北京安控科技股份有限公司 韓衛(wèi)國

1 前言

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)內(nèi)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(xué)科的交叉與融合。物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)對物體實施智能化的控制與管理。

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品（商品）能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預(yù)。其實質(zhì)是利用射頻自動識別（RFID）技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品（商品）的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：一是感知層，即物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官識別物體，采集信息；二是網(wǎng)絡(luò)層，即物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理；三是應(yīng)用層，即物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)行業(yè)智能化。

1.2 數(shù)字油田與物聯(lián)網(wǎng)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的“數(shù)字化油田”是把地震區(qū)、井場、站庫等油田生產(chǎn)制造現(xiàn)場為數(shù)據(jù)采集源點；采用自動化數(shù)據(jù)采集設(shè)備（比如傳感器），通過局域光纖網(wǎng)、GPRS/CDMA、微波通訊網(wǎng)等傳輸手段，將地震數(shù)據(jù)、井下測量的地層和井筒數(shù)據(jù)、井口測量的設(shè)備運行和流體屬性數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)實時采集進入信息管理中心的數(shù)據(jù)倉庫；按照科學(xué)的過程如數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)的組織與管理，在此基礎(chǔ)上通過大量的業(yè)務(wù)模型進行知識集成，通過應(yīng)用智能識別、數(shù)據(jù)融合、移動計算、云計算等技術(shù)，進而支持石油地質(zhì)綜合研究、油藏分析等科學(xué)研究和在線模擬，完成生產(chǎn)實時診斷，科學(xué)研究的成果支持油田生產(chǎn)的綜合決策，決策信息反饋到生產(chǎn)制造現(xiàn)場進而完成環(huán)境監(jiān)測、單元整合、過程模擬、參數(shù)優(yōu)化和控制。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化油田，不僅可以實現(xiàn)跨地域協(xié)同工作，緊密連接生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)，還可以實現(xiàn)油田業(yè)務(wù)與技術(shù)的整合、油田數(shù)據(jù)集成、油田狀態(tài)自動監(jiān)測以及地面建設(shè)全面信息化。同時，還可以建立虛擬的數(shù)字地質(zhì)模型，實現(xiàn)油藏描述的可視化和互動性。

2 數(shù)字化油田站控系統(tǒng)方案

油氣田生產(chǎn)是個多專業(yè)、跨學(xué)科的行業(yè)，運營模式主要包括勘探開發(fā)、開發(fā)生產(chǎn)、油氣處理、油氣運輸、油氣銷售等環(huán)節(jié)。隨著新資源的不斷被探明，滾動開發(fā)模式也就逐漸形成。生產(chǎn)運營過程中產(chǎn)生了海量的原生數(shù)據(jù)，信息化也就成為了油氣田生產(chǎn)不可缺少的一部分。當(dāng)今信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，加快了油田信息技術(shù)的前進步伐。

為有力保證生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，首先必須明確前端的工藝要求。油氣田生產(chǎn)遠程監(jiān)控分析主要的對象是抽油井、氣井、注水井、計量系統(tǒng)、原油處理站。

（1）抽油井主要關(guān)注參數(shù)負荷、壓力、溫度、三相電流、三相電壓、功率、扭矩等數(shù)據(jù)，并形成專業(yè)的圖形數(shù)據(jù)實現(xiàn)油井生產(chǎn)工況實時診斷；

（2）氣井主要采集的數(shù)據(jù)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(jù)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(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要關(guān)注的參數(shù)為壓力、流量等，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的配注量，對比已注入的量，參考當(dāng)前的實時壓力，自動調(diào)節(jié)閥門開度；

（4）計量系統(tǒng)是油氣田生產(chǎn)的重要參考依據(jù)，主要以原油計量為主。雖然計量工藝有所差別，但主要目標(biāo)是計算出參考產(chǎn)量。主要監(jiān)測的變量有各管匯壓力、各管匯溫度、各閥門的狀態(tài)、計量液位等，并按系數(shù)計算出每次的液量，上傳至中控系統(tǒng)。

（5）原油處理站是整個原油開采生產(chǎn)中的終端工藝過程，負責(zé)下屬各前端采油點（如油井）、計量站、轉(zhuǎn)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(xiàn)原油提純、污水處理、污水回注、天然氣加工、原油外輸?shù)裙に囘^程，是實現(xiàn)成品原油的終端工藝，對外輸原油、天然氣的質(zhì)量至關(guān)重要。由于涉及工藝相對復(fù)雜，設(shè)備工藝裝置多，安全要求高，通過設(shè)置控制站、過程IO、遠程IO、工程師站和操作站等設(shè)備實現(xiàn)整個站內(nèi)工藝和設(shè)備的監(jiān)控，實現(xiàn)分離計量工藝、原油處理工藝、污水處理工藝和回注工藝。

數(shù)字化油田將導(dǎo)致大規(guī)模的應(yīng)用終端設(shè)備，實施維護的便利性是必須考慮的。油氣田生產(chǎn)實現(xiàn)自動化后，實現(xiàn)了減員增效。當(dāng)再有大規(guī)模自動化系統(tǒng)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(chǎn)品、無線通訊等等大大降低了現(xiàn)場施工難度，大規(guī)模建設(shè)得以實施。

