楊曉慶 河南建筑職業(yè)技術學院

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)技術學院

吐哈油田為了適應油田生產(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，物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層構成。采用了全新的站場管理系統(tǒng)RTU，利用網(wǎng)絡微波通訊網(wǎng)、GPRS和光纖網(wǎng)，實時收集地下井筒油流數(shù)據(jù)、井周設備運行參數(shù)以及地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單的處理和格式轉化進入管控中心數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)可對油田站場生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠程實時采集、處理和分析，能夠遠程監(jiān)控站場處理工藝過程。利用該系統(tǒng)能自動監(jiān)控計量站的原油測量過程，精準確度可控制在±0.2%的范圍內。物聯(lián)網(wǎng)技術的應用拓展了油田生產(chǎn)開發(fā)業(yè)務，是實現(xiàn)油田數(shù)字化站場有效管理的基礎，也是吐哈油田進一步發(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

物聯(lián)網(wǎng)技術進入數(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，可以快速地實現(xiàn)油田各級處理站運行數(shù)據(jù)的有效采集、傳輸、處理、分析以及匯總[1]，報表結果可以為管理層做決策提供科學依據(jù)，以期實現(xiàn)對油田的遠程智能控制。吐哈油田數(shù)字化站控管理系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術，不僅可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和處理，而且實現(xiàn)了生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)運行的一體化監(jiān)控，優(yōu)化了油田各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管理。

物聯(lián)網(wǎng)技術是構建油田數(shù)字化站控管理系統(tǒng)的有效途徑。借助于計算機互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)整合RFID、無線數(shù)據(jù)通信技術實現(xiàn)了網(wǎng)絡化。在Internet中，物聯(lián)網(wǎng)在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用RFID技術實現(xiàn)物品（商品）的“交流溝通”，自動識別物品信息，實現(xiàn)了在網(wǎng)絡上共享信息。

2 系統(tǒng)設計

數(shù)字化油田站控管理系統(tǒng)的設計是以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎實現(xiàn)的。主要以井場、聯(lián)合站等生產(chǎn)處理部門為信息數(shù)據(jù)采集地點，借助傳感器等自動采集設備，利用網(wǎng)絡微波通訊網(wǎng)、GPRS和光纖網(wǎng)，實時收集地下井筒油流數(shù)據(jù)、井周設備運行參數(shù)以及地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單的處理和格式轉化進入管控中心數(shù)據(jù)庫[2]。吐哈油田生產(chǎn)過程中涉及很多站場的運行，例如油/氣井、計量系統(tǒng)、原油處理站、聯(lián)合站、增/減壓站、注水井等，各個站場都會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)運行數(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。

2.1 站控系統(tǒng)結構

中心控制室主要是對所有前端操作運行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控與采集，它是遠程監(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)正常運行的核心[3]。

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

圖1 信號數(shù)據(jù)采集與輸出結構示意圖

信號數(shù)據(jù)采集層主要包括RTU與一次儀表，任務是采集站場的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，并進行簡單的初步處理分析、備份存檔；站控系統(tǒng)包含各類監(jiān)控軟件，信號數(shù)據(jù)監(jiān)控層借助監(jiān)控程序對站場生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)控和管理，遇到油井、計量站、原油處理站場異常運行狀態(tài)，實時報警監(jiān)控；信號數(shù)據(jù)應用層，即對采集來的生產(chǎn)信號數(shù)據(jù)進行信號轉化，轉化成能夠識別的數(shù)據(jù)，然后進行歸類、整理、分析和處理，整理成系統(tǒng)文件和報表，作為管理層做決策時的依據(jù)[4]。站控管理系統(tǒng)結構如圖2所示。

站控管理系統(tǒng)的設計主要用于原油處理站、轉油站、計量站及增壓站等生產(chǎn)運行站場的管控。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行油氣水分離處理，對原油進行提純，對油田污水回收處理，以及對分離處理的天然氣進行再加工及回收利用[5]。終端處理過程對工藝技術與工藝儀器設備要求高，站控管理系統(tǒng)利用RFID、設置控制站、采集設備、I/O模塊等儀器設備，對整個終端原油處理工藝過程進行監(jiān)控和管理，保證原油處理質量。

一般采用PLC/RTU系統(tǒng)進行站控系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)主要的功能結構包括以下內容：

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

（2）監(jiān)控站。每一級監(jiān)控站配備有主控單元、I/O模塊、標準機柜及電源。借助于100 Mbps高速以太網(wǎng)，主控單元將監(jiān)控軟件、服務器、操作站等功能模塊連接起來，構建Intranet網(wǎng)絡，實現(xiàn)對各處理站場數(shù)據(jù)的全面管理，站場數(shù)據(jù)信號的采集以及信號類型轉化功能的實現(xiàn)主要依靠I/O模塊。

（3）服務器。服務器包括中心站服務器、遠程監(jiān)視服務器、I/O服務器、前端服務器、終端服務器、報表服務器、歷史數(shù)據(jù)存檔服務器及報警服務器等。

