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物联网背景下的数字化油田站控系统

作者:www.cechina.cn2012.11.14阅读 2511

  1引言
  物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。具体到物联网在油气田生产管理中的应用,体现在通过传感、射频、通讯、自动控制、电子信息等物联网技术,对油气水井、计量间、油气站库等生产对象进行全面的感知,实现生产数据、设备状态信息在生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制CONTROL ENGINEERING China版权所有,搭建规范、统一的数据管理平台,支持油气生产过程管理,进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。
  2数字化油田站控系统方案
  油气田生产是个多专业、跨学科的行业,运营模式主要包括勘探开发、开发生产、油气处理、油气运输、油气销售等环节。随着新资源的不断被探明,滚动开发模式也就逐渐形成。生产运营过程中产生了海量的原生数据,信息化也就成为了油气田生产不可缺少的一部分。当今信息技术的迅猛发展,加快了油田信息技术的前进步伐。为有力保证生产实时数据的及时性和准确性,首先必须明确前端的工艺要求。油气田生产远程监控分析主要的对象是抽油井、气井、注水井、计量系统、原油处理站等生产现场。
  1) 抽油井主要关注的参数负荷、压力、温度、三相电流、三相电压、功率、扭矩等数据,并形成专业的图形数据实现油井生产工况实时诊断;
  2) 气井主要采集的数据为井口的压力、温度、流量,如一级阀后的温度压力、二级阀后的温度压力、三级阀后的温度压力。根据工艺要求的不同,还有可能采集套管的压力及排除水的流量;
  3) 注水井生产远程监控系统主要关注的参数为压力、流量等,根据预先设置的配注量,对比已注入的量,参考当前的实时压力,自动调节阀门开度;
  4) 计量系统是油气田生产的重要参考依据,主要以原油计量为主。虽然计量工艺有所差别,但主要目标是计算出参考产量。主要监测的变量有各管汇压力、各管汇温度、各阀门的状态、计量液位等,并按系数计算出每次的液量,上传至中控系统。
  5) 原油处理站是整个原油开采生产中的终端工艺过程,负责下属各前端采油点(如油井)、计量站、转油站等来油的分离计量,对混输原油进行原油、水和天然气分离,实现原油提纯、污水处理、污水回注、天然气加工、原油外输等工艺过程,是实现成品原油的终端工艺,对外输原油、天然气的质量至关重要。由于涉及工艺相对复杂,设备工艺装置多,安全要求高,通过设置控制站、过程IO、远程IO、工程师站和操作站等设备实现整个站内工艺和设备的监控,实现分离计量工艺、原油处理工艺、污水处理工艺和回注工艺。
  数字化油田将导致大规模的上终端采集设备,实施维护的便利性也是必须考虑到的。油气田生产实现自动化后,实现了减员增效控制工程网版权所有,当再有大规模自动化系统需要部署时,其简便性就要在目前的基础上更简单一些。无线通讯可以非常有效的解决这一问题,通用模式、专用产品、无线通讯等等大大降低了现场施工难度,大规模建设得以实施。
  油气田生产现场环境非常恶劣,荒漠中要接受极限温度的挑战,而临海区域又要面临高湿度、高腐蚀的考验;由于供电的不方便,自动化产品还需要是低能耗的。基于这些条件的限制,一般市面的PLC显然不能胜任,也就是需要更专业的RTU产品来执行现场的自动化功能控制。
  2.1设备要求
  现场一次仪表的一般要求:
  ●一体化设计,无线数据传输
  ●微功耗设计,精确电源管理
  ●一次性锂电、太阳能供电、一次性锂电配合太阳能及时补电
  ●符合工业标准,带信道扩频
  ●符合IEEE802.15.4无线标准
  ●信道间采用直接序列扩频技术,避免干扰和提高可靠性
  ●可根据需求设置扫描时间间隔
  ●防护等级不低于IP65,防爆等级不低于ExdII BT4 可以直接应用到防爆场合
  ●工作温度-40℃~+70℃
  ●工作湿度5%RH~95%RH
  现场控制器的一般要求:
  ●专业产品,结构合理。具备很强的适应能力,直接应用于工业现场
  ●灵活的通讯方式,具备RS232、RS485、EtherNET等多种通讯接口
  ●标准的通讯协议,Modbus RTU/ASCII/TCP、TCP/IP
  ●实时数据采集功能
  ●故障主动上报功能
  ●高效的工程开发工具,符合IEC61131-3标准,支持LD、FBD、IL、ST、SFC五种程序语言
  ●友好的人机界面
  ●功能强大的硬件系统,采用32位ARM处理器,嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)
  ●先进的冗余/容错方式
  ●工作温度-40~+70℃,工作湿度5~95%RH,适应各种恶劣环境
  ●通过CE认证,达到EMC电磁兼容3级标准
  ●整机防护等级IP65
  2.2系统结构
  中心控制室是数字化田自动化生产系统的核心,采集监控所有前端系统的数据。
  监控系统SCADA系统大致可分为3层。第1层为数据采集层,由RTU与一次仪表构成,完成现场原始数据的采集与预处理。根据设计需求还可以实现现场的数据存储,以保证通讯中断后数据的连续性;第2层为数据监控层。在这层将利用各种软件远程仿真现场,实现数据的实时监控、实时报警。该层可根据对应的管理模式再分为分控中心、总控中心等,还可根据设计需求进行大量历史数据的存储;第3层为数据应用层。在应用层实现对已采集数据的分析、整理,并根据需要实现多种形式的发布。业界很多公司分别在数据采集层、数据监控层、数据应用层都拥有极其稳定的产品和丰富的系统集成经验。如图1


