数字化系统在长庆油田的应用.docx
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数字化系统在长庆油田的应用
1、项目背景介绍2
2、项目目标与原则3
3、项目构成与实施方案4
3.1硬件系统4
3.1.1井口部分4
3.1.2井场配水间部分5
3.1.3井场视频监控部分5
3.1.4井场主控部分6
3.1.5站内视频监控部分6
3.1.6增压站PLC控制部分7
3.1.7中控室监控中心7
3.2网络部分7
3.3软件系统8
3.3.1SCADA软件与油井计量软件的相互协调8
3.3.2安控SCADA软件构成9
4、王二转数字化新思路、新应用介绍11
4.1防盗措施的应用，降低油区维护难度，减少油田损失11
4.2在油井远程启停控制上，语音报警功能增加远程操作的安全性12
4.3上位机软件嵌入语音报警功能，增加上位机监控的生动性，避免值班人员疲劳12
4.4采取多举措以达到降低员工劳动强度、减人增效的目的12
4.5使用新技术、新方法降低建设成本13
5、成效14
数字化系统在长庆油田的应用
—王二计量转接站及其井场数字化建设
前言：
由于地势环境的因素，导致了长庆油田“数字化”系统是一个复杂的、多层结构的信息化系统。
该系统涉及到了多种硬件设备、软件平台以及复杂的网络通讯结构，其中以王二计量转接站的数字化建设更具有代表性。
1、项目背景介绍
长庆油田为国内第二大油田，矿产资源登记面积25.78万平方公里，跨越5省区，长庆油田管理的7万口油、气、水井分布在37万平方公里的鄂尔多斯盆地，涉及4省（区）、数十个市县，各采油、采气厂比较分散独立，管理难度之大、企业成本之高可想而知。
为了降低企业成本、完善企业管理、提高企业在行业的竞争力，长庆油田实施了数字化建设工程、建立全油田统一的生产管理、综合研究的数字化管理系统，实现“同一平台、信息共享、多级监视、分散控制”，达到强化安全、过程监控、节约人力资源和提高效益的目标。
为此，长庆油田于2010年初对王二转及所辖井场进行了数字化改造。
王二转位于陕西省安塞县王窑乡白庄村内，隶属于长庆油田采油一厂王窑作业区。
其下58个井场，69口油井，4座配水阀组间、32口注水井分布在周围三座大山上，管理难度非常大，大量的油水井都采用人工徒步巡检的方式完成，效率十分低下。
在王二转站内，值班员工采用传统方式进行生产：
手动切换来油管线至双容积计量装置进行产液量计量；定时现场巡视关键部位生产数据；根据液位来油情况手动启动外输泵输送原油；手动填写生产报表、电话上报上级管理单位……，这造成了一线值班人员非常大的劳动强度，同时还存在生产数据不准确、信息反馈不及时等方面的缺陷。
王二转数字化建设的目的就是通过前端井场和站内的改造，使得员工不出站点就能够在王二转站内随时了解到现场和站内的生产情况、获得准确的运行数据、实时的数据共享，降低劳动强度和用工数量。
2、项目目标与原则
王二转数字化建设要达到以下功能：
1、油水井数据远程监测：
实时将抽油机示功图、三相电量参数、运行状态等数据传输至王二转监控平台，并且可以远程遥控抽油机启停；实时采集注水井注水流量、注水压力、管线压力等数据，并且可以远程调节注水井配注量；对井场外输压力进行检测，从而能够根据压力变化情况判断管道泄露、堵塞等异常情况；
2、井场视频监控及闯入报警提示：
能够在王二转站内平台实时监测井场和站内关键部位视频数据，并且具备抓拍、录像、云台控制等功能；能够捕获外来闯入人员，上报监控平台，从而达到语音警告、取证拍摄的功能；
3、对王二转站内重点数据的实时监测与控制：
监控王二转站内关键部位生产数据、通过报警、曲线、报表等方式进行显示与监测，同时实现根据原油来量自动调节外输泵的排量、连锁停泵、自动收球加热的功能；
