自动化软件在油田油井监控系统中现场应用整体方案.docx
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自动化软件在油田油井监控系统中现场应用整体方案
油井监控系统
应用背景：
在我国油井的数据采集基本上靠人工完成，采油工都必须到现场采集油井示功图、平衡度、油压、油温及产液量等井口生产数据，工人劳动强度大，且数据的准确可靠性完全依赖于采油工人的工作责任心。
海上油田的生产管理则更加困难，常常要借助于庞大的集输管线及增加采油平台来降低现场管理难度，采油井的生产参数经常受到天气变化和交通工具的影响无法正常获得，严重影响了油井的自动化管理。
应用油井远程监控系统（RUT/SCADA）对于实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性及加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义。
解决方案：
利用GSM移动通讯网络短信息服务快捷的性能和想对低廉的收费，研制开发了一种用于分布式井群生产的监控系统，可直接应用于油井地比较分散的采油生产企业，满足了油田生产监控网络所要求的高可靠性、高实时性和维护方便性。
系统组成及其功能
该系统采用由单台监控服务器和多监控终端并行运行方案，每口油井作为一个终端单元，实时采集下接的（仪表负荷传感器、电流互感器、电压互感器、功率因数变换器）信息，自主运行。
监控终端可以选用有线或无线两种通信方式与监控服务器交换数据，在油井现场用笔记本电脑RS232C直接电缆连接进行参数修改和数据传载，此时笔记本电脑充当监控服务器，使系统方便的运行；对于中心控制室，监控终端可以通过GSMmodem和监控服务器进行数据交换，但是通信费用比较高而不可取，当然也可以通过无线数传电台进行数据交换，通过实际应用的数据交换量的比较，有效的油井数据量一般不超过一条段信息的容量，经过试验检测我们知道作为最大的数据交换——示功图也不过160个字符（测量周期100ms，冲程周期6——7s），因此选GSM短信息方式进行必要的数据交换完全满足。
监控终端根据设定的需要把油井抽油机工作状况以短信息的方式发送到监控服务器，监控服务器对数据进行分类保存、统计供管理人员查询、分析。
工作人员可以在监控服务器根据需要以短信息的方式向终端发送控制命令，控制抽油机的运行和获取抽油机的工作状况。
整个系统由单井数控单元、中心控制室和GSM网络组成。
单井数控单元
其中单口油井监控单元包括：
RTU、信号处理模块和短信模块。
1.1 RTU设计
RTU作为监控单元功能实现终端，选用ZWORLD公司生产的RCM2300核心模块，RCM2300模块包括：
工作在22.1MHz上的微处理器Rabbit200;128KSPAM和256KFlash；29个I/O线，17个可设置的I/O、8个固定输入、4个固定输出；3个通用串口；5个8位定时器和1个带2个匹配寄存的10位定时器（5个定时器成对级联）。
根据需要我们扩展输入输出通道为：
4路继电器输出，4路数字量输出，8路块数字输入，4路12位分辨率4～20mA电流模拟量输入，4路12位分辩率0～5V模拟量输入，2路12位的分辨率0～4V模拟量输出，1个RS485端口，2个3线的RS232或者一个5线的RS232端口。
相应的在开发平台DynamicC上用单根接口电缆把PC串行口和基于Rabbit2000的目标系统连接起来就可实现软件的开发,系统集编辑、编译、链接、调试、下载于一体，可快速的进行目标系统软件的开发。
监控终端的功能是根据检测的抽油机工作状态，判断抽油机的工效，适时的对抽油机进行起停操作，保障油机的机械及其电气设备的安全的同时，提高单口油井的产效。
1.2 信号处理模块
对于不同的油井可能需要配备不同的一次仪表。
还有企业原来遗留的一些不同信号的仪表，特别是油机必备的负荷传感器，其输出信号一般是0～10mV，但是随着使用时间的递增负荷零点会有变化，将直接影响到控制功能的实现，所以我们专门针对负荷传感器设计了调理模块，除完成将0～10mV电压信号转换成4～20mA电流信号外，还要负责处理好随温度和时间变化的影响。
