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    劉曉良（1971-）男，河北灤縣人，畢業(yè)于燕山大學(xué)電氣自動化專業(yè)，工學(xué)碩士，講師，曾擔(dān)任北京科技大學(xué)自動化系教師，現(xiàn)為北京安控科技股份有限公司油氣事業(yè)部技術(shù)主管。

    摘要：文章介紹了無線儀表和無線RTU在冀東油田數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用，采用專業(yè)化的油田工控產(chǎn)品和Zigbee通信技術(shù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場油水井的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制，降低了施工成本，縮短了建設(shè)周期，為全面建設(shè)數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件。

    關(guān)鍵詞：無線；儀表；RTU；數(shù)字化

    Abstract: In this paper, we introduce the application of wireless instruments and wireless RTUs in the digitalization construction of Jidong oilfield.Professional products and Zigbee communication technology realize the remote data acquisition and control of oil and water wells, reduce the construction cost, shorten the construction period, and provide the possibility of all-round construction of digital oilfield.

    Key words: Wireless; instrument; RTU; digitalization

    井站自動化系統(tǒng)是油田地面工程自動化系統(tǒng)最底層、范圍最廣、最關(guān)鍵的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)，主要完成對現(xiàn)場井口、站點的數(shù)據(jù)采集和控制，以及現(xiàn)場視頻監(jiān)控功能。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井，以及計量配水站等。

    1 項目介紹

    中國石油冀東油田公司是中國石油天然氣集團(tuán)公司所屬地區(qū)公司，集油氣勘探、開發(fā)、研究、生產(chǎn)、銷售為一體的大型石油公司。作業(yè)區(qū)域跨唐山、秦皇島兩市，登記探礦權(quán)面積5797平方千米，有利勘探面積1570平方千米，其中：陸地面積570平方千米，灘海面積1000平方千米。

    自2000年以來，冀東油田在部分區(qū)塊已經(jīng)建立了井站自動化系統(tǒng)，典型系統(tǒng)如高尚堡作業(yè)區(qū)，覆蓋了25個計量站、約400口油井。但是原有系統(tǒng)的覆蓋面小，對于整個冀東油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現(xiàn)自動化監(jiān)控；另一方面，隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，在已有系統(tǒng)中，早期建成的部分系統(tǒng)采用的產(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)逐漸失去了先進(jìn)性，在使用維護(hù)過程中暴露出一些問題。

    冀東油田的井站自動化系統(tǒng)項目包括無線油水井監(jiān)控工程、作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完善兩大部分。前者完成對現(xiàn)場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的自動化建設(shè)，后者則針對中控室和計量站進(jìn)行建設(shè)。最終要在2010年建立起覆蓋整個油田的、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、便于使用維護(hù)的油田數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化油田的建設(shè)目標(biāo)。

    在實時監(jiān)控方面，實現(xiàn)對油井的遠(yuǎn)程示功圖采集、電量采集和中控室遠(yuǎn)程啟?？刂疲约坝嬃空镜淖詣佑嬃亢驼緝?nèi)無人值守；在生產(chǎn)管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進(jìn)行診斷分析，通過電量數(shù)據(jù)掌握油井耗電情況和采取節(jié)能措施，通過功圖計產(chǎn)、計量站量油和含水率分析制定油井管理措施；在生產(chǎn)信息方面，在各個中控室設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB發(fā)布服務(wù)器，實現(xiàn)油田生產(chǎn)信息在油田范圍內(nèi)的信息共享。

    1.1 無線油水井監(jiān)控工程

    既包括新建區(qū)塊（對原來沒有實現(xiàn)自動化的區(qū)塊進(jìn)行自動化建設(shè)），也包括老區(qū)塊改造（對已有自動化的區(qū)進(jìn)行改造和完善）。其中新建區(qū)塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約150口，此外還包括幾十口注水井；老區(qū)塊改造的油水井總數(shù)約數(shù)百口。這些油水井隸屬于共計160多個計量站，每個計量站的周邊1公里距離內(nèi)，下轄少則數(shù)個、多則20余個井口。

