海上簡(jiǎn)易平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集

胡永和

中海油信息科技有限公司天津分公司 天津 300452

引言

海油總提出渤海2019年實(shí)現(xiàn)5000～6500萬(wàn)m的宏偉目標(biāo)，其中開(kāi)發(fā)邊際油氣田是非常重要的組成部分。為了降低海洋石油工程開(kāi)發(fā)成本，有效開(kāi)發(fā)海洋石油邊際油氣田，探索低成本的簡(jiǎn)易設(shè)施設(shè)計(jì)技術(shù)是必由之路，這便對(duì)邊際油氣田的總體開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

1 海上油氣田監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

海上油氣田自動(dòng)控制的基本內(nèi)容一般是采用合適的自動(dòng)化機(jī)械對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)、分析和操縱。包括原油處理終端、油氣集輸、天然氣污水處理、油氣儲(chǔ)運(yùn)等項(xiàng)目[1]。這種操作過(guò)程首先要安裝在油深水井、注水計(jì)量站、轉(zhuǎn)運(yùn)站、脫干站、含油廢水站、油穩(wěn)定站、氣溶站、石化站。但是，要有效地執(zhí)行制造的日常任務(wù)，僅靠這種工藝技術(shù)可能還不夠。必須有各種自動(dòng)化機(jī)械，及其制造方法和管理人員。工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在海洋石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：①海上平臺(tái)之間的距離一般比較大（多少公里到幾十公里），所以規(guī)定了遠(yuǎn)距離傳輸；②井站無(wú)人遠(yuǎn)程作業(yè)決策以具備應(yīng)對(duì)極端天氣和自然環(huán)境的能力；③整個(gè)系統(tǒng)龐大，檢測(cè)井站總數(shù)多，通信系統(tǒng)要強(qiáng)，循環(huán)響應(yīng)速度快；④作為我國(guó)不可或缺的資源，其所選擇的工業(yè)系統(tǒng)具有極強(qiáng)先進(jìn)性以及可靠性的設(shè)備，故而為核心部分，確保通信鏈路穩(wěn)定性。伴隨油氣田現(xiàn)代化管理進(jìn)程不斷深入，現(xiàn)階段繼續(xù)一種能夠?qū)崿F(xiàn)全天候無(wú)人值守的監(jiān)管方式，從而確保此類(lèi)復(fù)雜工作得以簡(jiǎn)化，避免不必要的損失[2]。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)的確定

第一是安全生產(chǎn)必備：溫度、工作壓力、液位計(jì)限位報(bào)警、潛水泵停機(jī)報(bào)警、遙控潛水泵啟停、遙控緊急停機(jī)、火災(zāi)事故、易燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警、消防安全等。第二類(lèi)是企業(yè)生產(chǎn)管理所必需的：溫度、壓力、流量、液位、應(yīng)用程序運(yùn)行的主要參數(shù)、燃?xì)夂退?jì)量驗(yàn)證等，以及海底管道的干溫、干壓、總流量和相對(duì)密度[3]。

2.2 控制系統(tǒng)操作方式需求

①全自動(dòng)步進(jìn)法。自動(dòng)步進(jìn)法是指通過(guò)將計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)按鍵置于電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控屏幕上，自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)終止步進(jìn)，它是操作系統(tǒng)的一種特定方法。②現(xiàn)場(chǎng)手工法。該方法是指現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電源開(kāi)關(guān)或按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作，關(guān)鍵是用于機(jī)器設(shè)備的校準(zhǔn)和維護(hù)，在系統(tǒng)調(diào)整和資金投入之前，檢查安裝設(shè)備和接線(xiàn)是否合適，投入運(yùn)行后，檢查儀器的常見(jiàn)故障。

