海上油田電潛泵工況遠程監控系統設計

李志鵬

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452)

海上油田電潛泵工況遠程監控系統以海洋石油內部以太網作為媒介進行數據遠程傳輸，并在中心平臺或陸地設置數據監控服務器，從而實現對海洋石油平臺生產現場的機采井電潛泵及井下泵工況數據進行實時采集、動態監控及數據管理分析。該系統的應用能夠有效減少油井生產故障應急處理時間，降低電潛泵故障率；并且根據數據分析，實時調整生產狀態，不但能夠提高油田生產效率、降低勞動強度、節約成本，而且能夠提高決策的科學性，從而為企業增強了核心競爭力，實現了對現有人力資源的合理調配和對整個生產過程的自動化管理，最大限度地開發利用了油氣田的各種資源，達到集約化經營與決策的管理目的。系統監控軟件可為用戶提供監控操作界面，所有系統功能將通過操作界面完成。

1 海上油田電潛泵工況遠程監控系統架構設計

遠程監控系統主要由以下四部分組成： 現場數據采集、數據通信、陸地或中心平臺數據處理、客戶端數據訪問，海上油田電潛泵數據傳輸系統架構如圖1所示。

圖1 海上油田電潛泵工況遠程傳輸系統架構示意

通過對平臺機采井電潛泵控制系統相關設備的數據采集，遠程監控系統利用平臺局域網絡將數據傳輸至中心平臺或陸地服務器，再通過Web方式發布頁面，各用戶訪問終端通過IE瀏覽器可對監控系統進行訪問。

2 系統硬件及軟件選型設計

2.1 硬件選型設計

2.1.1數據采集模塊選型

數據采集模塊采用西門子S7-300可編程序控制器(PLC)，S7-300具有多種通信處理器，用來連接AS-i接口，Profibus，工業以太網總線系統，點到點的通信系統；多點接口(MPI)集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統。

2.1.2網絡通信模塊選型

網絡通信模塊采用西門子CP343-1Lean通信模塊，CP343-1Lean適用于可接入工業以太網的SIMATIC S7-300。由于其自身備有處理器，從而解除了CPU的通信任務并有助于根據需要添加新的通信設備。

2.1.3監控服務器選型

監控服務器采用聯想的ThinkStation E系列工作站，ThinkStation工作站擁有卓越的可靠性，該機型采用創新的散熱設計以及經過優化的風扇部署技術，可大幅提高系統的散熱能力，并減少硬件出現故障的風險，確保24 h高強度不間斷工作。

2.2 軟件選型設計

2.2.1數據采集及通信程序設計軟件

數據采集及通信程序設計軟件采用西門子STEP7 5.4編程軟件，STEP 7具有硬件配置和參數設置、通信組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷等功能。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，可以方便地瀏覽SIMATIC S7的數據，實現各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。

2.2.2監控系統程序設計軟件

監控系統程序設計軟件采用西門子WINCC 7.0組態軟件，WINCC是使用32位技術的過程監視系統，具有良好的開放性和靈活性。通用的應用程序，內置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態；可基于Web持續延展，采用開放性標準，集成簡便。

3 系統數據采集及網絡通信設計

系統通信網絡采用工業以太網，以太網較之其他類型網絡技術具有明顯的優勢。另外，隨著技術的發展，控制網絡與普通計算機網絡、Internet的聯系更為密切?？刂凭W絡技術需要考慮與計算機網絡連接的一致性，對現場設備通信能力的要求越來越高，這些都是控制網絡設備的開發者與制造商把目光轉向以太網技術的重要原因。

在PLC中對以太網模塊的硬件進行組態并做相應設置后，PLC中的現場數據將利用以太網模塊構建的網絡遠程傳輸到陸地服務器，系統采集及網絡通信結構如圖2所示。

圖2 系統采集及網絡通信結構示意

陸地服務器通過直接訪問平臺上網絡模塊所設置的IP地址，可實現“一對一”的數據傳輸，保證了數據的安全性。

陸地服務器通過WINCC變量管理器與現場PLC數據地址連接，并利用Web服務器組件及TCP/IP協議將數據發布到局域網內，并可設置相應的用戶權限，限制特定用戶的訪問，保障數據安全?？蛻舳擞脩敉ㄟ^系統內的IE瀏覽器可實時訪問平臺油井的狀態數據；并且服務器端可按用戶需求對相關數據進行曲線顯示或數學計算等處理，方便用戶對數據進行分析。

