據接口，從而能夠構建全廠統一的信息管理平臺。
為了完成上述目標，王二轉數字化建設遵循長慶油田的“兩高、一低、三優化、兩提升”的思路進行實施。所謂的“兩高”是指高水平、高效率，在項目實施中大量使用先進技術和理念，為后期系統升級提供合理空間；“一低”是指低投入，要盡量壓縮投入資金、合理選擇監控范圍、選擇適合現場環境的網絡方案、設備，達到低投入高效能的目的；另外要通過數字化項目的實施，優化工藝流程、優化地面設施、優化管理模式；提升工藝過程的監控水平、提升生產管理過程智能化水平，達到管理模式的改頭換面。
3、項目構成與實施方案
3.1硬件系統
王二轉硬件系統結構如下圖所示：包括井場和站內兩大部分。
井場系統分為井口部分、井場配水間部分、井場視頻監控部分和井場主控部分；站內系統分為站內視頻監控部分、增壓站RTU/PLC控制部分、中控室監控系統部分。
3.1.1井口部分
井口主要完成的功能是采集油井示功圖、電量參數、運行狀態等參數，并進行抽油機遠程啟停控制。
在這里選用的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，首先通過4-20mA模擬信號對負荷和角位移進行連續采集，從而得到示功圖的位移變化和負荷變化情況，再通過濾波、數據整合為示功圖數據。
井口數據采集RTU內嵌入了三相電參采集功能，在抽油機柜內安裝有三個電流互感器，獲得電機運行的電流數據，三相電壓采用直接采集的方式獲得，在控制器內完成電機的電壓、電流監測、功率、電能、功率因素等數據。
井口數據采集器具備3路DO 輸出通道，這三路DO通道分別接入到電機啟動柜的啟動回路、停止回路、語音報警喇叭回路，當井口數據采集器接收到王二轉站內平臺的啟停抽油機命令后，可以通過這些DO輸出端子完成相應功能，并且當抽油機啟動時先語音報警提示抽油機即將啟動，當報警1分鐘時長后才啟動抽油機從而保證了遠程啟動抽油機的安全性。油井運行狀態信號時通過DI采集通道獲取的，通過電機啟動柜內的交流接觸器輔助觸點進行啟停狀態判斷。井口數據是通過2.4G zigbee無線通訊協議與井場主RTU進行通訊的。
3.1.2井場配水間部分
在王二轉所轄區域內，有4個配水間，配水間的主要功能是根據配注計劃自動調節注水流量。配水間內的主要設備有高壓穩流配水裝置，和壓力變送器等，高壓穩流配水裝置可以采集注水井的當前注水流量，并且可以進行設定，通過自己的執行機構完成配水量指標，壓力變送器主要用來檢測注水管線的進出口壓力。為了對閥組間數據進行采集，我們在閥組間內安裝了安控科技的配水井RTU。
安控科技的閥組間RTU，集成了兩路RS485和8路AI。設備起到的了一個通用的協議轉換器的作用，從硬件方面上可接入4～20mA、RS485等多種類型的信號，軟件方面上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。
3.1.3井場視頻監控部分
在每個井場安裝有視頻監控設備一套，監控系統分為攝像機、視頻服務器、井場喇叭、光線照明四部分。
攝像機負責采集現場視頻數據并通過同軸電纜輸送到視頻服務器內，進行圖像上傳。由于王二轉所轄井場多為單井井場，油井數量少、井場區域小，這里只使用了固定式攝像機，不帶云臺功能，但是每個攝像機都配備了雨刷，可以再刮風下雨時自動清潔鏡頭，從而保證了視頻的清晰。