    各種井口要實現(xiàn)的功能見表1。

    1.2 作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完善

    項目為了完善冀東油田作業(yè)區(qū)控制系統(tǒng)，涉及到了陸上和南堡兩個采油作業(yè)區(qū)，要求軟件分別開發(fā)，功能和界面保持一致。其中陸上作業(yè)區(qū)分別在8個采油區(qū)建立控制室，實現(xiàn)各自采油區(qū)所轄油水井和集輸系統(tǒng)的自動監(jiān)控，實現(xiàn)無集中的陸上作業(yè)區(qū)SCADA中控室。

    陸上作業(yè)區(qū)的第1、2、3采油區(qū)3個控制室作為遠(yuǎn)端監(jiān)控終端，網(wǎng)絡(luò)和存儲中心設(shè)在原柳贊作業(yè)區(qū)中控室機房，配備數(shù)據(jù)和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設(shè)備；第4、5、6采油區(qū)3個控制室作為遠(yuǎn)端監(jiān)控終端，網(wǎng)絡(luò)和存儲中心設(shè)在原高尚堡作業(yè)區(qū)中控室機房，配備數(shù)據(jù)和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設(shè)備；第7、8采油區(qū)2個控制室作為遠(yuǎn)端監(jiān)控終端，網(wǎng)絡(luò)和存儲中心設(shè)在原老爺廟作業(yè)區(qū)中控室機房，配備數(shù)據(jù)和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設(shè)備。

    南堡油田采油作業(yè)區(qū)涉及陸岸平臺、NP2-3平臺、2號人工島分屬1號島采油隊、NP2-3采油隊和2號島采油隊。1號島采油隊控制室直接進(jìn)原SCADA中心；NP2-3平臺監(jiān)控設(shè)備與轉(zhuǎn)油站控制設(shè)備設(shè)在同一控制室（在建）；在2號島新建采油隊控制室。南堡作業(yè)區(qū)原SCADA中心作為南堡作業(yè)區(qū)中控室，可直接操作各采油隊監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和發(fā)布?？傮w數(shù)據(jù)采集走向見表2。

    2 井站自動化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品選型

    井站自動化系統(tǒng)主要由井口控制終端(RTU)、現(xiàn)場檢測設(shè)備、通訊鏈路、計量終端（PLC）、中心控制設(shè)備組成的一套（SCADA）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進(jìn)行井口數(shù)據(jù)通訊以及如何使數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確及時的傳輸?shù)街锌厥?，都決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和可靠性。

                                                       表1
                   

                                                  表2
                       
 
    在2010年的新系統(tǒng)建設(shè)和老區(qū)塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設(shè)的已有系統(tǒng)類似，但是在井站系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品、技術(shù)選型方面，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。

    在產(chǎn)品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化RTU產(chǎn)品和無線儀表，安控產(chǎn)品既保留了其傳統(tǒng)的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術(shù)。對于冀東油田已有系統(tǒng)的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進(jìn)行改造，擴(kuò)充出無線通信接口。

    在井站系統(tǒng)通信設(shè)計方面，井口儀表與井口RTU之間、井口RTU與計量站數(shù)據(jù)采集器之間，均采用先進(jìn)的ZigBee無線技術(shù)，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優(yōu)點，代表了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，并由此帶來施工簡化、調(diào)試維護(hù)簡單、建設(shè)周期短等優(yōu)點。計量站與上級作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信和視頻傳輸，則采用了已有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

    2.1 井站自動化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

    在高標(biāo)準(zhǔn)、高性能、高穩(wěn)定性的原則指導(dǎo)下，冀東油田井站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集部分、網(wǎng)絡(luò)通訊部分和作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心（中控室）三大部分：  

                   
                                       圖1  自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.2 產(chǎn)品選型

    在冀東井站自動化系統(tǒng)的建設(shè)中，井口相關(guān)部分選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設(shè)備。這些設(shè)備均支持ZigBee通信技術(shù)。ZigBee通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數(shù)據(jù)連接層上制定出的標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。

    北京安控科技股份有限公司（簡稱“安控科技”），是專業(yè)從事工業(yè)級RTU產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，是行業(yè)領(lǐng)先的工業(yè)級RTU產(chǎn)品供應(yīng)商和系統(tǒng)集成服務(wù)商，擁有完善的遠(yuǎn)程控制終端（RTU）產(chǎn)品鏈，擁有完善的油氣田自動化和環(huán)保在線監(jiān)測專用產(chǎn)品。