3 油氣田的傳輸系統(tǒng)研究思路

現(xiàn)階段，隨著我國(guó)海上油氣田開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)深海已基本建成一批智能水油氣田，邊界油氣田散布在這組油氣田周?chē)I(lǐng)域，因此，油氣田的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可以附加在原有油氣田的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上[4]。如何在無(wú)人井筒平臺(tái)上采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息，并在中心平臺(tái)上完成實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)保障生產(chǎn)安全具有重要意義。這就規(guī)定了數(shù)字通信系統(tǒng)可以具有安全可靠的安全系數(shù)。某海上油氣田連續(xù)多年保持百萬(wàn)噸以上的產(chǎn)量，是一個(gè)具有良好開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)前景的海上油氣田。在無(wú)人井筒簡(jiǎn)易設(shè)備設(shè)計(jì)的研究中，應(yīng)用通信系統(tǒng)，選用新型先進(jìn)設(shè)備和實(shí)時(shí)設(shè)備。在設(shè)備規(guī)劃方案中，不可避免地要考慮監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)采集和調(diào)整，中心平臺(tái)進(jìn)行全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)監(jiān)控，尤其是無(wú)人井平臺(tái)ESD和PLC系統(tǒng)，安全等級(jí)非常高，有數(shù)以千計(jì)的溝通方式。根據(jù)海上油氣田的特點(diǎn)，有兩種傳輸技術(shù)用于科學(xué)研究，一種是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的傳輸技術(shù)，另一種是光纖線(xiàn)路系統(tǒng)的傳輸技術(shù)。新建的海上采油廠(chǎng)平臺(tái)采用無(wú)人值守采油廠(chǎng)方式，具有世界其他海上采油廠(chǎng)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

4 無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸方式

4.1 基本工作原理

在每個(gè)子站（即小型平臺(tái)或無(wú)人專(zhuān)職的簡(jiǎn)易平臺(tái)）上配備無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)微波裝置，然后按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)配備PLC（可編程控制器）分站和現(xiàn)場(chǎng)信息的需求。并使用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)信息端口號(hào)與PLC連接，然后根據(jù)分站內(nèi)置的發(fā)送無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)，將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息以藍(lán)牙傳輸?shù)男问絺鬏數(shù)街行钠脚_(tái)。典型的結(jié)構(gòu)體系架構(gòu)圖有兩種：一種是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；另一種是點(diǎn)對(duì)多通信。該無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)易于安裝、易于維護(hù)、可擴(kuò)展性好、成本低。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信使互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)更快更安全，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更高；選擇這種結(jié)構(gòu)并不容易。使用這種類(lèi)型的通信并不容易，由于Serve通信板短，網(wǎng)絡(luò)通信受阻，一對(duì)一的通訊方式合理的防止了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的宕機(jī)。

4.2 主要技術(shù)指標(biāo)

X710系列的主要性能指標(biāo)如下：發(fā)送頻率220～240MHz 330～512MHz 800～960MHz信道帶寬12.5(X710A) 25kHz(X710C)，步進(jìn)電機(jī)頻率6.25KHz，接收頻率220～240MHz～123MHz，800～960MHz。信號(hào)規(guī)格RS～232，api接口DB～25母。數(shù)據(jù)信息特性：api接口速度（多線(xiàn)程）：110/300hps～38.4kbps，包括1200、2400、4800、9600bps。MODEM傳輸速度：9600/19200bps傳輸數(shù)據(jù)延遲：最大7-10ms。調(diào)頻發(fā)射機(jī)部署類(lèi)型：二進(jìn)制連續(xù)相位差頻移鍵控（CPFSK）載波通信輸出功率：0.1～5W（可調(diào)）。工作時(shí)循環(huán)系統(tǒng)：連續(xù)輸出阻抗：50Ω，頻率穩(wěn)定度：±1.5×10-6。接收機(jī)類(lèi)型：超外差雙變頻，靈敏度更高；-111/105dBm（BER10-6）。頻率穩(wěn)定性：±1.55×10-6，網(wǎng)絡(luò)帶寬：12.5/25kHz，電源直流工作電壓：額定值13.8V（10.5～16V），TX電源系統(tǒng)電流容量：2.5A，RX電源系統(tǒng)電流容量：125mA，儲(chǔ)備（睡眠質(zhì)量法）電流：15mA，保險(xiǎn)絲：4A，工作溫度范圍：-30°～60°（所有特性）-40°～70°（工作條件），環(huán)境濕度：40°時(shí)95%，物理插座，無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)插座：N型，母數(shù)據(jù)信息端口號(hào)：DB-25母頭連接器，診斷端口號(hào)：RJ-11。