4、废除以前的双容积计量流程，通过现场采集到得功图进行功图法产量计算、并且存入数据库，为日后报表查询、产量分析、油井故障判断提供原始数据；
5、为更高一层的作业区、厂级信息平台提供数据接口，从而能够构建全厂统一的信息管理平台。
为了完成上述目标，王二转数字化建设遵循长庆油田的“两高、一低、三优化、两提升”的思路进行实施。
所谓的“两高”是指高水平、高效率，在项目实施中大量使用先进技术和理念，为后期系统升级提供合理空间；“一低”是指低投入，要尽量压缩投入资金、合理选择监控范围、选择适合现场环境的网络方案、设备，达到低投入高效能的目的；另外要通过数字化项目的实施，优化工艺流程、优化地面设施、优化管理模式；提升工艺过程的监控水平、提升生产管理过程智能化水平，达到管理模式的改头换面。
3、项目构成与实施方案
3.1硬件系统
王二转硬件系统结构如下图所示：
包括井场和站内两大部分。
井场系统分为井口部分、井场配水间部分、井场视频监控部分和井场主控部分；站内系统分为站内视频监控部分、增压站RTU/PLC控制部分、中控室监控系统部分。
3.1.1井口部分
井口主要完成的功能是采集油井示功图、电量参数、运行状态等参数，并进行抽油机远程启停控制。
在这里选用的北京安控科技股份有限公司（以下简称安控科技）的井口数据采集RTU，首先通过4-20mA模拟信号对负荷和角位移进行连续采集，从而得到示功图的位移变化和负荷变化情况，再通过滤波、数据整合为示功图数据。
井口数据采集RTU内嵌入了三相电参采集功能，在抽油机柜内安装有三个电流互感器，获得电机运行的电流数据，三相电压采用直接采集的方式获得，在控制器内完成电机的电压、电流监测、功率、电能、功率因素等数据。
井口数据采集器具备3路DO输出通道，这三路DO通道分别接入到电机启动柜的启动回路、停止回路、语音报警喇叭回路，当井口数据采集器接收到王二转站内平台的启停抽油机命令后，可以通过这些DO输出端子完成相应功能，并且当抽油机启动时先语音报警提示抽油机即将启动，当报警1分钟时长后才启动抽油机从而保证了远程启动抽油机的安全性。
油井运行状态信号时通过DI采集通道获取的，通过电机启动柜内的交流接触器辅助触点进行启停状态判断。
井口数据是通过2.4Gzigbee无线通讯协议与井场主RTU进行通讯的。
3.1.2井场配水间部分
在王二转所辖区域内，有4个配水间，配水间的主要功能是根据配注计划自动调节注水流量。
配水间内的主要设备有高压稳流配水装置，和压力变送器等，高压稳流配水装置可以采集注水井的当前注水流量，并且可以进行设定，通过自己的执行机构完成配水量指标，压力变送器主要用来检测注水管线的进出口压力。
为了对阀组间数据进行采集，我们在阀组间内安装了安控科技的配水井RTU。
安控科技的阀组间RTU，集成了两路RS485和8路AI。
设备起到的了一个通用的协议转换器的作用，从硬件方面上可接入4～20mA、RS485等多种类型的信号，软件方面上支持各种标准通信协议或者自定义协议。
可兼容各个厂家的仪表设备，给设备的维护和后期改造带来很多便利条件。
在通讯数据结构方面，将阀组间仪表数据采集汇总到阀组间RTU（即协议转换器）中。
统一数据格式后，一次性集中上传。
一方面可提高通信效率，避免上位机对阀组间仪表逐个轮询扫描而导致轮询周期过长，另一方面，统一了与上位机的数据接口，便于上位机软件的开发调试和维护。
3.1.3井场视频监控部分
在每个井场安装有视频监控设备一套，监控系统分为摄像机、视频服务器、井场喇叭、光线照明四部分。
摄像机负责采集现场视频数据并通过同轴电缆输送到视频服务器内，进行图像上传。
