力控®組態(tài)軟件示功圖在油田的應(yīng)用
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油田自動化信息系統(tǒng)建設(shè)主要包括油井遠(yuǎn)程監(jiān)控、配電線路自動化系統(tǒng)、輸油管線泄露監(jiān)測、集輸站庫自動化監(jiān)控等四個部分,其目的是利用現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)源頭自動采集,借助油田現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源自動加載到廠級實時數(shù)據(jù)庫,為各級管理部門應(yīng)用提供開放的數(shù)據(jù)平臺,使生產(chǎn)和管理人員及時控制和掌握生產(chǎn)動態(tài),從而實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動化;并可以對取得的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、優(yōu)化,從而為保證生產(chǎn)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)、降低生產(chǎn)成本提供重要依據(jù)。下面我們就油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行論述。
1.1.現(xiàn)狀綜述
全國各地各采油廠已不同程度地進(jìn)行了油井監(jiān)控的試點工作,目前參與的廠商數(shù)量比較多,水平參差不齊,各個廠家都是在做試點工作,也有個別廠家開始規(guī)模推廣。也暴露出很多的問題,主要表現(xiàn)在油井現(xiàn)場設(shè)備可靠性差,可維護(hù)性差,不能承受油井現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境(包括高溫、低溫、潮濕和沙塵)。數(shù)據(jù)開放性不夠,往往是各個廠家互不兼容,軟件數(shù)據(jù)不能共享,呈現(xiàn)一個個的自動化孤島。
全國十幾萬口油井,已經(jīng)采用油井監(jiān)控的油井不會超過一萬口,不足總數(shù)的10%。
1.2.設(shè)計思想
目的:
油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過對井口參數(shù)的實時檢測,采用輪詢-應(yīng)答的通信方式,將檢測到的油井狀態(tài),通過無線方式傳送給采油廠實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,并以C/S或B/S模式,使生產(chǎn)管理的各個部門能夠及時掌握油井工作狀態(tài),縮短油井故障處理時間,提高開井時率,增加原油產(chǎn)量,提高工作效率。另外,油井井口的控制器具有電量計算功能,可以為6kV 電力線路配電自動化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)計算數(shù)據(jù)。
原則:
自動化工程必須按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫”的原則建設(shè),系統(tǒng)方案必須整體考慮網(wǎng)絡(luò)通訊、系統(tǒng)安全等問題,保證實時數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)開放,使整個系統(tǒng)具有極高的可靠性與實用性。
系統(tǒng)設(shè)計遵循“實用性、可靠性、先進(jìn)性、易維護(hù)”的基本原則,以方便操作、可靠運行為實施根本;方案設(shè)計既立足于實際,便于實施,又著眼于未來,為發(fā)展留有余地。技術(shù)方案普遍采用近幾年發(fā)展和改進(jìn)的新技術(shù)、新設(shè)備、新系統(tǒng),其所有硬件和軟件均應(yīng)經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場考驗,經(jīng)驗證具有先進(jìn)性和可靠性。
整個油田自動化系統(tǒng)在局域網(wǎng)上根據(jù)地域特點在每個采油廠設(shè)一個實時數(shù)據(jù)傳控中心(包括通訊處理機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器),用于集中管理和存放各采油廠所轄區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)井、6KV 配電線路、聯(lián)合站、輸油管線的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù),做到實時數(shù)據(jù)庫開放的原則。
整個系統(tǒng)構(gòu)成如下:
方案說明:
井口控制器采集油井示功圖、電量、回壓、溫度等參數(shù),經(jīng)CDMA/GPRS 網(wǎng)或者數(shù)傳電臺,以CDMA/GPRS 專線方式或者數(shù)傳電臺接口(RS232) 接入采油廠通訊機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,廠礦小隊的計算機可以用瀏覽器或客戶端方式對實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。井口控制器改變以往只采電壓、電流有效值地模式,而是實時采集計算電機電量參數(shù),可為配電線路自動化系統(tǒng)提供所需的數(shù)據(jù)。
