物聯網背景下的數字化油田站控系統

北京安控科技股份有限公司 韓衛國

1 前言

1.1 物聯網概述

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。物聯網的本質內涵是3C(Computation,Communication,Control)融合，是基于計算進程與物理進程深度融合的新計算模式，是計算、通信、控制與物理等多學科的交叉與融合。物聯網的功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實現對物體實施智能化的控制與管理。

物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網絡中，物品（商品）能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預。其實質是利用射頻自動識別（RFID）技術，通過計算機互聯網實現物品（商品）的自動識別和信息的互聯與共享。物聯網可分為三層：一是感知層，即物聯網的皮膚和五官識別物體，采集信息；二是網絡層，即物聯網的神經中樞和大腦信息傳遞和處理；三是應用層，即物聯網與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現行業智能化。

1.2 數字油田與物聯網

在物聯網技術支持下的“數字化油田”是把地震區、井場、站庫等油田生產制造現場為數據采集源點；采用自動化數據采集設備（比如傳感器），通過局域光纖網、GPRS/CDMA、微波通訊網等傳輸手段，將地震數據、井下測量的地層和井筒數據、井口測量的設備運行和流體屬性數據等海量數據實時采集進入信息管理中心的數據倉庫；按照科學的過程如數據模型進行數據的組織與管理，在此基礎上通過大量的業務模型進行知識集成，通過應用智能識別、數據融合、移動計算、云計算等技術，進而支持石油地質綜合研究、油藏分析等科學研究和在線模擬，完成生產實時診斷，科學研究的成果支持油田生產的綜合決策，決策信息反饋到生產制造現場進而完成環境監測、單元整合、過程模擬、參數優化和控制。運用物聯網技術構建數字化油田，不僅可以實現跨地域協同工作，緊密連接生產經營的各個環節，還可以實現油田業務與技術的整合、油田數據集成、油田狀態自動監測以及地面建設全面信息化。同時，還可以建立虛擬的數字地質模型，實現油藏描述的可視化和互動性。

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。

（1）抽油井主要關注參數負荷、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應用終端設備，實施維護的便利性是必須考慮的。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，對于簡便性的要求進一步提高。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 系統結構

中心控制室是數字化油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，如圖1所示。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。

圖1 系統結構圖

2.2 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。

2.2.1 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

2.2.2 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。另一層為控制網，用于連接現場控制站與操作員工作站。

2.2.3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。

2.3 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，但談到技術我們并不存在多少差距。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SuperE50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。

3 應用前景與展望

油氣田物聯網作為一項新技術也將逐漸應用到油田生產實踐中。基于物聯網技術的數字化油田建設，在油田數據采集、遠程監測、物資管理以及地面全面信息化等領域有非常廣闊的應用前景，不僅可以實現跨地域協同工作，緊密連接生產的各個環節，還可以實現油田業務與技術的整合，進一步優化油田生產經營管理，拓寬油田勘探開發業務。運用物聯網技術構建數字化油田，是油田信息化建設的有效途徑。隨著油田勘探開發的進一步深入、信息采集與智能計算技術的迅速發展、互聯網與移動通信網的廣泛應用以及與傳感網結合的不斷深入，油田大規模運用物聯網的時機日趨成熟。