摘要

　　基于物聯網技術的數字化油氣田建設，應用了傳感器技術、自控技術、通信網絡技術等新技術，通過對各類井站、場站、閥室日常生產數據和視頻圖片的采集、存儲、傳輸與轉換，可有效解決基層單位數據重復錄入問題，減少人工勞動強度，提高原始數據采集的準確度和實時性，同時還建有支撐上層各類綜合應用的發展，實現一次采集、集中管理、多業務應用的功能。

　　1引言

　　物聯網是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。具體到物聯網在油氣田生產管理中的應用，體現在通過傳感、射頻、通訊、自動控制、電子信息等物聯網技術，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產對象進行全面的感知，實現生產數據、設備狀態信息在生產指揮中心及生產控制中心集中管理和控制，搭建規范、統一的數據管理平臺，支持油氣生產過程管理，進一步提高油氣田生產決策的及時性和準確性。

　　2數字化油田站控系統方案

　　油氣田生產是個多專業、跨學科的行業，運營模式主要包括勘探開發、開發生產、油氣處理、油氣運輸、油氣銷售等環節。隨著新資源的不斷被探明，滾動開發模式也就逐漸形成。生產運營過程中產生了海量的原生數據，信息化也就成為了油氣田生產不可缺少的一部分。當今信息技術的迅猛發展，加快了油田信息技術的前進步伐。為有力保證生產實時數據的及時性和準確性，首先必須明確前端的工藝要求。油氣田生產遠程監控分析主要的對象是抽油井、氣井、注水井、計量系統、原油處理站等生產現場。

　　1) 抽油井主要關注的參數負荷、壓力、溫度、三相電流、三相電壓、功率、扭矩等數據，并形成專業的圖形數據實現油井生產工況實時診斷;

　　2) 氣井主要采集的數據為井口的壓力、溫度、流量，如一級閥后的溫度壓力、二級閥后的溫度壓力、三級閥后的溫度壓力。根據工藝要求的不同，還有可能采集套管的壓力及排除水的流量;

　　3) 注水井生產遠程監控系統主要關注的參數為壓力、流量等，根據預先設置的配注量，對比已注入的量，參考當前的實時壓力，自動調節閥門開度;

　　4) 計量系統是油氣田生產的重要參考依據，主要以原油計量為主。雖然計量工藝有所差別，但主要目標是計算出參考產量。主要監測的變量有各管匯壓力、各管匯溫度、各閥門的狀態、計量液位等，并按系數計算出每次的液量，上傳至中控系統。

　　5) 原油處理站是整個原油開采生產中的終端工藝過程，負責下屬各前端采油點(如油井)、計量站、轉油站等來油的分離計量，對混輸原油進行原油、水和天然氣分離，實現原油提純、污水處理、污水回注、天然氣加工、原油外輸等工藝過程，是實現成品原油的終端工藝，對外輸原油、天然氣的質量至關重要。由于涉及工藝相對復雜，設備工藝裝置多，安全要求高，通過設置控制站、過程IO、遠程IO、工程師站和操作站等設備實現整個站內工藝和設備的監控，實現分離計量工藝、原油處理工藝、污水處理工藝和回注工藝。

　　數字化油田將導致大規模的上終端采集設備，實施維護的便利性也是必須考慮到的。油氣田生產實現自動化后，實現了減員增效，當再有大規模自動化系統需要部署時，其簡便性就要在目前的基礎上更簡單一些。無線通訊可以非常有效的解決這一問題，通用模式、專用產品、無線通訊等等大大降低了現場施工難度，大規模建設得以實施。

　　油氣田生產現場環境非常惡劣，荒漠中要接受極限溫度的挑戰，而臨海區域又要面臨高濕度、高腐蝕的考驗;由于供電的不方便，自動化產品還需要是低能耗的。基于這些條件的限制，一般市面的PLC顯然不能勝任，也就是需要更專業的RTU產品來執行現場的自動化功能控制。

　　2.1設備要求

　　現場一次儀表的一般要求：

　　n 一體化設計，無線數據傳輸

　　n 微功耗設計，精確電源管理

　　n 一次性鋰電、太陽能供電、一次性鋰電配合太陽能及時補電

　　n 符合工業標準，帶信道擴頻

　　符合IEEE802.15.4無線標準

　　信道間采用直接序列擴頻技術，避免干擾和提高可靠性

　　n 可根據需求設置掃描時間間隔

　　n 防護等級不低于IP65，防爆等級不低于ExdII BT4 可以直接應用到防爆場合

　　n 工作溫度-40℃～+70℃

　　n 工作濕度5%RH～95%RH

　　現場控制器的一般要求：

　　n 專業產品，結構合理。具備很強的適應能力，直接應用于工業現場

　　n 靈活的通訊方式，具備RS232、RS485、EtherNET等多種通訊接口

　　n 標準的通訊協議，Modbus RTU/ASCII/TCP、TCP/IP

　　n 實時數據采集功能

　　n 故障主動上報功能

　　n 高效的工程開發工具，符合IEC61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言

　　n 友好的人機界面

　　n 功能強大的硬件系統，采用32位ARM處理器，嵌入式實時多任務操作系統(RTOS)