  图1:系统结构图

  2.3站控系统组成
  站控系统主要用于原油处理站、转油站、增压站。原油处理站是整个原油开采生产中的终端工艺过程,负责下属各前端采油点(如油井)、计量站、转油站等来油的分离计量,对混输原油进行原油、水和天然气分离,实现原油提纯、污水处理、污水回注、天然气加工、原油外输等工艺过程,是实现成品原油的终端工艺,对外输原油、天然气的质量至关重要。由于涉及工艺相对复杂,设备工艺装置多,安全要求高,通过设置控制站、过程IO、远程IO、工程师站和操作站等设备实现整个站内工艺和设备的监控,实现分离计量工艺、原油处理工艺、污水处理工艺和回注工艺。
  系统组成
  站控系统一般采用RTU/PLC系统,系统包括以下几个部分:
  1、服务器:包括I/O服务器、监视和报警服务器、报表服务器、历史趋势服务器等,服务器可兼做工程师站或操作员站使用。
  2、控制站:包括主控单元、I/O模块、电源模块及标准机柜www.cechina.cn,I/O模块完成现场信号采集、工程单位变换、连续和离散控制,主控单元通过100Mbps高速以太网和操作站、服务器、高级计算机等上位机构成企业级的Intranet网络。
  3、通信系统:包括系统网络和控制网络,完全支持C/S结构。系统网络负责现场控制站和操作员站的通讯;控制网络负责控制站和I/O模块之间的通讯,采用现场总线协议。
  4、一次仪表:包括一般的4~20mA仪表、阀门、流量计等,通过多芯铠装电缆和I/O模块相连。
  结构
  站控系统分为2层网络。一层是现场总线网络,用于连接I/O、子站与主控制器。另一个为控制网,用于连接现场控制站与操作员工作站。
  软件
  软件的核心是监控组态软件,它完成数据采集、数据处理、监控、报警管理等功能。DMS 数据库管理软件,对整个站控系统的数据提供了安全、详细的数据库管理。软件中的SQL/ODBC 模块使得组态软件的实时数据能方便地和数据库相连。
  3站控系统选型
  根据数字化油田站控系统的要求,可以选择性价比高的RTU/PLC产品www.cechina.cn,特别是民族品牌产品,近些年与国外品牌相比,在经验积累上国内企业并不占优势,单谈到技术我们并不存在多少差距。从研发角度而言国外品牌早已将研发中心建设在国内,研发和生产制造都是国产化。并没有纯粹的国外系统与中国系统之别,只不过在于品牌的差异。
  国内控制器厂家如和利时、浙大中控、北京安控等,都各自推出了站控系统产品。其中北京安控一直从事油气田自动化(数字化)产品的生产、研发和系统集成。北京安控的Super E50系列RTU是公司集多年的站控系统开发、工程经验设计的新型站控RTU产品,可实现对工业现场信号的采集和设备的控制。该产品采用了先进的32位ARM技术,高效的嵌入式操作系统,整个系统功能强大、操作方便、集成度高。不仅能胜任逻辑、定时、计数控制,还能完成数据处理、高速计数、模拟量控制、PID、RTD、TC、通讯联网等功能。其程序开发方便,符合IEC 61131-3标准,支持LD、FBD、IL、ST、SFC五种程序语言,可与上位机组成控制系统,实现集散控制。
  4实现目标
  基于物联网技术的数字化油田站控系统,建立一套覆盖油气生产、处理等全过程的物联网系统,实现生产数据自动采集、关键过程联锁控制、工艺流程可视化展示、生产过程实时监测的综合信息平台,达到强化安全管理、突出过程监控、优化管理模式,以实现优化组织结构、提高效益的目标,具体实现目标如下。
  (1)实现油气生产、处理系统的智能化管理
  ● 实现油气水井、站库的数据采集和实时监控。
  ● 在油气处理系统出现故障时的应急自动处理。
  (2)施工现场操作安全环保,实现人性化管理
  ● 对生产异常和故障进行报警,实现故障巡井,减轻生产一线员工的工作量。
  ● 保证现场操作人员的安全。
  (3)科学指导生产,降低油田开发成本
  ● 优化组织结构CONTROL ENGINEERING China版权所有,控制一线员工用工总量,实现增产不增人。
  ● 通过对生产数据的实时分析,降低油井蜡卡等停工停井数量,提高油井生产时率。
  ● 通过监测原油集输温度,实现油井冬季低温生产的常温输送,节省能源消耗。

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