視頻服務器接收攝像機輸出的模擬視頻信號，進行編碼，通過網絡數據報文的形式傳輸到位于王二轉站內的視頻監視計算機上，提供給值班室監控人員，進行遠程巡井。在王二轉數字化項目上，所選用的視頻服務器還具備智能行為分析功能。視頻服務器通過背景學習后，可以分析視頻監測區域內的異常闖入，并跟蹤闖入路線，觸發報警到監視計算機，從而實現對井場的周界報警、非法闖入等事件報警。王二轉站內值班人員接收到報警后，可以通過放大畫面的方式進行檢查和取證錄像的功能，并且可以通過麥克風將語音輸送至視頻服務器音頻輸出口，再由井場喇叭放大輸出后，震懾闖入人員。
光線照明設備主要用來在夜間為視頻系統提供光源，在這里選用了海洋王照明設備，該照明燈具有亮度強、光線均勻等特點，避免視頻系統夜間的誤報、漏報。光線照明設備和攝像機安裝在井場電桿上，照明燈由光控開關控制，在夜間自動啟動。
3.1.4井場主控部分
選用安控科技的井場主RTU（Super32-L系列RTU），該設備主要完成以下兩方面的功能：1、通過4-20mA模擬信號對井場出油管線壓力進行采集；2、充當協議網關，王二轉站內監控平臺發出的IP報文由無線網橋發送到主RTU后，由主RTU進行協議轉換后，通過2.4G zigbee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。
3.1.5站內視頻監控部分
在王二轉站內，安裝有帶云臺控制的視頻攝像機一套，該攝像機可以360度全方位對王二轉站內生產部位進行監控，站內視頻同樣與井場視頻一同在站內視頻監控計算機上進行顯示。但是王二轉站內視頻服務器并不帶智能行為分析功能，只是進行視頻監控。
3.1.6增壓站PLC控制部分
站點采用安控科技的SuperE系列PLC控制系統,，王二轉站內PLC配置有24路AI采集通道、16路DI采集通道、16路DO輸出通道、4路PI量采集通道、4路AO量輸出通道、3路RS485通道，提供1路以太網接口，與上位機軟件通信。
王二轉站內PLC主要完成的功能如下：
a、對2臺收球筒原油出口壓力檢測，超限報警，收球筒溫度控制；
b、對密閉分離裝置（緩沖罐）連續液位監控，超高、低限液位報警；
c、對3具儲油罐罐連續液位監控，超高、低限液位報警；
d、預留外輸原油裝置（瞬時流量）監測和累積計算功能，2路外輸原油溫度、及壓力監測檢測；
e、連續監測3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并聯鎖停泵；
f、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；
g、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；
i、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。
3.1.7中控室監控中心
為了實現對王二轉站內及所轄58個井場進行數據監控和視頻監控，在王二轉站內配置了工控機一臺，通用PC計算機一臺。工控機主要運行組態軟件、井場采集軟件、油井計量分析軟件、數據庫軟件等，達到實時數據監測和歷史數據存儲、開放數據遠傳接口的功能。通用PC計算機運行視頻服務器客戶端軟件，實現井場和站內視頻監控和報警的功能。
3.2網絡部分
通信網絡是連接前方采集設備和后臺監控軟件的“樞紐”，在王二轉數字化建設中主要用到了2種類型的通信網絡：zigbee無線通信網絡和無線網橋通信網絡。