1.3 短信模块
在应用中监控终端和监控服务器通过RS232接口连接短信模块来发送和接收GSM短消息，完成数据交换功能。
终端控制软件设计
监控终端RTU系统软件不仅要实时采集抽油机数据，实时控制抽油机的运行，还要对各种信息进行处理，抽油机本身负荷功图、电流图、功率因数图等都是大数据量的处理，所以系统软件的设计必须是一个多任务系统。
ZWORLD公司软件开发平台Dynamic C是一个开放C语言开发环境，提供有丰富的库函数，可以开发出多任务系统。
终端控制软件功能设计采用模块化设计，主要包括三个方面：
数据采集与处理功能模块、逻辑处理功能模块、I/O驱动模块、通信模块。
1）采集与处理功能模块：
需要采集的模拟数据有光杆负荷、电机电流、电机电压，电机功率因数和其它的油井管道压力等数据，数字量信息包括电机状态（运行和停止）、系统运行方式（手动/自动），位置开关状态等。
对模拟数据进行量化处理为相应的可视化图形并按一定的时间规律间隙存储，对数字量信息需要进行抗干扰处理，防止假错信息进入。
2）逻辑处理功能模块：
控制系统的目的是要控制的一系列动作，根据采集的信息识别当前抽油机的工作状态，按照抽油机的工作原理和油井的变化规律，控制和预测抽油机的动作。
抽油机的控制功能主要包括：
空抽控制、时间定点控制、连喷带抽控制，根据用户的实际应用设定需要的控制功能的同时，记录出现的所有运行故障。
3）I/O驱动模块：
这一部分主要是针对输入、输出耗损时间较多的缘故，把所有输入输出放在一个任务里面集中处理，有利于提高系统的实时性。
控制实现声音和灯光闪烁的报警功能。
4）通信模块：
通信功能我们实现了两种方式，在工作现场通过RS232接口通信的Modbus协议和基于GSM短信息的无线传递方式。
中心控制室
中心控制室可以采用任何一种高级语言vb,vc等开发出相应的上位机软件，实现对采集数据的分析存储。
这里不再详述。
GSM网络
GSM（GroupeSpecialeMobile）广泛用于欧洲及亚洲地区的通讯网路,为数字蜂巢（DIGITALCELLULAR）式通讯技术的标准之一，透过此一通讯标准让远程的笔记型计算机及个人数字助理等行动装置得以相互连系、交换讯息。
相关产品:
RCM2300控制器模块
22.1MHz的时钟，256K的Flash,128K的SRAM,7个定时器,时间/日期时钟，29个通用I/O,看门狗定时器和4个串口。
油田油井自动化监控系统解决方案
摘要：
阐述油田油井的工作状况，最后采用EVOC的EIP平台和利用现有的工业控制技术，实现国内油田油井无线遥控遥测系统。
关键词：
EIPRTU无线遥控遥测
Summary：
Illustratetheworkingstatusofoilfieldwell,andchoosetheEVOCEIPplatformandcombinetheadvancedindustrycontroltechnology;realizethewirelessremotecontrolandmeasuresystemofoilfieldwell.
Keywords:
EIPRTUWirelessRemoteControlandMeasurement
[系统概述]
油田油井大多都分布在各采油场，油井工作状况的监测和控制，一直是采油场一项重要和困难的内容，一般的油井大多为油井巡视员或维修工定期巡回检查，随着油田现代化管理水平的不断提高，早期的巡视员方式已逐渐被油井无人值守所代替。
研祥采用EIP平台与目前现有的工业控制技术，整合出适合国内油井实际情况的无线遥控遥测系统。
[系统构成]
本系统结构如图1所示，系统主要由采油场监控中心和油井无线遥测遥控主机、传感器、电机控保装置等组成。
采油场监控中心一般设置在矿部、办公室或其它监控调度部门，包括有一台工业控制计算机、一台激光打印机和监控中心收发信机以及油井无线遥测遥控主机（RTU）等部件。
[系统工作方式]