4.3 PLC數(shù)據(jù)采集控制

生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵部分組成；通信部分、數(shù)據(jù)采集與操作部分（RTU）、上位機(jī)軟件部分，數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行部分（RTU）可根據(jù)油氣田的具體信息量進(jìn)行配置，選擇適合室外廠(chǎng)區(qū)安裝水平標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。中央平臺(tái)主控室與簡(jiǎn)易無(wú)人平臺(tái)之間，可采用數(shù)傳電臺(tái)完成無(wú)人平臺(tái)的測(cè)控技術(shù)數(shù)據(jù)信息、工作電壓、電流、運(yùn)行、終止及常見(jiàn)故障信號(hào)井筒電潛泵和輸油管道的工作壓力根據(jù)PLC（RTU）采集溫度、溫度等信息，根據(jù)RS-232接口與數(shù)據(jù)廣播站相連，傳輸至中央平臺(tái)主控室，主控室顯示、報(bào)警、打印；主控室對(duì)井筒平臺(tái)的控制信號(hào)也將通過(guò)數(shù)據(jù)廣播站傳輸給PLC控制潛水電泵和閥門(mén)；同時(shí)，PLC還可以按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潛水電泵和閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)控制。中央平臺(tái)主控室和簡(jiǎn)易無(wú)人平臺(tái)還可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸站完成對(duì)講系統(tǒng)的語(yǔ)音通信，配置多路復(fù)用器和多串口卡，完成數(shù)據(jù)、電話(huà)、圖像綜合傳輸。

4.4 太陽(yáng)能供電方案

對(duì)于簡(jiǎn)易無(wú)人平臺(tái)設(shè)備供電方供電系統(tǒng)形式，可采用海底電纜輸送220V50Hz交流電源。如果沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源，可以采用光伏供電系統(tǒng)的方法。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電磁能，可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。一方面，采用該技術(shù)制造的太陽(yáng)能電池（太陽(yáng)能電池板）使用方便，尤其是近年來(lái)微型半導(dǎo)體逆變電源的超速發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化和應(yīng)用的便利性。太陽(yáng)能電源開(kāi)關(guān)電源提供全天候UPS電源，可為輸電系統(tǒng)提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源。在簡(jiǎn)單的無(wú)人平臺(tái)上，為了更好地降低風(fēng)險(xiǎn)，減少資金投入。可以考慮選擇太陽(yáng)能作為通信和傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，并選擇一組最重要的設(shè)備——太陽(yáng)能光伏發(fā)電板、蓄電池充電控制板、逆變電源和蓄電池。即使在連續(xù)多日陰雨天氣的情況下，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)仍能維持設(shè)施的正常運(yùn)行。對(duì)于簡(jiǎn)單的無(wú)人平臺(tái)，如果發(fā)射數(shù)據(jù)電臺(tái)的功能是30W，數(shù)據(jù)采集PLC的功能是100W，那么12V50W和24V100W的太陽(yáng)能電池板就可以滿(mǎn)足要求。