其中主RTU與井口采集器、閥組間RTU之間是通過ZigBee無線技術通信的。ZigBee是一種無線連接方式，可工作在2.14GHz、868MHz、 915MHZ 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10-750m的范圍內。由于每個井場內所轄的油井都在半徑0.5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。
井場主RTU及視頻采集信號是通過無線網橋進行傳輸的。由于王二轉所轄井場分布異常散亂，完全采用光纖通信會有非常高昂的施工成本，在王二轉數字化實施中大量井場安裝無線無線網橋，在個別井場架設了光纖進行接入，從而完成了整個網絡的正常通信。
在通信網絡的結點，井場主RTU側，主RTU充當了通信網關的作用。
3.3軟件系統
王二轉數字化系統軟件是由三個主要軟件構成的：安控科技的數字化油田SCADA軟件平臺、長慶油田油氣研究院的油井計量及分析軟件、視頻監控軟件構成的。其中安控SCADA軟件與長慶油田油井計量分析軟件是相互配合完成油井計量任務的。
3.3.1 SCADA軟件與油井計量軟件的相互協調
SCADA軟件通過井場設備讀取功圖后，將功圖數據存入SQL SERVER數據庫和指定文件夾內，其中SQL SERVER數據庫內的功圖用來軟件后期調取查看，指定文件夾的功圖保存成油井計量軟件需要的形式，以便油井計量軟件進行計量分析；油井計量軟件到指定文件夾內讀取功圖后計算產量和分析結果后，存入關系數據庫；安控SCADA軟件又從數據庫內返讀數據進行產量及分析結果的顯示。
3.3.2 安控SCADA軟件構成
安控SCADA系統軟件主要完成王二轉站內及井場數據的顯示、曲線、報表等功能。主要包括王二轉站內流程監控模塊、油水井巡檢模塊、功圖分析模塊、曲線查詢模塊、報表查看模塊、報警管理模塊等幾個部分，見下圖。SCADA從構成上劃分有2部分：力控組態軟件、功圖采集開發軟件。其中力控組態軟件是軟件系統的載體，它負責將不同軟件集成在力控人機界面上，從而達到數字化標準軟件的功能。
SCADA從層次上分為3個層次：驅動層、數據庫層、界面顯示層，見下圖。
驅動層是與硬件相關的層級，負責與現場PLC、RTU進行通信。由于受組態軟件的功能的限制，驅動又分為力控驅動和RTU驅動，力控驅動完成王二轉站內數據的采集，RTU驅動采集王二轉所轄抽油機井、注水井的數據。RTU驅動采集到的數據除功圖數據外的其他數據要與力控實時數據庫進行交互，寫到力控實時數據庫系統內。承擔數據交互功能的是力控DBCOM組件。
數據庫層是連接顯示界面和底層驅動的中間層級，數據庫層也分為2種數據庫，一種是力控實時數據庫，負責接收由力控驅動采集到的和通過DBCOM寫入的數據；另一種是SQLSERVER數據庫，由于功圖采集后的數據量比較大，無法放到力控實時數據庫內進行存儲，所以這部分數據時由SQLSERVER數據庫保存的。
界面顯示層是直接呈現給用戶的，由于數據源的不同，界面顯示層也分為2種：力控人機界面——VIEW和井場監控軟件。其中VIEW用來將力控實時數據內的內容以流程圖、曲線、報表的形式進行顯示。井場監控軟件用來將SQLSERVER數據庫內的功圖進行顯示，同時井場監控軟件也可以從力控實時數據庫內獲取數據，主要獲取的數據有抽油機井的三相電參、運行狀態、注水井的注水數據等。井場監控軟件是嵌入在力控人機界面上的，一同構成標準化站控軟件。
4、 王二轉數字化新思路、新應用介紹
4.1防盜措施的應用，降低油區維護難度，減少油田損失
油田的安保是油田面臨的主要工作之一，為了保護國家財富，長慶油田組建了大量的保安隊伍。但是由于油區的分散，就如王二轉來說，其69口油井分布在周邊近百平方公里的土地上，依靠保安的力量根本無法解決。并且在保安處置破壞、偷盜事件時也增加了發生沖突、和人身安全受損的風險。