油井工作状态传感器主要有温度传感器，电压传感器，电机电流传感器，被监控开关断/合传感器，它们将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值送至远程智能无线RTU。
本系统留有扩展接口，可根据油井实际现场控制情况进行增加。
油井RTU由带有A/D，D/A变换器的高性能的单片机，电源管理电路，蓄电池供电电路以及无线数传电台组成。
A/D变换将传感器送来的表示油井状态的模拟信号变成数字信号，再由无线数传电台进行信号处理和调制，以射频信号的形式幅射到空间。
电源管理电路是用来监测交流电源用，一旦交流电源断电，自动转为畜电池供电。
当交流供电正常时，又恢复由交流电源供电并对蓄电池充电，始终保持RTU供电正常。
如图2所示。
监测中心收发信机从空中接收到由油井遥控遥测主机的信号后，通过对射频信号放大、解调，恢复成数传信号送中心工业控制计算机处理计算，实时监测油井工况。
当有异常时，中心工业控制计算机立即向油井遥控遥测主机发出控制命令，控制电机停机待修。
这样可以实现整个系统的自动化运行，无人职守进行整个系统的监控。
[系统配置说明]
[系统主要功能]
1）、油井工作状态监测
a、抽油机电源电压监测
b、抽油机电源电流监测
c、电机开/关监测
d、漏油，盗油监测
2）、油井实时故障报警
a、电压过压、欠压报警
b、电流过流报警
c、抽油机停报警
d、漏油，盗油报警
3）、监测数据统计和打印
耗电量，故障情况实时电脑显示和统计报表打印。
4）、扩展功能：
本系统留有扩展口，可根据油井情况和客户需求增加。
井口温度监测，井口油压监测，井口套压监测。
[系统工程设备组成]
1）、传感器组件
2）、油井无线遥测遥控主机（油井RTU）
3）、监控中心收发信机
4）、控中心系统软件（可使用通用版组态软件）
5）、监控中心计算机（研祥工控整机）
[系统优点]
1）、采用国内工控机产品，具有高的性价比，同时具有完善的售前和售后服务；
2）、灵活的通讯方式，满足现代化的需求，在通讯上有稳定可靠的技术保障；
3）、工控机与RTU一起发挥强大的作用，实现整个系统的自动化控制，无需花费价格昂贵的PLC控制器；
4）、整个系统组态非常方便，同时缩短整个系统的开发时间；
[系统评价]
在该监控系统中，使用组态软件和无线数传电台，系统无线遥测遥控主机（RTU）将检测到的单口采油井的现场状态，通过无线方式传送给监控中心，从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，有力的缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率，同时系统的性价比特高，无需采购价格昂贵的PLC控制器。
另外，本系统还非常适合输油管漏油，盗油监测，在多家采油场中使用，取得了较好的经济效益和社会效益。
参考文献：
《中国石油文献数据库》
自动化软件在油田油井监控系统中现场应用整体方案
北京昆仑通态自动化软件科技有限公司是国内的一家高科技企业，公司主要从事专业自动化软件的开发，应用系统的集成，并向用户提供从硬件到软件的总体设计方案。
产品遍布石油、化工、冶金、矿山、运输、机械、食品等几十个行业，并应用于全国乃至世界的众多工业控制现场。
值此之即，我们向大家介绍昆仑通态公司产品在油田油井监控系统中现场应用整体方案。
一、概述
油田油井大多都分布在各采油场，油井工作状况的监测和控制，一直是采油场一项重要和困难的内容，一般的油井大多为油井巡视员或维修工定期巡回检查，随着油田现代化管理水平的不断提高，早期的巡视员方式已逐渐被油井无人值守所代替。
我公司研制开发了一套利用SCADA工业控制技术，适合国内油井实际情况的无线遥控遥测系统。
在该系统中，使用MCGS通用版组态软件和无线数传电台，系统无线遥测遥控主机将检测到的单口采油井的状态，通过无线方式传送给监控中心，从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率。
另外，本系统还非常适合输油管漏油，盗油监测，在多家采油场中使用，取得了较好的经济效益和社会效益。
二、系统基本构成