由于王二转所辖井场多为单井井场，油井数量少、井场区域小，这里只使用了固定式摄像机，不带云台功能，但是每个摄像机都配备了雨刷，可以再刮风下雨时自动清洁镜头，从而保证了视频的清晰。
视频服务器接收摄像机输出的模拟视频信号，进行编码，通过网络数据报文的形式传输到位于王二转站内的视频监视计算机上，提供给值班室监控人员，进行远程巡井。
在王二转数字化项目上，所选用的视频服务器还具备智能行为分析功能。
视频服务器通过背景学习后，可以分析视频监测区域内的异常闯入，并跟踪闯入路线，触发报警到监视计算机，从而实现对井场的周界报警、非法闯入等事件报警。
王二转站内值班人员接收到报警后，可以通过放大画面的方式进行检查和取证录像的功能，并且可以通过麦克风将语音输送至视频服务器音频输出口，再由井场喇叭放大输出后，震慑闯入人员。
光线照明设备主要用来在夜间为视频系统提供光源，在这里选用了海洋王照明设备，该照明灯具有亮度强、光线均匀等特点，避免视频系统夜间的误报、漏报。
光线照明设备和摄像机安装在井场电杆上，照明灯由光控开关控制，在夜间自动启动。
3.1.4井场主控部分
选用安控科技的井场主RTU（Super32-L系列RTU），该设备主要完成以下两方面的功能：
1、通过4-20mA模拟信号对井场出油管线压力进行采集；2、充当协议网关，王二转站内监控平台发出的IP报文由无线网桥发送到主RTU后，由主RTU进行协议转换后，通过2.4Gzigbee无线通讯协议与所属各井口RTU和配水间进行无线通讯，以实现数据采集和井口控制。
3.1.5站内视频监控部分
在王二转站内，安装有带云台控制的视频摄像机一套，该摄像机可以360度全方位对王二转站内生产部位进行监控，站内视频同样与井场视频一同在站内视频监控计算机上进行显示。
但是王二转站内视频服务器并不带智能行为分析功能，只是进行视频监控。
3.1.6增压站PLC控制部分
站点采用安控科技的SuperE系列PLC控制系统,，王二转站内PLC配置有24路AI采集通道、16路DI采集通道、16路DO输出通道、4路PI量采集通道、4路AO量输出通道、3路RS485通道，提供1路以太网接口，与上位机软件通信。
王二转站内PLC主要完成的功能如下：
a、对2台收球筒原油出口压力检测，超限报警，收球筒温度控制；
b、对密闭分离装置（缓冲罐）连续液位监控，超高、低限液位报警；
c、对3具储油罐罐连续液位监控，超高、低限液位报警；
d、预留外输原油装置（瞬时流量）监测和累积计算功能，2路外输原油温度、及压力监测检测；
e、连续监测3台泵入口、出口压力，当进口压力超下限时或出口压力超上限时报警并联锁停泵；
f、根据分离装置的液位，通过变频调节分输泵的排量，使分离装置内液位基本保持在中线附近，实现连续输油；
g、外输泵运行状态、运行频率及三相电流、电压及功率等参数监测；
i、接受可燃气体报警控制器输出的浓度超限报警信号，实现可燃气体泄露浓度超限报警。
3.1.7中控室监控中心
为了实现对王二转站内及所辖58个井场进行数据监控和视频监控，在王二转站内配置了工控机一台，通用PC计算机一台。
工控机主要运行组态软件、井场采集软件、油井计量分析软件、数据库软件等，达到实时数据监测和历史数据存储、开放数据远传接口的功能。
通用PC计算机运行视频服务器客户端软件，实现井场和站内视频监控和报警的功能。
3.2网络部分
通信网络是连接前方采集设备和后台监控软件的“枢纽”，在王二转数字化建设中主要用到了2种类型的通信网络：
zigbee无线通信网络和无线网桥通信网络。
其中主RTU与井口采集器、阀组间RTU之间是通过ZigBee无线技术通信的。
ZigBee是一种无线连接方式，可工作在2.14GHz、868MHz、915MHZ3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-750m的范围内。