在王二轉項目實施中，為了改變安保工作“打疲勞戰、打被動戰”的局面，應用了具備視頻監控及闖入報警功能的智能視頻監控系統。
在王二轉所使用的視頻監控系統，采用了高分辨率的攝像機，并且所選用的視頻服務器是具備行為分析能力，就是該視頻服務器能夠設定一定的規則，如邊界報警、闖入物體軌跡分析等。視頻服務器首先對監控區域進行背景學習，“識別”現場正常存在的固定及運動物體，然后對意外闖入的物體可以進行判斷，進一步執行軌跡追蹤，報警驅動的功能。根據報警設置，視頻服務器可以進行抓拍、自動播放警告語音、錄像的功能，從而達到震懾闖入者，圖像取證、降低安保難度、避免民企沖突的目的。
4.2在油井遠程啟停控制上，語音報警功能增加遠程操作的安全性
通過遠程啟停抽油機的功能，值班人員可以在值班室遠程操作抽油機啟停，特別是遇到如現場故障時，可以快速進行操作、切斷故障源。
但是由于遠程操作是具備一定的危險性的，特別是當抽油機啟動時，要進行現場情況確認、防止人員正在抽油機附近進行操作。
為此，在遠程啟動控制方面，又增加了語音報警提示功能，進行遠程啟井時，首先進行時長1分鐘的報警，并進行倒計時的方式，提示將要啟井的時間，從而可以讓抽油機附近的人員遠離機械部分，提高了操作的安全性。
4.3上位機軟件嵌入語音報警功能，增加上位機監控的生動性，避免值班人員疲勞
一般的上位機組態功能，都具備相關的報警控件：某監控數據超限時進行提示。但是常規的報警控件一般都是通過閃爍、計算機發出蜂鳴聲進行輸出的。
王二轉上位機軟件，除了使用通用組態軟件外，還單獨開發了配套軟件，其中一項重要的功能就是進行語音報警功能，當出現監控數據超限或者其他報警時，除了通過常規控件顯示外，還可以采用人聲播報報警對象、報警狀態等內容，這樣一方面可以使值班人員避免長期緊盯屏幕造成的疲勞，還可以降低誤報、漏報的情況。
4.4采取多舉措以達到降低員工勞動強度、減人增效的目的
王二轉數字化實施的一個主要目的，就是降低廣大員工的勞動強度、提高勞動效率、從而能夠降低用人數量，為長慶可持續發展提供人力保證。為了達到該目的，王二轉數字化通過以下途徑來進行解決。
?
遠程油井監控，撤銷油井住井人員。
通過在油井井場設置井口RTU、主RTU等設備，值班人員可以在值班室就實時掌握現場的油井運行數據、并且可以在數據異常時遠程啟停抽油機。
而且現場井口RTU也具備油井供電保護、斷桿、卡桿等異常保護停機功能。
因此就解放了廣大住井員工，可以使這部分員工分散到其他勞動崗位、或成立應急班，將原來不合理的人員使用率提高，增加效益；
? 對注水井采用高壓自動調節裝置進行調節、實現遠程調配，解放了注水井員工的勞動強度；提高配水準確性。
對王二轉所屬4個配水間32口注水井的原干式流量計升級為高壓穩流配水裝置，并安裝了閥組間RTU。
這樣一方面利用高壓穩流配水裝置的瞬流自動調節功能可以保證配水量的準確，另一方面利用閥組間RTU的功能，遠程讀取各個注水井實時數據和并且可以進行遠程注水量調配。
? 采用自動投、收球裝置，自動對管線進行清掃，提高管線的日常維護效率。
在王二轉重點井場和王二轉站內，分別安裝了自動投、收球裝置。在井場的自動投球裝置，定時自動對管線投球掃線，清理管線結蠟、結垢，在王二轉站內安裝自動收球裝置，可以自動將上游井場投放的球予以回收。
一方面可以使管線輸油效率更高效，另一方面代替了員工的手動投、收球工作，解放了生產力；
?