5 實(shí)例分析

海上平臺(tái)明確提出了非常高的安全生產(chǎn)規(guī)定。也就是說(shuō)，對(duì)機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定性的要求非常高，不能有誤操作，否則會(huì)影響生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致油田停產(chǎn)。現(xiàn)階段，絕大多數(shù)中海油海上油田采用深海復(fù)合電纜（電力電纜和光纜）配置光端機(jī)械設(shè)備，傳輸制造、應(yīng)急等數(shù)據(jù)信息操縱信號(hào)。在新建的水上平臺(tái)上最常見(jiàn)的用途是配備SDH同步數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)備的深海復(fù)合電纜，用于傳輸制造控制信號(hào)、視頻監(jiān)控信號(hào)、電話(huà)、廣播節(jié)目等通信信號(hào)。緊急停機(jī)是作為干接點(diǎn)信號(hào)傳輸?shù)模?guī)定了SDH專(zhuān)用卡供電電路中的各個(gè)電路必須完全隔離和保護(hù)。DTT卡中傳輸干接點(diǎn)信號(hào)的4種電路原理必須完全隔離和保護(hù)，協(xié)調(diào)器只有在收到完全合理的96位幀時(shí)才會(huì)發(fā)出預(yù)定的姿勢(shì)信號(hào)。正常傳輸下，誤操作的概率優(yōu)于10-72，這也是具體應(yīng)用中的最低值。同時(shí)，即使連續(xù)0.1的誤差（最壞情況），誤操作的概率也只有10-16，也就是每30000年一次。一般來(lái)說(shuō)，A平臺(tái)向B平臺(tái)傳輸合閘信號(hào)的關(guān)鍵延遲來(lái)自機(jī)械設(shè)備本身的延遲（海底光纜上的信號(hào)傳輸速率為5μs/km，可以忽略不計(jì)），以及專(zhuān)業(yè)設(shè)備卡的端到端延遲為3ms，可以滿(mǎn)足最嚴(yán)格的關(guān)機(jī)信號(hào)延遲規(guī)定。項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目有7個(gè)簡(jiǎn)易平臺(tái)，于2017年建成投產(chǎn)，使用專(zhuān)用的DTT設(shè)備，以及FPSO應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，運(yùn)行時(shí)，需在10ms內(nèi)斷開(kāi)超載（甩負(fù)荷，即發(fā)射干接點(diǎn)信號(hào)），并保證電潛泵的正常運(yùn)行。原因是因其開(kāi)關(guān)電源是50Hz，一個(gè)周期是20ms，在負(fù)載較大之前，即半個(gè)周期以上，從A平臺(tái)到B平臺(tái)的信號(hào)需要在10ms內(nèi)完成。現(xiàn)階段，多個(gè)海上油田已經(jīng)使用該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸和監(jiān)管，例如； BZ28-2S油田、JZ21-1油田、JZ9-3油田及東海部分海上油氣田群。

6 結(jié)束語(yǔ)

①?gòu)南到y(tǒng)的需求分析報(bào)告考慮，為實(shí)現(xiàn)中心平臺(tái)對(duì)無(wú)人平臺(tái)的監(jiān)控，應(yīng)明確系統(tǒng)作用，將中心平臺(tái)采油技術(shù)及其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)化在監(jiān)控系統(tǒng)的基本概念上，明確提出了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。②利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)微波加熱數(shù)據(jù)傳輸模塊技術(shù)，制定海上采油平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器作為監(jiān)管系統(tǒng)的所有關(guān)鍵設(shè)備，構(gòu)建監(jiān)管系統(tǒng)的硬件配置互聯(lián)網(wǎng)。③針對(duì)海上采油平臺(tái)周邊環(huán)境的特點(diǎn)和監(jiān)管系統(tǒng)的一些獨(dú)特規(guī)定，系統(tǒng)分析了系統(tǒng)可能存在的弱點(diǎn)，并在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)中采取了相關(guān)的抗干擾對(duì)策方案。④監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件配置創(chuàng)建后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組裝和調(diào)整，對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)控和報(bào)警顯示功能進(jìn)行了全方位的實(shí)驗(yàn)考察。