无线仪表及无线RTU在冀东数字化油田建设中的应用———无线仪表

［编辑简介］：为实现数字化油田的建设目标，冀东油田的井站自动化系统项目采用了北京安控公司提供的无线仪表及无线RTU构成SCADA系统。本文详细介绍了该工程背景、系统的总体结构设计和产品选型以及系统实现的功能，最后对系统优点及效益进行分析。［摘要］：井站自动化系统是油田地面工程自动化系统最底层、范围最广、最关键的现场级控制系统，主要完成对现场井口、站点的数据采集和控制，以及现场视频监控功能。［关键词］：无线仪表 无线RTU SCADA系统 数字化油田        井站自动化系统是油田地面工程自动化系统最底层、范围最广、最关键的现场级控制系统，主要完成对现场井口、站点的数据采集和控制，以及现场视频监控功能。包括：抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井，以及计量配水站等。
  1.项目介绍
          中国石油冀东油田公司是中国石油天然气集团公司所属地区公司，集油气勘探、开发、研究、生产、销售为一体的大型石油公司。作业区域跨唐山、秦皇岛两市，登记探矿权面积5797平方千米，有利勘探面积1570平方千米，其中：陆地面积570平方千米，滩海面积1000平方千米。
        自2000年以以来，冀东油田在部分区块已经建立了井站自动化系统，典型系统如高尚堡作业区，覆盖了25个计量站、约400口油井。但是原有系统的覆盖面小，对于整个冀东油田而言，仍有一半以上的井口、站点尚未实现自动化监控；另一方面，随着电子技术、通信技术的发展，在已有系统中，早期建成的部分系统采用的产品和技术已经逐渐失去了先进性，在使用维护过程中暴露出的一些问题。
        2010年冀东油田的井站自动化系统项目，包括无线油水井监控工程、作业区远程监控系统完善两大部分。前者完成对现场的抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井的自动化建设，后者则针对中控室和计量站进行建设。最终要在2010年建立起覆盖整个油田的、技术先进、质量可靠、便于使用维护的油田数据采集和监控（SCADA）系统，实现数字化油田的建设目标。
        在实时监控方面，实现对油井的远程示功图采集、电量采集和中控室远程启停控制，以及计量站的自动计量和站内无人值守；在生产管理方面，通过抽油机示功图对油井工况进行诊断分析，通过电量数据掌握油井耗电情况和采取节能措施，通过功图计产、计量站量油和含水率分析制定油井管理措施；在生产信息方面，在各个中控室设置数据库服务器和WEB发布服务器，实现油田生产信息在油田范围内的信息共享。
  1.1无线油水井监控工程
           既包括新建区块（对原来没有实现自动化的区块进行自动化建设），也包括老区块改造（对已有自动化的区进行改造和完善）。其中新建区块的抽油机井约1000口、螺杆泵井约100口、电潜泵井约150口，此外还包括几十口注水井；老区块改造的油水井总数约数百口。这些油水井隶属于共计160多个计量站，每个计量站的周边1公里距离内，下辖少则数个、多则20余个井口。
  各种井口要实现的功能如下：
  
   
  1.2作业区远程监控系统完善
          项目为了完善冀东油田作业区控制系统，涉及到了陆上和南堡两个采油作业区，要求软件分别开发，功能和界面保持一致。其中陆上作业区分别在8个采油区建立控制室，实现各自采油区所辖油水井和集输系统的自动监控，实现无集中的陆上作业区SCADA中控室。
        陆上作业区的第1、2、3采油区3个控制室作为远端监控终端，网络和存储中心设在原柳赞作业区中控室机房，配备数据和发布服务器、交换机等设备；第4、5、6采油区3个控制室作为远端监控终端，网络和存储中心设在原高尚堡作业区中控室机房，配备数据和发布服务器、交换机等设备；第7、8采油区2个控制室作为远端监控终端，网络和存储中心设在原老爷庙作业区中控室机房，配备数据和发布服务器、交换机等设备。
       南堡油田采油作业区涉及陆岸平台、NP2-3平台、2号人工岛分属1号岛采油队、NP2-3采油队和2号岛采油队。1号岛采油队控制室直接进原SCADA中心；NP2-3平台监控设备与转油站控制设备设在同一控制室（在建）；在2号岛新建采油队控制室。南堡作业区原SCADA中心作为南堡作业区中控室，可直接操作各采油队监控设备，进行数据存储和发布。
  总体数据采集走向如下图:
  