    2.2.1 無線電量模塊

    抽油機井、電潛泵井的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，選用的是北京安控公司的Super32-L308無線電量模塊，可實現(xiàn)對三相電壓、三相電流和對抽油機的啟?？刂埔约盃顟B(tài)采集。

    模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個RS232接口、1個RS485接口，內(nèi)置了高性能的Zigbee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線。

                           

    Super32-L308無線電量模塊采用先進(jìn)的32位處理器，不僅能完成邏輯運算、定時、計數(shù)控制，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。
                         
                      

    與同類RTU相比，具有更大的存儲容量，更強的計算功能，更簡便的編程與開發(fā)能力；強大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標(biāo)特性，能夠適應(yīng)各種惡劣工況環(huán)境。通過無線通訊協(xié)議與計量間無線數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

    2.2.2 無線載荷位移傳感器

    抽油機井選用了北京安控公司的SZ902N型號無線載荷位移傳感器，可自動測量功圖和自動測量沖次，實現(xiàn)對有桿泵示功圖的采集。示功圖數(shù)據(jù)以Zigbee無線通信方式，傳輸?shù)骄跓o線電量模塊和計量站無線數(shù)據(jù)采集器通信主站。
                         
                      

    SZ902N型號無線載荷位移傳感器，設(shè)備簡單，只有一個與傳統(tǒng)載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統(tǒng)的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線儀表電纜敷設(shè)的施工量，安裝簡化快捷；運行穩(wěn)定，使用電池供電，可消除外界電網(wǎng)干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動，不易被人為破壞；技術(shù)先進(jìn)，可設(shè)置多個頻點，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產(chǎn)品，利用太陽能充電安全環(huán)保。通過無線通訊協(xié)議與計量間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
   

    2.2.3 無線壓力變送器

    無線壓力變送器選用的是北京安控公司的SZ903D產(chǎn)品，實時監(jiān)測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線壓力傳感器，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設(shè)計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應(yīng)用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與計量間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

    2.2.4 無線網(wǎng)關(guān)

    螺桿泵井采集器和計量站無線數(shù)據(jù)采集器主站，均選用了北京安控公司的SZ932無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。該設(shè)備具有1個Zigbee無線接口、1個RS485接口、1個RS232接口、1個TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，因此可以廣泛用于以下場合：
                 
                    

    （1）實現(xiàn)第三方產(chǎn)品的協(xié)議轉(zhuǎn)換；

    （2）實現(xiàn)有線通信和無線通信之間的轉(zhuǎn)換；

    （3）作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將有線RS232/RS485或者無線通信轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

    在冀東井站自動化系統(tǒng)中，SZ932無線采集器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊協(xié)議對螺桿泵變頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后以Zigbee無線方式，將螺桿泵變頻器數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃空荆瑥亩鴿M足了第三方產(chǎn)品設(shè)備更好的接入。

    另外，每個計量站的無線數(shù)據(jù)采集器同樣也采用了SZ932無線網(wǎng)關(guān)。其作為井口設(shè)備的通信主站，以Zigbee短距離無線通信方式，與現(xiàn)場無線儀表或無線RTU通信；然后經(jīng)網(wǎng)關(guān)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶鳂I(yè)區(qū)監(jiān)控中心的上位機系統(tǒng)。

    2.3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

    從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，通信設(shè)計采取了無線和有線相結(jié)合的方式，達(dá)到實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、遠(yuǎn)程控制等效果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應(yīng)用。

    2.3.1 無線應(yīng)用部分

    每個計量站下轄的井口，一般分布在以計量站為中心、半徑1公里以內(nèi)，相對比較集中。采用短距離無線技術(shù)可以節(jié)省成本同時也降低了施工強度。采用ZigBee無線技術(shù)，應(yīng)用在現(xiàn)場無線儀表和無線RTU與計量站無線數(shù)據(jù)采集器之間的通訊上。

    無線技術(shù)采用的是Zi gBe e的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250Kbit/s、
20Kbit/s和40Kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10~75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。

    2.3.2 有線應(yīng)用部分

    計量站是分散的，且與作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心的距離相對較遠(yuǎn)。井口采集數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)要統(tǒng)一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)通訊量大的光纖作為媒介，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和穩(wěn)定性。

