楊曉慶 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于物聯(lián)網(wǎng)的吐哈油田數(shù)字化站控管理系統(tǒng)

楊曉慶 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院

吐哈油田為了適應(yīng)油田生產(chǎn)開發(fā)需求，在數(shù)字化站控管理系統(tǒng)方面采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。采用了全新的站場(chǎng)管理系統(tǒng)RTU，利用網(wǎng)絡(luò)微波通訊網(wǎng)、GPRS和光纖網(wǎng)，實(shí)時(shí)收集地下井筒油流數(shù)據(jù)、井周設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理和格式轉(zhuǎn)化進(jìn)入管控中心數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)可對(duì)油田站場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集、處理和分析，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控站場(chǎng)處理工藝過程。利用該系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)控計(jì)量站的原油測(cè)量過程，精準(zhǔn)確度可控制在±0.2%的范圍內(nèi)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用拓展了油田生產(chǎn)開發(fā)業(yè)務(wù)，是實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化站場(chǎng)有效管理的基礎(chǔ)，也是吐哈油田進(jìn)一步發(fā)展的需要。

物聯(lián)網(wǎng)；吐哈油田；數(shù)字化；站控管理；RTU

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入數(shù)字化油田是油田勘探開發(fā)發(fā)展到一定階段的成果，數(shù)字化油田利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以快速地實(shí)現(xiàn)油田各級(jí)處理站運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效采集、傳輸、處理、分析以及匯總[1]，報(bào)表結(jié)果可以為管理層做決策提供科學(xué)依據(jù)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)油田的遠(yuǎn)程智能控制。吐哈油田數(shù)字化站控管理系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和處理，而且實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行的一體化監(jiān)控，優(yōu)化了油田各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管理。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是構(gòu)建油田數(shù)字化站控管理系統(tǒng)的有效途徑。借助于計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)整合RFID、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。在Internet中，物聯(lián)網(wǎng)在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品（商品）的“交流溝通”，自動(dòng)識(shí)別物品信息，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)上共享信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化油田站控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。主要以井場(chǎng)、聯(lián)合站等生產(chǎn)處理部門為信息數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)，借助傳感器等自動(dòng)采集設(shè)備，利用網(wǎng)絡(luò)微波通訊網(wǎng)、GPRS和光纖網(wǎng)，實(shí)時(shí)收集地下井筒油流數(shù)據(jù)、井周設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理和格式轉(zhuǎn)化進(jìn)入管控中心數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。吐哈油田生產(chǎn)過程中涉及很多站場(chǎng)的運(yùn)行，例如油/氣井、計(jì)量系統(tǒng)、原油處理站、聯(lián)合站、增/減壓站、注水井等，各個(gè)站場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的數(shù)字化、信息化是油田高效生產(chǎn)和管理的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心控制室主要是對(duì)所有前端操作運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與采集，它是遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要部門，也是保證數(shù)字化油田生產(chǎn)管理系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心[3]。

監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）包括站場(chǎng)監(jiān)控中心、區(qū)域監(jiān)控中心以及總監(jiān)控中心，主要由三個(gè)層面組成，分別是信號(hào)數(shù)據(jù)采集層、信號(hào)數(shù)據(jù)監(jiān)控層以及信號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 信號(hào)數(shù)據(jù)采集與輸出結(jié)構(gòu)示意圖

信號(hào)數(shù)據(jù)采集層主要包括RTU與一次儀表，任務(wù)是采集站場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的初步處理分析、備份存檔；站控系統(tǒng)包含各類監(jiān)控軟件，信號(hào)數(shù)據(jù)監(jiān)控層借助監(jiān)控程序?qū)φ緢?chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，遇到油井、計(jì)量站、原油處理站場(chǎng)異常運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)控；信號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用層，即對(duì)采集來的生產(chǎn)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行歸類、整理、分析和處理，整理成系統(tǒng)文件和報(bào)表，作為管理層做決策時(shí)的依據(jù)[4]。站控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

站控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要用于原油處理站、轉(zhuǎn)油站、計(jì)量站及增壓站等生產(chǎn)運(yùn)行站場(chǎng)的管控。作為原油開采開發(fā)終端工藝的原油處理站，主要是將來自前端處理站的原油進(jìn)行油氣水分離處理，對(duì)原油進(jìn)行提純，對(duì)油田污水回收處理，以及對(duì)分離處理的天然氣進(jìn)行再加工及回收利用[5]。終端處理過程對(duì)工藝技術(shù)與工藝儀器設(shè)備要求高，站控管理系統(tǒng)利用RFID、設(shè)置控制站、采集設(shè)備、I/O模塊等儀器設(shè)備，對(duì)整個(gè)終端原油處理工藝過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，保證原油處理質(zhì)量。

一般采用PLC/RTU系統(tǒng)進(jìn)行站控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要的功能結(jié)構(gòu)包括以下內(nèi)容：

（1）一次儀表。主要采集儀表電流（4～20 mA），其中還包括壓力計(jì)、閥門、液量計(jì)等小部件信息，利用I/O模塊、電纜將各部件連接，協(xié)調(diào)工作。

（2）監(jiān)控站。每一級(jí)監(jiān)控站配備有主控單元、I/O模塊、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜及電源。借助于100 Mbps高速以太網(wǎng)，主控單元將監(jiān)控軟件、服務(wù)器、操作站等功能模塊連接起來，構(gòu)建Intranet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各處理站場(chǎng)數(shù)據(jù)的全面管理，站場(chǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集以及信號(hào)類型轉(zhuǎn)化功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠I/O模塊。

（3）服務(wù)器。服務(wù)器包括中心站服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器、I/O服務(wù)器、前端服務(wù)器、終端服務(wù)器、報(bào)表服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)存檔服務(wù)器及報(bào)警服務(wù)器等。