由于每个井场内所辖的油井都在半径0.5公里以内，相对比较集中，采用短距离无线技术可以节省成本同时也降低了施工强度。
井场主RTU及视频采集信号是通过无线网桥进行传输的。
由于王二转所辖井场分布异常散乱，完全采用光纤通信会有非常高昂的施工成本，在王二转数字化实施中大量井场安装无线无线网桥，在个别井场架设了光纤进行接入，从而完成了整个网络的正常通信。
在通信网络的结点，井场主RTU侧，主RTU充当了通信网关的作用。
3.3软件系统
王二转数字化系统软件是由三个主要软件构成的：
安控科技的数字化油田SCADA软件平台、长庆油田油气研究院的油井计量及分析软件、视频监控软件构成的。
其中安控SCADA软件与长庆油田油井计量分析软件是相互配合完成油井计量任务的。
3.3.1SCADA软件与油井计量软件的相互协调
SCADA软件通过井场设备读取功图后，将功图数据存入SQLSERVER数据库和指定文件夹内，其中SQLSERVER数据库内的功图用来软件后期调取查看，指定文件夹的功图保存成油井计量软件需要的形式，以便油井计量软件进行计量分析；油井计量软件到指定文件夹内读取功图后计算产量和分析结果后，存入关系数据库；安控SCADA软件又从数据库内返读数据进行产量及分析结果的显示。
3.3.2安控SCADA软件构成
安控SCADA系统软件主要完成王二转站内及井场数据的显示、曲线、报表等功能。
主要包括王二转站内流程监控模块、油水井巡检模块、功图分析模块、曲线查询模块、报表查看模块、报警管理模块等几个部分，见下图。
SCADA从构成上划分有2部分：
力控组态软件、功图采集开发软件。
其中力控组态软件是软件系统的载体，它负责将不同软件集成在力控人机界面上，从而达到数字化标准软件的功能。
SCADA从层次上分为3个层次：
驱动层、数据库层、界面显示层，见下图。
驱动层是与硬件相关的层级，负责与现场PLC、RTU进行通信。
由于受组态软件的功能的限制，驱动又分为力控驱动和RTU驱动，力控驱动完成王二转站内数据的采集，RTU驱动采集王二转所辖抽油机井、注水井的数据。
RTU驱动采集到的数据除功图数据外的其他数据要与力控实时数据库进行交互，写到力控实时数据库系统内。
承担数据交互功能的是力控DBCOM组件。
数据库层是连接显示界面和底层驱动的中间层级，数据库层也分为2种数据库，一种是力控实时数据库，负责接收由力控驱动采集到的和通过DBCOM写入的数据；另一种是SQLSERVER数据库，由于功图采集后的数据量比较大，无法放到力控实时数据库内进行存储，所以这部分数据时由SQLSERVER数据库保存的。
界面显示层是直接呈现给用户的，由于数据源的不同，界面显示层也分为2种：
力控人机界面——VIEW和井场监控软件。
其中VIEW用来将力控实时数据内的内容以流程图、曲线、报表的形式进行显示。
井场监控软件用来将SQLSERVER数据库内的功图进行显示，同时井场监控软件也可以从力控实时数据库内获取数据，主要获取的数据有抽油机井的三相电参、运行状态、注水井的注水数据等。
井场监控软件是嵌入在力控人机界面上的，一同构成标准化站控软件。
4、王二转数字化新思路、新应用介绍
4.1防盗措施的应用，降低油区维护难度，减少油田损失
油田的安保是油田面临的主要工作之一，为了保护国家财富，长庆油田组建了大量的保安队伍。
但是由于油区的分散，就如王二转来说，其69口油井分布在周边近百平方公里的土地上，依靠保安的力量根本无法解决。
并且在保安处置破坏、偷盗事件时也增加了发生冲突、和人身安全受损的风险。
在王二转项目实施中，为了改变安保工作“打疲劳战、打被动战”的局面，应用了具备视频监控及闯入报警功能的智能视频监控系统。