站內PLC及控制系統提供連續輸油等技術，降低站內員工勞動強度。
PLC提供連續變頻輸油技術，這樣員工就無需在液位高時手動起泵輸油、在液位低時手動停輸，把以前的間斷輸油變成了連續平穩輸油。
存在如下優勢：使員工從手動操作等體力勞動上轉變到數據檢測、管理等工作模式下；連續輸油使得管網壓力變得平穩，避免啟停時造成的管壓波動；延長了輸油泵及前后閘閥的使用壽命；
? 通過PLC、RTU內部的聯鎖保護程序等，增強安全性、降低相關設備的投入。
在王二轉站內，外輸泵輸油進行了一系列聯鎖控制：液位超低聯鎖停泵、泵進口壓力超低、泵出口壓力超高聯鎖停泵等。
通過采用聯鎖控制可以提高生產的安全，另外由于使用聯鎖功能，可以減少安全閥、高、低液位開關等設施的投入。
4.5使用新技術、新方法降低建設成本
? 采用功圖法量油，降低了計量設備費和維護費。
在王二轉，在每一口油井安裝了功圖采集設備——井口RTU，井口RTU采集到的功圖，通過主RTU和網絡傳輸到王二轉值班室，利用專用的量油軟件調取功圖，結合油井基礎數據，計算出油井產量。
通過功圖法進行量油，增加了量油的連續性。同時也省去了三相計量裝置、量油管線等工藝設備的建設成本；
? 選用合理的網絡設備和拓撲結構，有線通信與無線通信想結合，降低網絡建設方面的投入。
王二轉油井分散面積大，井場位置錯落無序，采用光纖傳輸無疑將產生非常大的投入。王二轉調研階段，就充分考慮到網絡投入方面的因素，在方案上采用無線網橋為主、光纖為輔的方式。
在井場內使用具備網狀網通信能力的無線網橋，這樣可降低無線網橋拓撲的復雜性和設備投入，同時也可以通過網狀結構獲得很好的冗余鏈路。
在無線網絡匯集井場和核心井場采用光纖通信的方式，將無線網絡分為若干個子網，通過高帶寬的光纖鏈路進行接入，提高網絡的通信質量和靈活性。
? 井場內部傳輸使用無線模塊進行通信，降低成本并且提高施工速度。
井場內的通信(主RTU和井口RTU、閥組間RTU之間)采用了2.4GHz的短距離無線通信模塊進行通信。
2.4GHz的短距離無線通信具有工作穩定、成本低、部署快捷等優點，與傳統的RS485有線通信方式相比，節省了線纜材料費和挖溝放纜的建設成本，可以在設備投入和安裝方式上節約大量資金。
5、成效
王二轉數字化建成使用，是對王二轉傳統生產方式的一次大變革，通過數字化的應用，降低了員工的勞動強度、減少了員工用工數量、并且提高了生產管理效率，具體體現在以下幾個方面.。
（1） 優化工藝環節，提高工作效率：
王二轉區域在未改造前，由于管理區域大，共轄2座計量站、2座轉油站，數字化改造后，關停了2座計量站和1座轉油站。原來的計量方式是將來油輸送至雙容積計量裝置內計量，現在采用功圖法計量，既減少了工藝環節也提高了計量效率和準確性；
（2） 停用井場住人點，體現了人文關懷：
數字化投用后，許多以前由人工完成的工作改為遠程監控、遠程操作，這樣就停用了許多井場住人點，將大量員工從枯燥、封閉的住井環境中解放出來，集中居住在條件相對要好的應急班宿舍，展現了人性化管理的特點；
（3） 壓縮管理層級、減少用工數量：
在王二轉數字化建成之前，王二轉所屬油水井、2個計量站、2個轉油站，都由井區進行管理，分為三級管理：井區——站點——井場。
通過數字化改造后，撤銷了井區一級管理層，井場數據直接傳輸到王二轉監控平臺。同時精簡員工21人，為長慶油田的可持續發展提供了保障；
（4） 信息共享、強化各個部門職能：
傳統管理方式下，采用人工巡井、記錄數據、填寫報表、逐級匯報的方式，向更高管理機構反映生產運行情況。
采用數字化生產后，各種油水井、站點數據自動連續采集，并且自動存儲、生成報表，管理機構從以前被動的管理方式得以解放。各個職能科室可以通過網絡平臺，馬上了解到所需了解的信息，進行相關決策。
如：以前采用一旬采集一次功圖的方式，現在井口控制器可以以十分鐘一次的高頻率采集功圖，并且功圖及時上傳、存儲到數據庫、提供共享，可以由值班人員進行油井狀況了解；作業區相關技術科室分析油井工況、對問題井及時發現及時處理；廠級領導可以馬上了解油井產量，從而調整生產指標……。
以上這些都極大低改變了管理模式，使得管理更加高效、具備針對性。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號