    3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

    數(shù)據(jù)采集包括井口數(shù)據(jù)采集、計量站數(shù)據(jù)采集和作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心。

    3.1 井口數(shù)據(jù)采集部分

    （1）功圖法量油

    在井場，井場配套無線載荷位移傳感器SZ902N，實現(xiàn)油井功圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產(chǎn)量情況和分析故障原因。

    （2）電參采集、油井壓力采集

    在抽油機控制箱配套無線電量模塊Super32-L308，監(jiān)測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警，并能根據(jù)控制中心命令實現(xiàn)啟停控制。

    在油井上安裝無線壓力傳感器SZ903D，實時監(jiān)測油壓和套壓的變化。

    （3）螺桿泵井

    在螺桿泵井控制箱內(nèi)配套無線采集模塊SZ932，無線采集模塊SZ932提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進(jìn)行通訊。采集變頻實時數(shù)據(jù)，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，并據(jù)此制定節(jié)能降耗措施。

    （4）電潛泵井

    在電潛泵井控制箱內(nèi)配套無線電量模塊Super32-L308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進(jìn)行實時監(jiān)控。

    （5）注水井

    在注水井安裝無線壓力變送器SZ903D，實時監(jiān)測注水井壓力的變化。

    3.2 計量站數(shù)據(jù)采集部分

    （1）計量站無線采集主站

    計量站無線采集器SZ932實現(xiàn)了兩級通信方式：每個計量站下轄的現(xiàn)場無線儀表和無線控制器的數(shù)據(jù)，首先要傳輸?shù)接嬃空緹o線數(shù)據(jù)采集器主站，然后再經(jīng)網(wǎng)關(guān)集中批量地傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)。

    兩級通信方式的優(yōu)點：將井口無線儀表和設(shè)備，首先以計量站為單元，分別獨立地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提高了采集效率，縮短了輪訓(xùn)周期；而作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則只需與計量站無線數(shù)據(jù)采集器通信，而不必直接面對現(xiàn)場數(shù)以千計、輸出接口各異的設(shè)備（儀表、電量采集單元、變頻器等），降低了中控室上位軟件的工作負(fù)荷和軟件復(fù)雜性。

    （2）計量站PLC

    計量站采用的是西門子的S7-300系列PLC，實現(xiàn)對計量間內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、計算和控制。實現(xiàn)計量站的無人值守功能。

    3.3 作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心部分

    中控室數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），主要實現(xiàn)流程監(jiān)控，功圖分析，生產(chǎn)曲線、報表生成，操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統(tǒng)運行可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕了調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)了油田調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，在提高調(diào)度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。

    4 無線井站自動化系統(tǒng)的優(yōu)點、效益分析

    與傳統(tǒng)的產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設(shè)計相比，冀東無線井站自動化系統(tǒng)在建設(shè)和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點：

    4.1 施工簡便、低成本，節(jié)省材料和人工

    油田傳統(tǒng)的井站自動化系統(tǒng)的建設(shè)方式，以冀東原有的老區(qū)塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設(shè)信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護(hù)管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。

而在無線井站自動化系統(tǒng)中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調(diào)試，施工成本被降到了最低。

    4.2 施工快捷，建設(shè)周期短，便于后期維護(hù)

    由于新系統(tǒng)的建設(shè)省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數(shù)倍。

    以北京安控公司生產(chǎn)的U型無線載荷傳感器的安裝為例，傳統(tǒng)的信號電纜敷設(shè)和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設(shè)的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內(nèi)。

    井場內(nèi)自動化設(shè)備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產(chǎn)。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高。

在系統(tǒng)的后期維護(hù)方面，冀東老區(qū)塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線產(chǎn)品則免除了這一問題。

    4.3 適合于規(guī)模施工，全面建設(shè)數(shù)字化油田

    隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的進(jìn)步，特別是國產(chǎn)設(shè)備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產(chǎn)品的采購成本已經(jīng)逐漸降低；而無線技術(shù)的應(yīng)用，則帶來了施工費用的大大降低。

    僅僅在數(shù)年以前，油田自動化建設(shè)的投資還只能針對重點區(qū)塊、建設(shè)重點工程。而目前最新的技術(shù)和產(chǎn)品，則為全面建設(shè)數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件。

    摘自《自動化博覽》2010年第十期