  2.井站自动化系统的总体结构设计和产品选型
          井站自动化系统主要由井口控制终端(RTU)、现场检测设备、通讯链路、计量终端（PLC）、中心控制设备组成的一套（SCADA）数据采集控制系统。如何选用功能完备的RTU和检测仪表、如何选用可靠的通讯方式进行井口数据通讯以及如何使数据稳定准确及时的传输到中控室，都决定了系统的稳定性、实用性和可靠性。
        在2010年的新系统建设和老区块改造项目中，尽管各种油水井的功能同以前建设的已有系统类似，但是在井站系统的通信系统设计和产品、技术选型方面，却发生了本质的变化。
        在产品选型方面，选用北京安控科技股份有限公司最新生产的高性能一体化RTU产品和无线仪表，安控产品既保留了其传统的高性能、高可靠性等特点，同时又全面支持最新的ZigBee无线技术。对于冀东油田已有系统的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee无线通信模块进行改造，扩充出无线通信接口。
在井站系统通信设计方面，井口仪表与井口RTU之间、井口RTU与计量站数据采集器之间，均采用先进的ZigBee无线技术，具备大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的优点，代表了短距离无线通信技术的发展趋势，并由此带来施工简化、调试维护简单、建设周期短等优点。计量站与上级作业区监控中心之间的数据通信和视频传输，则采用了已有的光纤通信网络。
  2.1井站自动化系统的总体结构
          在高标准、高性能、高稳定性的原则指导下，冀东油田井站自动化系统结构如下图所示，包括数据采集部分、网络通讯部分和作业区监控中心（中控室）三大部分：
  
  
2.2产品选型
           在冀东井站自动化系统的建设中，井口相关部分选用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制设备。这些设备均支持ZigBee通信技术。ZigBee通信技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4物理层、MAC层和数据连接层上制定出的标准，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。
        北京安控科技股份有限公司（简称“安控科技”），是专业从事工业级RTU产品研发、生产、销售和系统集成业务的高新技术企业，是行业领先的工业级RTU产品供应商和系统集成服务商，拥有完善的远程控制终端（RTU）产品链，拥有完善的油气田自动化和环保在线监测专用产品。
  2.2.1无线电量模块
           抽油机井、电潜泵井的数据采集设备，选用的是北京安控公司的Super32-L308无线电量模块，可实现对三相电压、三相电流和对抽油机的启停控制以及状态采集。模块具备6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具备1个RS232接口、1个RS485接口，内置了高性能的Zigbee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天线。
        Super32-L308无线电量模块采用先进的32位处理器，不仅能完成逻辑运算、定时、计数控制，还能实现数据处理、通讯联网等功能。与同类RTU相比，具有更大的存储容量，更强的计算功能，更简便的编程与开发能力；强大的通讯组网能力和卓越的环境指标特性，能够适应各种恶劣工况环境。通过无线通讯协议与计量间无线数据采集器进行数据通讯。

  
   
  2.2.2无线载荷位移传感器
          抽油机井选用了北京安控公司的SZ902N型号无线载荷位移传感器，可自动测量功图和自动测量冲次，实现对有杆泵示功图的采集。示功图数据以Zigbee无线通信方式，传输到井口无线电量模块和计量站无线数据采集器通信主站。
       SZ902N型号无线载荷位移传感器，设备简单，只有一个与传统载荷传感器相似的终端组成；安装方便，与传统的载荷传感器安装方法相同，但是免去了有线仪表电缆敷设的施工量，安装简化快捷；运行稳定，使用电池供电，可消除外界电网干扰；安全防盗，示功仪与卡锁一起上下运动，不易被人为破坏；技术先进，可设置多个频点，避免同频干扰；方法新颖，利用加速度传感器获取位移量；绿色产品，利用太阳能充电安全环保。通过无线通讯协议与计量间进行数据通讯。

  
   
  2.2.3无线压力变送器
  
   
          无线压力变送器选用的是北京安控公司的SZ903D产品，实时监测油压、油套的压力和注水井注水压力。SZ903D无线压力传感器，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与计量间进行数据通讯。
  2.2.4无线网关
           螺杆泵井采集器和计量站无线数据采集器主站，均选用了北京安控公司的SZ932无线网关产品。该设备具有1个Zigbee无线接口、1个RS485接口、1个RS232接口、1个TCP/IP网络接口，因此可以广泛用于以下场合：
（1）实现第三方产品的协议转换；
（2）实现有线通信和无线通信之间的转换。
（3）作为网关设备，将有线RS232/RS485或者无线通信转换为网络数据传输；
        在冀东井站自动化系统中，SZ932无线采集器可以通过标准的RS485通讯协议对螺杆泵变频数据进行采集，然后以Zigbee无线方式，将螺杆泵变频器数据传输到计量站，从而满足了第三方产品设备更好的接入。
        另外，每个计量站的无线数据采集器同样也采用了SZ932无线网关。其作为井口设备的通信主站，以Zigbee短距离无线通信方式，与现场无线仪表或无线RTU通信；然后经网关通过光纤网络传输到作业区监控中心的上位机系统。
  
   
  2.3网络通信设计
  
        从系统结构图可以看出，通信设计采取了无线和有线相结合的方式，达到实时数据采集、传输、远程控制等效果，并将相应数据传输至后台网络，实现后台信息共享，信息管理等应用。
  
2.3.1无线应用部分
  
        每个计量站下辖的井口，一般分布在以计量站为中心、半径1公里以内，相对比较集中。采用短距离无线技术可以节省成本同时也降低了施工强度。采用ZigBee无线技术，应用在现场无线仪表和无线RTU与计量站无线数据采集器之间的通讯上。
      无线技术采用的是ZigBee的无线网络协议，ZigBee是一种无线连接，可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)915MHZ(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。
  