　　n 先進的冗余/容錯方式

　　n 工作溫度-40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應各種惡劣環境

　　n 通過CE認證，達到EMC電磁兼容3級標準

　　n 整機防護等級IP65

　　2.2系統結構

　　中心控制室是數字化田自動化生產系統的核心，采集監控所有前端系統的數據。

　　監控系統SCADA系統大致可分為3層。第1層為數據采集層，由RTU與一次儀表構成，完成現場原始數據的采集與預處理。根據設計需求還可以實現現場的數據存儲，以保證通訊中斷后數據的連續性;第2層為數據監控層。在這層將利用各種軟件遠程仿真現場，實現數據的實時監控、實時報警。該層可根據對應的管理模式再分為分控中心、總控中心等，還可根據設計需求進行大量歷史數據的存儲;第3層為數據應用層。在應用層實現對已采集數據的分析、整理，并根據需要實現多種形式的發布。業界很多公司分別在數據采集層、數據監控層、數據應用層都擁有極其穩定的產品和豐富的系統集成經驗。如圖1

　　圖1：系統結構圖

　　2.3站控系統組成

　　站控系統主要用于原油處理站、轉油站、增壓站。原油處理站是整個原油開采生產中的終端工藝過程，負責下屬各前端采油點(如油井)、計量站、轉油站等來油的分離計量，對混輸原油進行原油、水和天然氣分離，實現原油提純、污水處理、污水回注、天然氣加工、原油外輸等工藝過程，是實現成品原油的終端工藝，對外輸原油、天然氣的質量至關重要。由于涉及工藝相對復雜，設備工藝裝置多，安全要求高，通過設置控制站、過程IO、遠程IO、工程師站和操作站等設備實現整個站內工藝和設備的監控，實現分離計量工藝、原油處理工藝、污水處理工藝和回注工藝。

　　系統組成

　　站控系統一般采用RTU/PLC系統，系統包括以下幾個部分：

　　1、服務器：包括I/O服務器、監視和報警服務器、報表服務器、歷史趨勢服務器等，服務器可兼做工程師站或操作員站使用。

　　2、控制站：包括主控單元、I/O模塊、電源模塊及標準機柜，I/O模塊完成現場信號采集、工程單位變換、連續和離散控制，主控單元通過100Mbps高速以太網和操作站、服務器、高級計算機等上位機構成企業級的Intranet網絡。

　　3、通信系統：包括系統網絡和控制網絡，完全支持C/S結構。系統網絡負責現場控制站和操作員站的通訊;控制網絡負責控制站和I/O模塊之間的通訊，采用現場總線協議。

　　4、一次儀表：包括一般的4~20mA儀表、閥門、流量計等，通過多芯鎧裝電纜和I/O模塊相連。

　　結構

　　站控系統分為2層網絡。一層是現場總線網絡，用于連接I/O、子站與主控制器。另一個為控制網，用于連接現場控制站與操作員工作站。

　　軟件

　　軟件的核心是監控組態軟件，它完成數據采集、數據處理、監控、報警管理等功能。DMS 數據庫管理軟件，對整個站控系統的數據提供了安全、詳細的數據庫管理。軟件中的SQL/ODBC 模塊使得組態軟件的實時數據能方便地和數據庫相連。

　　3站控系統選型

　　根據數字化油田站控系統的要求，可以選擇性價比高的RTU/PLC產品，特別是民族品牌產品，近些年與國外品牌相比，在經驗積累上國內企業并不占優勢，單談到技術我們并不存在多少差距。從研發角度而言國外品牌早已將研發中心建設在國內，研發和生產制造都是國產化。并沒有純粹的國外系統與中國系統之別，只不過在于品牌的差異。

　　國內控制器廠家如和利時、浙大中控、北京安控等，都各自推出了站控系統產品。其中北京安控一直從事油氣田自動化(數字化)產品的生產、研發和系統集成。北京安控的Super E50系列RTU是公司集多年的站控系統開發、工程經驗設計的新型站控RTU產品，可實現對工業現場信號的采集和設備的控制。該產品采用了先進的32位ARM技術，高效的嵌入式操作系統，整個系統功能強大、操作方便、集成度高。不僅能勝任邏輯、定時、計數控制，還能完成數據處理、高速計數、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯網等功能。其程序開發方便，符合IEC 61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言，可與上位機組成控制系統，實現集散控制。

　　4實現目標

　　基于物聯網技術的數字化油田站控系統，建立一套覆蓋油氣生產、處理等全過程的物聯網系統，實現生產數據自動采集、關鍵過程聯鎖控制、工藝流程可視化展示、生產過程實時監測的綜合信息平臺，達到強化安全管理、突出過程監控、優化管理模式，以實現優化組織結構、提高效益的目標，具體實現目標如下。

　　(1)實現油氣生產、處理系統的智能化管理

　　• 實現油氣水井、站庫的數據采集和實時監控。

　　• 在油氣處理系統出現故障時的應急自動處理。

　　(2)施工現場操作安全環保，實現人性化管理

　　• 對生產異常和故障進行報警，實現故障巡井，減輕生產一線員工的工作量。

　　• 保證現場操作人員的安全。

　　(3)科學指導生產，降低油田開發成本

　　• 優化組織結構，控制一線員工用工總量，實現增產不增人。

　　• 通過對生產數據的實時分析，降低油井蠟卡等停工停井數量，提高油井生產時率。

　　• 通過監測原油集輸溫度，實現油井冬季低溫生產的常溫輸送，節省能源消耗。