在王二转所使用的视频监控系统，采用了高分辨率的摄像机，并且所选用的视频服务器是具备行为分析能力，就是该视频服务器能够设定一定的规则，如边界报警、闯入物体轨迹分析等。
视频服务器首先对监控区域进行背景学习，“识别”现场正常存在的固定及运动物体，然后对意外闯入的物体可以进行判断，进一步执行轨迹追踪，报警驱动的功能。
根据报警设置，视频服务器可以进行抓拍、自动播放警告语音、录像的功能，从而达到震慑闯入者，图像取证、降低安保难度、避免民企冲突的目的。
4.2在油井远程启停控制上，语音报警功能增加远程操作的安全性
通过远程启停抽油机的功能，值班人员可以在值班室远程操作抽油机启停，特别是遇到如现场故障时，可以快速进行操作、切断故障源。
但是由于远程操作是具备一定的危险性的，特别是当抽油机启动时，要进行现场情况确认、防止人员正在抽油机附近进行操作。
为此，在远程启动控制方面，又增加了语音报警提示功能，进行远程启井时，首先进行时长1分钟的报警，并进行倒计时的方式，提示将要启井的时间，从而可以让抽油机附近的人员远离机械部分，提高了操作的安全性。
4.3上位机软件嵌入语音报警功能，增加上位机监控的生动性，避免值班人员疲劳
一般的上位机组态功能，都具备相关的报警控件：
某监控数据超限时进行提示。
但是常规的报警控件一般都是通过闪烁、计算机发出蜂鸣声进行输出的。
王二转上位机软件，除了使用通用组态软件外，还单独开发了配套软件，其中一项重要的功能就是进行语音报警功能，当出现监控数据超限或者其他报警时，除了通过常规控件显示外，还可以采用人声播报报警对象、报警状态等内容，这样一方面可以使值班人员避免长期紧盯屏幕造成的疲劳，还可以降低误报、漏报的情况。
4.4采取多举措以达到降低员工劳动强度、减人增效的目的
王二转数字化实施的一个主要目的，就是降低广大员工的劳动强度、提高劳动效率、从而能够降低用人数量，为长庆可持续发展提供人力保证。
为了达到该目的，王二转数字化通过以下途径来进行解决。
Ø远程油井监控，撤销油井住井人员。
通过在油井井场设置井口RTU、主RTU等设备，值班人员可以在值班室就实时掌握现场的油井运行数据、并且可以在数据异常时远程启停抽油机。
而且现场井口RTU也具备油井供电保护、断杆、卡杆等异常保护停机功能。
因此就解放了广大住井员工，可以使这部分员工分散到其他劳动岗位、或成立应急班，将原来不合理的人员使用率提高，增加效益；
Ø对注水井采用高压自动调节装置进行调节、实现远程调配，解放了注水井员工的劳动强度；提高配水准确性。
对王二转所属4个配水间32口注水井的原干式流量计升级为高压稳流配水装置，并安装了阀组间RTU。
这样一方面利用高压稳流配水装置的瞬流自动调节功能可以保证配水量的准确，另一方面利用阀组间RTU的功能，远程读取各个注水井实时数据和并且可以进行远程注水量调配。
Ø采用自动投、收球装置，自动对管线进行清扫，提高管线的日常维护效率。
在王二转重点井场和王二转站内，分别安装了自动投、收球装置。
在井场的自动投球装置，定时自动对管线投球扫线，清理管线结蜡、结垢，在王二转站内安装自动收球装置，可以自动将上游井场投放的球予以回收。
一方面可以使管线输油效率更高效，另一方面代替了员工的手动投、收球工作，解放了生产力；
Ø站内PLC及控制系统提供连续输油等技术，降低站内员工劳动强度。
PLC提供连续变频输油技术，这样员工就无需在液位高时手动起泵输油、在液位低时手动停输，把以前的间断输油变成了连续平稳输油。
存在如下优势：
使员工从手动操作等体力劳动上转变到数据检测、管理等工作模式下；连续输油使得管网压力变得平稳，避免启停时造成的管压波动；延长了输油泵及前后闸阀的使用寿命；
Ø通过PLC、RTU内部的联锁保护程序等，增强安全性、降低相关设备的投入。