2.3.2有线应用部分
  
        计量站是分散的，且与作业区监控中心的距离相对较远。井口采集数据和视频监控数据要统一传送到中控室，采取了抗干扰能力强、传输距离远、数据通讯量大的光纤作为媒介，以保证数据传输的实时性、可靠性和稳定性。
  3．系统实现的功能
  
数据采集包括井口数据采集、计量站数据采集和作业区监控中心。
  
3.1井口数据采集部分
  
1) 功图法量油
        在井场，井场配套无线载荷位移传感器SZ902N，实现油井功图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的示功图量油诊断软件，及时掌握油井产量情况和分析故障原因。
2）电参采集、油井压力采集
        在抽油机控制箱配套无线电量模块Super32-L308，监测抽油机上下行过程中三相电流和三相电压的变化情况；监视抽油机运行状态，对电机缺相、过载、空转等故障实现自动报警，并能根据控制中心命令实现启停控制。
       在油井上安装无线压力传感器SZ903D，实时监测油压和套压的变化。
3）螺杆泵井
        在螺杆泵井控制箱内配套无线采集模块SZ932，无线采集模块SZ932提供了标准的RS485接口，能够与螺杆泵控制变频进行通讯。采集变频实时数据，了解三相电压、三相电流、电功率、功率因数和电能等参数，并据此制定节能降耗措施。
4）电潜泵井
         在电潜泵井控制箱内配套无线电量模块Super32-L308，通过电流互感器对电泵井的三相电流进行实时监控。
5）注水井
  在注水井安装无线压力变送器SZ903D，实时监测注水井压力的变化。
  3.2计量站数据采集部分
  1）计量站无线采集主站
          计量站无线采集器SZ932实现了两级通信方式：每个计量站下辖的现场无线仪表和无线控制器的数据，首先要传输到计量站无线数据采集器主站，然后再经网关集中批量地传输到上位机系统。
两级通信方式的优点：将井口无线仪表和设备，首先以计量站为单元，分别独立地进行数据采集，提高了采集效率，缩短了轮训周期；而作业区监控中心则只需与计量站无线数据采集器通信，而不必直接面对现场数以千计、输出接口各异的设备（仪表、电量采集单元、变频器等），降低了中控室上位软件的工作负荷和软件复杂性。
  2)计量站PLC
          计量站采用的是西门子的S7-300系列PLC，实现对计量间内数据的采集、计算和控制。实现计量站的无人值守功能。
  3.3作业区监控中心部分
          中控室数据采集与监视控制系统（SCADA）系统，主要实现流程监控、功图分析、生产曲线、报表生成、操作日志和报警等功能。有着信息完整、提高工作效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势。提高了油田油井系统运行可靠性、安全性与经济效益，减轻了调度员的负担，实现了油田调度自动化与现代化，在提高调度人员的工作效率和操作水平方面有着不可替代的作用。
  4．无线井站自动化系统的优点、效益分析
          与传统的产品选型和系统设计相比，冀东无线井站自动化系统在建设和使用中均显示出了独特的优点：
  4.1施工简便、低成本，节省材料和人工
            油田传统的井站自动化系统的建设方式，以冀东原有的老区块为例，采用的是模拟仪表和有线通信传输。模拟仪表传输和有线通信方式，在施工安装过程中不可避免地需要敷设信号电缆、通信电缆（如RS485电缆），涉及到在井场挖沟和安装电缆护管等。人工费用和材料费用造成施工成本高。
         而在无线井站自动化系统中，这一部分的施工费用不存在了，信号传输和通信传输均简化为无线通信的调试，施工成本被降到了最低。
  4.2施工快捷，建设周期短，便于后期维护
            由于新系统的建设省略了在井场动土挖沟、动火电焊等施工，因此施工速度提高了数倍。
以北京安控公司生产的U型无线载荷传感器的安装为例，传统的信号电缆敷设和传感器安装需要至少半小时以上，而该传感器减少了安装抽油机光杆卡子和电缆敷设的时间，因此正常的安装时间缩短到了10分钟以内。
         井场内自动化设备的安装施工中，都需要对油井停机停电，而停机就意味着油井减产。因此从这个意义而言，施工速度的提高就等于是生产效益的提高。
在系统的后期维护方面，冀东老区块原有的信号和通信电缆，在修井作业中经常被重型车辆轧断和遭到人为破坏。而无线产品则免除了这一问题
。
4.3适合于规模施工，全面建设数字化油田
          随着电子技术、计算机技术的进步，特别是国产设备的推陈出新，油田专用的RTU、PLC产品的采购成本已经逐渐降低；而无线技术的应用，则带来了施工费用的大大降低。
        仅仅在数年以前，油田自动化建设的投资还只能针对重点区块、建设重点工程。而目前最新的技术和产品，则为全面建设数字化油田创造了条件。