4 系統軟件監控界面功能設計

為了給系統最終用戶提供更好的監控服務，系統軟件將針對以下功能進行設計：

1)電潛泵運行狀態顯示及數據實時傳輸。運行、停機、故障狀態顯示；運行電流、電壓、頻率、電流不平衡度顯示。

2)電機保護參數遠程傳輸。過載、欠載設置；過壓、欠壓設置；電流不平衡度設置；短路電流設置。

3)數據曲線分析。電流曲線顯示、電壓曲線顯示、頻率曲線顯示、數據曲線分時查看、曲線數據報表。

4)故障記錄。電潛泵運行故障即時顯示、歷史故障數據記錄。

5)單井數據遠程監控。單井所有相關數據顯示；單井控制，啟/停、頻率調節、參數設置。

6)本地限值參數設置。電流本地上、下限報警值設置。

7)井下泵工況數據實時傳輸及記錄、泵吸入口溫度、電機溫度、泵吸入口壓力、泵出口壓力、電機振動、井底流量。

8)井口控制盤數據采集及記錄。主閥、翼閥狀態；井下安全閥狀態；安全閥壓力數據顯示。

根據系統監控軟件開發平臺要求，系統監控服務器將采用WindowsServer操作系統，采用SQL Server 2008作為背景數據庫，監控客戶端為IE瀏覽器。利用WINCC開發平臺實現系統監控界面的各項功能設計。并將所要設計的功能進行模塊化。系統主要包括四個模塊設計： 系統界面、系統硬件驅動及網絡參數設置、系統變量分類統計、數據庫及變量記錄。

4.1 監控平臺選擇界面

監控平臺選擇界面為多平臺界面顯示設計，包括各平臺油井生產運行情況統計信息。其中FPSO112是浮式生產儲油卸油裝置，可對原油進行初步加工并存儲，被稱為“海上石油工廠”。WGPA， WHPA， WHPD是海上石油生產作業平臺，WHPC， WHPE， WHPF是海上石油生產無人值守平臺。用戶可根據具體情況，選擇所要監控的平臺。

4.2 運行數據監視界面

運行數據界面可監控電潛泵電機的運行狀態、電機運行電流、電機運行電壓、頻率等數據?！凹t燈”為正在運行、“綠燈”為停機、“黃燈”閃爍為報警。該頁面中還可查看各井電潛泵保護參數設置值，可針對油井當前運行狀態指導現場保護參數的設置。

4.3 數據曲線趨勢顯示界面

運行數據曲線界面可查看所有井電潛泵的運行電流及電壓曲線，記錄時間間隔設置為1 min。界面頂端左側可選擇相應井號，右側為標尺所在位置的曲線數據顯示；界面底端可選擇曲線顯示時間段。曲線數據最長可記錄1 a數據，數據超過1 a將滾動刷新，曲線數據可按表格形式分時間段進行存儲。曲線底端工具欄從左至右功能依次為： 使用幫助，屬性設置，向左移動x軸至頂端，向左移動x軸，向右移動x軸，向右移動x軸至尾端，曲線區域放大，移動曲線在坐標軸中的位置，移動y軸標尺刻度位置，還原曲線原始顯示比例，選擇曲線變量連接，選擇所要顯示的曲線，顯示時間范圍選擇，順序移動曲線顯示位置，逆序移動曲線顯示位置，暫停/開始曲線記錄滾動，打印曲線，生成數據表，顯示/關閉標尺等。

4.4 故障記錄界面

該界面可查詢當前電潛泵運行故障及歷史故障，默認顯示為查詢當前故障。故障內容包括： 過載、欠載、過壓、欠壓、電流不平衡、短路、關斷，顯示故障的同時記錄發生故障的時間及電潛泵運行數據；通過屏幕底端“歷史故障查詢”按鈕，可查看曾經發生過的所有故障，最大可記錄1 000條故障，超過則滾動刷新。

4.5 單井監視界面

通過井號選擇，對單井所有采集數據及設備運行狀態進行監控，并可進行啟動/停機、頻率調節、保護參數設置等操作。

4.6 本地閾值界面

通過本地閾值界面可在本地(服務器端)設置電流上、下限閾值，若電流超過上限或低于下限電流設置，系統將產生“本地過載”或“本地欠載”報警。該設置不影響現場保護參數設置值，報警也不會影響現場設備的運行狀態。本地限值常用于本地監控人員對電潛泵運行電流的波動監控，可將本地限值設置更接近于實際運行電流，縮小報警范圍。當電流有波動的情況下，系統可及時報警并提醒監控人員在最短時間內了解井下狀況，跟蹤監視并盡快做出指導處理。

4.7 報警提示功能

當發生故障報警時，無論是本地限值還是現場實際故障，都會在屏幕底部彈出報警確認窗口，并發出間斷的“滴滴”聲音，在底部滾動條上會顯示當前哪口井發生了故障，提醒監控人員查看故障原因，當點擊“報警確認”可消除報警音，在故障記錄界面中可查看當前故障原因。

4.8 工況總覽及工況記錄

系統設計提供了泵工況等設備通信接口及組態界面，可查看所有油井泵工況實時數據及歷史記錄。

5 客戶端監控功能設計

為了滿足遠程客戶端的訪問需求，系統設計可在任意一臺海洋石油內部網絡終端計算機上訪問服務器數據，服務器將通過Web方式發布頁面，用戶可通過“IE瀏覽器”訪問系統所有的監控界面。

6 結束語

數據遠程傳輸技術滿足了海洋石油中心平臺對衛星平臺的實時監控，也滿足了陸地相關人員對海上數據的實時觀測及分析。通過所得數據，能夠更迅速地發現問題，并將分析結果及解決方案及時地反饋給相應平臺管理者，對油井生產問題進行及時處理。