在王二转站内，外输泵输油进行了一系列联锁控制：
液位超低联锁停泵、泵进口压力超低、泵出口压力超高联锁停泵等。
通过采用联锁控制可以提高生产的安全，另外由于使用联锁功能，可以减少安全阀、高、低液位开关等设施的投入。
4.5使用新技术、新方法降低建设成本
Ø采用功图法量油，降低了计量设备费和维护费。
在王二转，在每一口油井安装了功图采集设备——井口RTU，井口RTU采集到的功图，通过主RTU和网络传输到王二转值班室，利用专用的量油软件调取功图，结合油井基础数据，计算出油井产量。
通过功图法进行量油，增加了量油的连续性。
同时也省去了三相计量装置、量油管线等工艺设备的建设成本；
Ø选用合理的网络设备和拓扑结构，有线通信与无线通信想结合，降低网络建设方面的投入。
王二转油井分散面积大，井场位置错落无序，采用光纤传输无疑将产生非常大的投入。
王二转调研阶段，就充分考虑到网络投入方面的因素，在方案上采用无线网桥为主、光纤为辅的方式。
在井场内使用具备网状网通信能力的无线网桥，这样可降低无线网桥拓扑的复杂性和设备投入，同时也可以通过网状结构获得很好的冗余链路。
在无线网络汇集井场和核心井场采用光纤通信的方式，将无线网络分为若干个子网，通过高带宽的光纤链路进行接入，提高网络的通信质量和灵活性。
Ø井场内部传输使用无线模块进行通信，降低成本并且提高施工速度。
井场内的通信（主RTU和井口RTU、阀组间RTU之间）采用了2.4GHz的短距离无线通信模块进行通信。
2.4GHz的短距离无线通信具有工作稳定、成本低、部署快捷等优点，与传统的RS485有线通信方式相比，节省了线缆材料费和挖沟放缆的建设成本，可以在设备投入和安装方式上节约大量资金。
5、成效
王二转数字化建成使用，是对王二转传统生产方式的一次大变革，通过数字化的应用，降低了员工的劳动强度、减少了员工用工数量、并且提高了生产管理效率，具体体现在以下几个方面.。
（1）优化工艺环节，提高工作效率：
王二转区域在未改造前，由于管理区域大，共辖2座计量站、2座转油站，数字化改造后，关停了2座计量站和1座转油站。
原来的计量方式是将来油输送至双容积计量装置内计量，现在采用功图法计量，既减少了工艺环节也提高了计量效率和准确性；
（2）停用井场住人点，体现了人文关怀：
数字化投用后，许多以前由人工完成的工作改为远程监控、远程操作，这样就停用了许多井场住人点，将大量员工从枯燥、封闭的住井环境中解放出来，集中居住在条件相对要好的应急班宿舍，展现了人性化管理的特点；
（3）压缩管理层级、减少用工数量：
在王二转数字化建成之前，王二转所属油水井、2个计量站、2个转油站，都由井区进行管理，分为三级管理：
井区——站点——井场。
通过数字化改造后，撤销了井区一级管理层，井场数据直接传输到王二转监控平台。
同时精简员工21人，为长庆油田的可持续发展提供了保障；
（4）信息共享、强化各个部门职能：
传统管理方式下，采用人工巡井、记录数据、填写报表、逐级汇报的方式，向更高管理机构反映生产运行情况。
采用数字化生产后，各种油水井、站点数据自动连续采集，并且自动存储、生成报表，管理机构从以前被动的管理方式得以解放。
各个职能科室可以通过网络平台，马上了解到所需了解的信息，进行相关决策。
如：
以前采用一旬采集一次功图的方式，现在井口控制器可以以十分钟一次的高频率采集功图，并且功图及时上传、存储到数据库、提供共享，可以由值班人员进行油井状况了解；作业区相关技术科室分析油井工况、对问题井及时发现及时处理；厂级领导可以马上了解油井产量，从而调整生产指标……。
以上这些都极大低改变了管理模式，使得管理更加高效、具备针对性。
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