油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣?；哪幸邮軜O限溫度的挑戰(zhàn)，而臨海區(qū)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(chǎn)品還需要是低能耗的?；谶@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(yè)的RTU產(chǎn)品來執(zhí)行現(xiàn)場的自動化功能控制。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心控制室是數(shù)字化油田自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，采集監(jiān)控所有前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)大致可分為3層，如圖1所示。第1層為數(shù)據(jù)采集層，由RTU與一次儀表構(gòu)成，完成現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理。根據(jù)設(shè)計需求還可以實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)存儲，以保證通訊中斷后數(shù)據(jù)的連續(xù)性；第2層為數(shù)據(jù)監(jiān)控層。在這層將利用各種軟件遠程仿真現(xiàn)場，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、實時報警。該層可根據(jù)對應(yīng)的管理模式再分為分控中心、總控中心等，還可根據(jù)設(shè)計需求進行大量歷史數(shù)據(jù)的存儲；第3層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層。在應(yīng)用層實現(xiàn)對已采集數(shù)據(jù)的分析、整理，并根據(jù)需要實現(xiàn)多種形式的發(fā)布。業(yè)界很多公司分別在數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)監(jiān)控層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層都擁有極其穩(wěn)定的產(chǎn)品和豐富的系統(tǒng)集成經(jīng)驗。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 站控系統(tǒng)組成

站控系統(tǒng)主要用于原油處理站、轉(zhuǎn)油站、增壓站。原油處理站是整個原油開采生產(chǎn)中的終端工藝過程，負責(zé)下屬各前端采油點（如油井）、計量站、轉(zhuǎn)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(xiàn)原油提純、污水處理、污水回注、天然氣加工、原油外輸?shù)裙に囘^程，是實現(xiàn)成品原油的終端工藝，對外輸原油、天然氣的質(zhì)量至關(guān)重要。由于涉及工藝相對復(fù)雜、設(shè)備工藝裝置多、安全要求高，通過設(shè)置控制站、過程IO。遠程IO、工程師站和操作站等設(shè)備實現(xiàn)整個站內(nèi)工藝和設(shè)備的監(jiān)控，實現(xiàn)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(tǒng)組成

站控系統(tǒng)一般采用RTU/PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)包括以下幾個部分：

（1）服務(wù)器：包括I/O服務(wù)器、監(jiān)視和報警服務(wù)器、報表服務(wù)器、歷史趨勢服務(wù)器等，服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)機柜，I/O模塊完成現(xiàn)場信號采集、工程單位變換、連續(xù)和離散控制，主控單元通過100Mbps高速以太網(wǎng)和操作站、服務(wù)器、高級計算機等上位機構(gòu)成企業(yè)級的Intranet網(wǎng)絡(luò)。

（3）通信系統(tǒng)：包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)，完全支持C/S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負責(zé)現(xiàn)場控制站和操作員站的通訊；控制網(wǎng)絡(luò)負責(zé)控制站和I/O模塊之間的通訊，采用現(xiàn)場總線協(xié)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(jié)構(gòu)

站控系統(tǒng)分為2層網(wǎng)絡(luò)。一層是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，用于連接I/O、子站與主控制器。另一層為控制網(wǎng)，用于連接現(xiàn)場控制站與操作員工作站。

2.2.3軟件

軟件的核心是監(jiān)控組態(tài)軟件，它完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控、報警管理等功能。DMS 數(shù)據(jù)庫管理軟件，對整個站控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供了安全、詳細的數(shù)據(jù)庫管理。軟件中的SQL/ODBC 模塊使得組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)能方便地和數(shù)據(jù)庫相連。

2.3 站控系統(tǒng)選型

根據(jù)數(shù)字化油田站控系統(tǒng)的要求，可以選擇性價比高的RTU/PLC產(chǎn)品，特別是民族品牌產(chǎn)品，近些年與國外品牌相比，在經(jīng)驗積累上國內(nèi)企業(yè)并不占優(yōu)勢，但談到技術(shù)我們并不存在多少差距。國內(nèi)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(tǒng)產(chǎn)品。其中北京安控一直從事油氣田自動化（數(shù)字化）產(chǎn)品的生產(chǎn)、研發(fā)和系統(tǒng)集成。北京安控的SuperE50系列RTU是公司集多年的站控系統(tǒng)開發(fā)、工程經(jīng)驗設(shè)計的新型站控RTU產(chǎn)品，可實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和設(shè)備的控制。該產(chǎn)品采用了先進的32位ARM技術(shù)，高效的嵌入式操作系統(tǒng)，整個系統(tǒng)功能強大、操作方便、集成度高。不僅能勝任邏輯、定時、計數(shù)控制，還能完成數(shù)據(jù)處理、高速計數(shù)、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。其程序開發(fā)方便，符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言，可與上位機組成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集散控制。

3 應(yīng)用前景與展望

油氣田物聯(lián)網(wǎng)作為一項新技術(shù)也將逐漸應(yīng)用到油田生產(chǎn)實踐中?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化油田建設(shè)，在油田數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)測、物資管理以及地面全面信息化等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景，不僅可以實現(xiàn)跨地域協(xié)同工作，緊密連接生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，還可以實現(xiàn)油田業(yè)務(wù)與技術(shù)的整合，進一步優(yōu)化油田生產(chǎn)經(jīng)營管理，拓寬油田勘探開發(fā)業(yè)務(wù)。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化油田，是油田信息化建設(shè)的有效途徑。隨著油田勘探開發(fā)的進一步深入、信息采集與智能計算技術(shù)的迅速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的廣泛應(yīng)用以及與傳感網(wǎng)結(jié)合的不斷深入，油田大規(guī)模運用物聯(lián)網(wǎng)的時機日趨成熟。