系统主要由采油场监控中心和油井无线遥测遥控主机、传感器、电机控保装置等组成。
采油场监控中心一般设置在矿部、队部或其它监控调度部门，包括有一台计算机，一台打印机和监控中心收发信机。
油井无线遥测遥控主机（RTU）
油井工作状态传感器主要有温度传感器，电压传感器，电机电流传感器，被监控开关断/合传感器，它们将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值送至远程智能无线RTU。
本系统留有扩展接口，可根据油井实际情况增加。
RTU由带有A/D，D/A变换器的高性能的单片机，电源管理电路，蓄电池供电电路以及无线数传电台组成。
A/D变换将传感器送来的表示油井状态的模拟信号变成数字信号，再由无线数传电台进行信号处理和调制，以射频信号的形式幅射到空间。
电源管理电路是用来监测交流电源用，一旦交流电源断电，自动转为畜电池供电。
当交流供电正常时，又恢复由交流电源供电并对蓄电池充电，始终保持RTU供电正常。
监测中心收发信机从空中接收到由油井遥控遥测主机的信号后，通过对射频信号放大、解调，恢复成数传信号送中心控制计算机处理计算，实时监测油井工况。
当有异常时，中心控制计算机立即向油井遥控遥测主机发出控制命令，控制电机停机待修。
三、统主要功能
1、油井工作状态监测
a、抽油机电源电压监测
b、抽油机电源电流监测
c、电机开/关监测
d、漏油，盗油监测
2、油井实时故障报警
a、电压过压、欠压报警
b、电流过流报警
c、抽油机停报警
d、漏油，盗油报警
3、监测数据统计和打印
耗电量，故障情况实时电脑显示和统计报表打印。
4、扩展功能：
本系统留有扩展口，可根据油井情况和客户需求增加。
井口温度监测，井口油压监测，井口套压监测。
四、系统主要技术性能
1、传感器测量精度和范围
a、电压：
0～400V2%FS
b、电流：
0～150A2%FS
c.压力：
0～10Mpa1%
d、A/D变换：
12位
2、通讯接口：
RS-232，9600bps
3、无线收发信机：
a、功率：
5W（无遮挡传送距离约20Km）
功率：
25W（无遮挡传送距离约50Km）
b、灵敏度：
优于0.25uV
c、射频工作频率：
230MHz
d、最大可寻址数4096
e、信道数：
16个可任选
4、环境工作条件
a、温度：
-25℃～+55℃
b、相对湿度：
96%RH
5、中心计算机
使用研华工业计算机
6、打印机：
激光
五、系统工程设备组成
1、传感器组件
2、油井无线遥测遥控主机
3、监控中心收发信机
4、控中心系统软件（MCGS通用版组态软件）
5．监控中心计算机
某水厂的控制系统一例
水厂是公司唯一的一座地面水厂，担负着向海口中心地区供水的重要任务。
二期扩建工程利用德国政府贷款，进口全套水处理工艺、设备。
二期扩建后，米铺水厂的供水能力从一期的7.5×104m3/d提高到24×104m3/d，大大改善了海口市的供水状况。
水厂工艺流程如下：
1控制系统组成原理
主控制器为西门子S5系列可编程控制器，其原理见图2。
根据工艺设计选择的要求，米铺水厂采用了比较流行的PLC+PC控制系统，将水处理中全部工艺参数由采样处理到调节过程全由微机实现三级监控，即：
现场设备手动控制、各站PLC独立控制、中央控制室集中监控，由此构成了先进可靠的集中监视、分散控制系统。
采用集散型控制系统，能使控制功能和任务分散，分散出现故障的危险性，提高系统的可靠性。
全厂控制系统由泵站控制中心MCC1、滤站控制中心MCC2、加药加氯控制中心MCC3、中控室、模拟屏PLC4组成。
1.1加药、加氯控制中心（MCC3）
从龙塘水源厂过来的源水进入流量分配井，在此通过在线仪表检测源水的浊度、pH值、温度、余氯、流量、PAC投加量等，其中源水浊度、源水流量、PAC投加流量作为加药控制的重要参数，在线仪表将其转换为PLC可识别的4～20mADC信号，并调用专用PID控制功能块对变频加药泵进行控制。
由于源水基本没受到污染，水质符合《地面水卫生标准》，只有在台风或暴雨季节出现浊度偏高的现象，因此在控制程序设计时选用根据浊度投加的方法。