（4）聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。聯(lián)絡(luò)通信系統(tǒng)支持C/S結(jié)構(gòu)。站場(chǎng)控制站與操作站之間的聯(lián)絡(luò)通信主要由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)；利用總線協(xié)議，控制網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)I/O模塊和控制站之間的通信。

2.2 功能特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，通過感知層識(shí)別物體基本特征，再由網(wǎng)絡(luò)層對(duì)物件的信息進(jìn)行傳遞，最后經(jīng)過應(yīng)用層應(yīng)用于大型計(jì)算機(jī)，將傳輸層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與行業(yè)工藝處理參數(shù)進(jìn)行協(xié)同調(diào)整與優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)任何物件在網(wǎng)絡(luò)上的智能化識(shí)別和管控[6]。借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)了吐哈油田數(shù)字化站場(chǎng)管控系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集與處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控站場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)優(yōu)化站場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)，以及為管理層提供數(shù)據(jù)報(bào)表等方面功能。

圖2 站控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）監(jiān)測(cè)功能。利用監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站場(chǎng)（聯(lián)合站、原油處理站、計(jì)量站等）運(yùn)行參數(shù)變化情況，進(jìn)一步對(duì)站場(chǎng)儀器設(shè)備電信號(hào)（功率、頻率、電度、電壓、電流），以及對(duì)溫度、壓力、示工圖等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)，保證參數(shù)運(yùn)行正常的目的。

（2）遠(yuǎn)程控制功能。監(jiān)控中心和站場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)位置距離遠(yuǎn)，利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以起到遠(yuǎn)距離監(jiān)控與操作的目的，可靠性強(qiáng)。監(jiān)控中心操作員通過觀察電參數(shù)變化，來甄別儀器設(shè)備以及工藝流程運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)事故進(jìn)行分類。

（3）報(bào)警功能。站場(chǎng)（井場(chǎng)）電力設(shè)施破壞或者被盜，破壞了正常生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)將立即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行聲光感應(yīng)報(bào)警處理，通過對(duì)比正常狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)，確認(rèn)整個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)問題所在位置，監(jiān)控中心根據(jù)報(bào)警信息做出應(yīng)急決策。

（4）輔助功能。為系統(tǒng)良好運(yùn)行配備了輔助軟件，以期更好地服務(wù)站場(chǎng)管理，輔助功能可對(duì)原油處理站精細(xì)分離油氣水進(jìn)行技術(shù)監(jiān)控，為計(jì)量站計(jì)量精準(zhǔn)確度提供監(jiān)督，對(duì)井場(chǎng)盜油、管道堵塞、電壓不穩(wěn)等異常情況進(jìn)行監(jiān)控，整理和完善生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表。

2.3 系統(tǒng)型號(hào)

根據(jù)油田數(shù)字化站場(chǎng)管理系統(tǒng)的要求，北京安控的SuperE50系列RTU，采用了32位ARM技術(shù)，操作系統(tǒng)集成度高、功能強(qiáng)大、操作方便，是一款全新的站場(chǎng)管理系統(tǒng)RTU產(chǎn)品。包括的功能還有數(shù)據(jù)高速計(jì)數(shù)、RTD、TC、PID、通訊聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)完全符合IEC 61131—3標(biāo)準(zhǔn)，功能性能更加強(qiáng)大，可與上位機(jī)完美組成控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)站場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控管理。

3 應(yīng)用效果

吐哈油田的站場(chǎng)很多，原始的管理模式已經(jīng)難以有效對(duì)站場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生產(chǎn)管理質(zhì)量低下，對(duì)于前線站場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理一般需要幾個(gè)小時(shí)、甚至幾天，而且井場(chǎng)出現(xiàn)異常生產(chǎn)事故，需要10個(gè)小時(shí)、甚至1天的時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)，不能實(shí)現(xiàn)跨地域協(xié)同工作，也不能對(duì)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，嚴(yán)重影響了井場(chǎng)采油任務(wù)，處理效率不高。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，為油田數(shù)字化站場(chǎng)管控提供了技術(shù)支持。油田站場(chǎng)管控系統(tǒng)通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)油田遠(yuǎn)程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理和分析，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控站場(chǎng)處理工藝過程，相比以前原油處理站幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和分析，現(xiàn)在能實(shí)時(shí)出分析結(jié)果和各類生產(chǎn)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與管理的實(shí)時(shí)同步。利用該系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控計(jì)量站的原油測(cè)量過程，準(zhǔn)確度可控制在±0.2%的有效范圍內(nèi)，對(duì)原油計(jì)量站起到了有效的生產(chǎn)管控。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用拓展了油田勘探開發(fā)業(yè)務(wù)，是實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化站場(chǎng)有效管理的基礎(chǔ)，也是吐哈油田進(jìn)一步發(fā)展的需要。

[1]容濤，張乃祿，劉祥周，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：27-28.

[2]紀(jì)紅．?dāng)?shù)字油田生產(chǎn)管理系統(tǒng)的建設(shè)[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（6）：5-6.

[3]閆學(xué)峰，檀朝東，吳曉東，等．油井生產(chǎn)實(shí)時(shí)分析優(yōu)化專家系統(tǒng)PES的研發(fā)及應(yīng)用[J]．中國(guó)石油和化工，2009（11）：61～64．

[4]彭越．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“數(shù)字化油田”建設(shè)[J]．油氣田地面工程，2014，33（4）：61-62.

[5]田軍慶，高輝．淺談“數(shù)字油田”的建立[J]．油氣田地面工程，2002，21（4）：133-134.

[6]王全治．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的PES系統(tǒng)在青海油田的應(yīng)用[J]．石油工程技術(shù)，2011（4）：51-53.

（欄目主持焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.026