（4）聯(lián)絡系統(tǒng)。聯(lián)絡通信系統(tǒng)支持C/S結構。站場控制站與操作站之間的聯(lián)絡通信主要由系統(tǒng)網(wǎng)絡承擔；利用總線協(xié)議，控制網(wǎng)絡主要實現(xiàn)I/O模塊和控制站之間的通信。

2.2 功能特點

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡層和應用層構成，通過感知層識別物體基本特征，再由網(wǎng)絡層對物件的信息進行傳遞，最后經(jīng)過應用層應用于大型計算機，將傳輸層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與行業(yè)工藝處理參數(shù)進行協(xié)同調整與優(yōu)化，以實現(xiàn)任何物件在網(wǎng)絡上的智能化識別和管控[6]。借助于物聯(lián)網(wǎng)技術，主要實現(xiàn)了吐哈油田數(shù)字化站場管控系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)的采集與處理，實時監(jiān)控站場運行狀態(tài)，及時優(yōu)化站場運行參數(shù)，以及為管理層提供數(shù)據(jù)報表等方面功能。

圖2 站控管理系統(tǒng)結構示意圖

（1）監(jiān)測功能。利用監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測站場（聯(lián)合站、原油處理站、計量站等）運行參數(shù)變化情況，進一步對站場儀器設備電信號（功率、頻率、電度、電壓、電流），以及對溫度、壓力、示工圖等進行監(jiān)測，起到實時監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)，保證參數(shù)運行正常的目的。

（2）遠程控制功能。監(jiān)控中心和站場現(xiàn)場位置距離遠，利用遠程控制系統(tǒng)可以起到遠距離監(jiān)控與操作的目的，可靠性強。監(jiān)控中心操作員通過觀察電參數(shù)變化，來甄別儀器設備以及工藝流程運轉狀態(tài)，對事故進行分類。

（3）報警功能。站場（井場）電力設施破壞或者被盜，破壞了正常生產(chǎn)運行狀態(tài)將立即啟動報警系統(tǒng)，對出現(xiàn)的異常情況進行聲光感應報警處理，通過對比正常狀態(tài)下的運行參數(shù)，確認整個運行環(huán)節(jié)問題所在位置，監(jiān)控中心根據(jù)報警信息做出應急決策。

（4）輔助功能。為系統(tǒng)良好運行配備了輔助軟件，以期更好地服務站場管理，輔助功能可對原油處理站精細分離油氣水進行技術監(jiān)控，為計量站計量精準確度提供監(jiān)督，對井場盜油、管道堵塞、電壓不穩(wěn)等異常情況進行監(jiān)控，整理和完善生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。

2.3 系統(tǒng)型號

根據(jù)油田數(shù)字化站場管理系統(tǒng)的要求，北京安控的SuperE50系列RTU，采用了32位ARM技術，操作系統(tǒng)集成度高、功能強大、操作方便，是一款全新的站場管理系統(tǒng)RTU產(chǎn)品。包括的功能還有數(shù)據(jù)高速計數(shù)、RTD、TC、PID、通訊聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)完全符合IEC 61131—3標準，功能性能更加強大，可與上位機完美組成控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)對站場運行狀態(tài)監(jiān)控管理。

3 應用效果

吐哈油田的站場很多，原始的管理模式已經(jīng)難以有效對站場生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行處理，生產(chǎn)管理質量低下，對于前線站場數(shù)據(jù)的處理一般需要幾個小時、甚至幾天，而且井場出現(xiàn)異常生產(chǎn)事故，需要10個小時、甚至1天的時間才能發(fā)現(xiàn)，不能實現(xiàn)跨地域協(xié)同工作，也不能對生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，嚴重影響了井場采油任務，處理效率不高。

物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，為油田數(shù)字化站場管控提供了技術支持。油田站場管控系統(tǒng)通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術，對油田遠程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、處理和分析，能夠遠程監(jiān)控站場處理工藝過程，相比以前原油處理站幾個小時的數(shù)據(jù)傳輸和分析，現(xiàn)在能實時出分析結果和各類生產(chǎn)報表，實現(xiàn)了油田現(xiàn)場生產(chǎn)與管理的實時同步。利用該系統(tǒng)自動監(jiān)控計量站的原油測量過程，準確度可控制在±0.2%的有效范圍內，對原油計量站起到了有效的生產(chǎn)管控。物聯(lián)網(wǎng)技術的應用拓展了油田勘探開發(fā)業(yè)務，是實現(xiàn)油田數(shù)字化站場有效管理的基礎，也是吐哈油田進一步發(fā)展的需要。

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

[2]紀紅．數(shù)字油田生產(chǎn)管理系統(tǒng)的建設[J]．石油規(guī)劃設計，2011，22（6）：5-6.

[3]閆學峰，檀朝東，吳曉東，等．油井生產(chǎn)實時分析優(yōu)化專家系統(tǒng)PES的研發(fā)及應用[J]．中國石油和化工，2009（11）：61～64．

[4]彭越．基于物聯(lián)網(wǎng)技術的“數(shù)字化油田”建設[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)技術的PES系統(tǒng)在青海油田的應用[J]．石油工程技術，2011（4）：51-53.

（欄目主持焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.026