程序能够根据源水的浊度选取不同的投率，分为浊度＜10NTU、10～50NTU、＞50NTU三档，经过一段时间的运行证明，此控制能够满足工艺要求，沉后水浊度为5NTU左右。
此外为了保证系统的可靠灵活以适应不同的情况（如浊度偏大偏小，或药液浓度改变等），专门在中控室PC机上设计了一窗口，用来改变投加率，在保证工艺要求的前提下，起到节能降耗的目的。
另外，加药车间贮药池装有液位计，可随时了解药池情况，每个药池装有搅拌器，定时自动搅拌，以防止药液沉淀影响浓度。
加氯系统采用真空加氯机，由于加氯机本身为一个控制器，只需送入所需的流量和余氯信号，再通过相关的参数设置，加氯机即可自动投加。
加氯机所需的流量信号由PLC送来，余氯信号由余氯分析仪在线检测。
考虑到源水加氯主要消除藻类等，对出厂水余氯影响不大，所以采用比例投加；后加氯对出厂水余氯影响比较大，所以采用复合环控制以稳定出厂水余氯。
加氯车间还可检测到氯瓶组重量、氯库泄漏及其吸收等信号。
1.2滤站控制中心（MCC2）
滤站控制中心根据工艺要求控制12格普通快滤池的过滤、反冲过程及相关的参数。
每个滤池都装有一超声波液位计，用于检测滤池水位。
滤池出水阀为一0～100%无级可调比例阀，由4～20mADC控制PLC程序，根据液位、阀门的开度信号控制阀门开度，从而保持滤池水位恒定在80%。
如果水位为100%，同时阀门开度为100%，PLC即判断为反冲条件，从而调用相应的反冲程序。
反冲方式有三种：
①水头损失，②定时，③强制放冲。
滤池的操作方式有三种：
①就地控制柜操作，设于每个池旁，每个柜装有5个阀门控制按（旋）钮及LED显示的开/关、故障信号；2台鼓风机、3台反冲泵开/停、故障信号及水池水位、风机压力、流量、反冲水压力、流量、空压机压力等信号较为直观，易于操作。
②滤池控制室控制，由OP37通过画面显示每个池及相关设备的信号、参数以及操作。
③中控室控制，由于每个池控制所涉及的开关量较多，而现场距滤池控制室较远，因而12格池的开关及量信号由PLC扩展模块与PLC通讯，从而节省了大批量电缆，简化了系统。
另外，滤池控制程序为模块化结构，过滤、反冲等每一步骤只需调用相应的功能块并赋于相应的参数即可。
1.3泵站控制中心（MCC1）
泵站控制中心主要监控6台高压电机、水泵的运行工况以及相关的参数。
泵站的控制原理主要根据二路出水管压力，同时根据吸水井水位、相关的电机桂、管道上的阀门情况相结合来开停电机。
此外，每台泵都装有压力、流量传感器，二路出水管装有余氯分析仪、压力、浊度、流量传感器以检测水厂的生产和卫生指标。
泵站的操作也由三级组成：
①机旁操作箱控制；②泵站控制箱控制；③中控室控制。
中控室各站的现场数据通过PLC的通讯模块及RS485与2部PC机组成一个L2-Pro总线网络，同时2部PC通过网卡联机，实现资源共享。
各站的OP37除了对该站设备进行操作显示外，还可了解其他站的情况。
所用的监控软件为INTOUCH，通过DDE（动态数据交换）与L2-Pro总线进行数据交换。
INTOUCH软件人机界面好，能够根据需要进行动画链接，生动、直观。
主要窗口有：
①进水窗口，②加药车间窗口，③加氯车间窗口，④滤站窗口，⑤泵站窗口，⑥高压配电柜窗口，⑦实时报警窗口。
每一窗口显示相关的生产工艺参数，并能进行相关设备的操作。
中控室的一部打印机用于实时故障打印，一部用于画面打印。
另外INTOUCH还具有实时、历史趋势功能，能够了解生产参数的动态情况。
中控室还配有一大型马赛克模拟屏，由PLC4驱动，用于显示整个水厂主要设备的运行状态（手动/自动/开/停/故障等）及主要工艺参数，使人一目了然，便于生产调度管理。
2几点看法
①采用分散控制和集中监视的控制方式，各站之间独立操作，包括采用了手动/自动的控制方式，能够消除相互之间的影响。
②如何对自动化设备的维护和保养自然是一件重要的任务，在使用过程中我们遇到以下一些问题：
a.PLC模块和仪表损坏。
分析原因，主要有电压偏高、过电压、或安装时没有按照
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