6kV 配電線路遠(yuǎn)方終端、采油廠通訊機、實時數(shù)據(jù)庫、配電SCADA 應(yīng)用服務(wù)器、工作站等,利用CDMA/GPRS 網(wǎng),組成配電線路自動化系統(tǒng),實現(xiàn)對配電線路運行狀況的實時監(jiān)控和管理。
集輸站庫自動化系統(tǒng)與輸油管線泄漏檢測系統(tǒng)均是相對獨立的一個系統(tǒng),經(jīng)局域網(wǎng)將系統(tǒng)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳采油廠實時數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享。
通過B/S 模式,可以使管理者瀏覽和查詢?nèi)珡S實時數(shù)據(jù),及時了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況。也可以通過C/S 模式對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析。
為了保證系統(tǒng)的時鐘一致性,系統(tǒng)配備專用的GPS 時鐘,用于同步全網(wǎng)的系統(tǒng)時鐘,包括定時與各FTU、SU 遠(yuǎn)方對時。
系統(tǒng)中通訊機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等重要節(jié)點采用雙機熱備用配置,保持主機和備機之間數(shù)據(jù)的一致性,使主、備機可以在故障時可以隨時切換運行。
數(shù)據(jù)中心采用雙網(wǎng)冗余配置,且與油田局域網(wǎng)隔離,當(dāng)主網(wǎng)出現(xiàn)故障,備網(wǎng)可隨時切換為主網(wǎng)運行。
網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計,采用防火墻、數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡(luò)隔離、用戶權(quán)限管理等技術(shù)和手段保證網(wǎng)絡(luò)和信息的安全。用戶權(quán)限管理工作包括系統(tǒng)用戶資料庫管理、用戶注冊、用戶級別設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置等主要內(nèi)容。
目前全油田網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)已建立起了病毒防治體系,因此本系統(tǒng)病毒防治依照油田統(tǒng)一規(guī)范執(zhí)行。
1.3.油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
根據(jù)油井分布的地域特點與無線通訊技術(shù)發(fā)展的水平,油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)考慮用CDMA/GPRS 或者數(shù)傳電臺通訊模式,系統(tǒng)主要由傳感器、井口控制器SU、CDMA/GPRS (數(shù)傳電臺)通訊模塊DTU、采油廠通訊機、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB 服務(wù)器、監(jiān)控瀏覽終端等組成。系統(tǒng)框圖如上面總圖所示。
油井工作狀態(tài)傳感器主要有溫度傳感器,壓力傳感器,電機電流、電壓傳感器抽油機載荷、位移傳感器、變壓器一次側(cè)電流傳感器,它們將油井的工作狀態(tài)變換成對應(yīng)的電壓或電流值送至井口控制器SU。然后經(jīng)CDMA/GPRS 網(wǎng)或數(shù)傳電臺,接入采油廠通訊機,數(shù)據(jù)通訊機采用輪詢方式收集井口控制器數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過分析經(jīng)處理后,進(jìn)采油廠實時數(shù)據(jù)庫。廠礦小隊的計算機可根據(jù)不同的權(quán)限,采用C/S 或B/S模式對實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。
1.3.1.系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
電泵井 SU 主要進(jìn)行電壓、電流、油井回壓、井口溫度等參數(shù)的測量。抽油機井SU 主要進(jìn)行示功圖、電壓、電流、油井回壓、井口溫度等參數(shù)的測量,且保留油井遙控啟停功能。
井口控制器具有電機有功功率、無功功率、功率因數(shù)、日用電量等參數(shù)的計算功能。
對電潛泵井停機、電壓過壓、欠壓、電流過流、欠載、井口回壓過高、過低等異常情況檢測報警;對抽油機井停機、電壓過壓、欠壓、電流過流、欠載、井口回壓過高、過低、載荷過低等異常情況檢測報警。線路來電瞬間,也作為異常情況報警。
采油隊監(jiān)控機按照管理權(quán)限僅能查詢本隊油井的工作狀態(tài)、實時收據(jù)、及相關(guān)通信模塊工作狀態(tài)、配電線路工作狀態(tài)。
抽油機井示功圖、電流圖(或功率圖),除定時采集保存外,采油隊可根據(jù)生產(chǎn)情況,手動選擇油井井號,實時索要示功圖、電流圖(或功率圖)。
當(dāng)電潛泵井出現(xiàn)過載停機故障時,將停機前一分鐘內(nèi)三相電流(Ia、Ib、Ic)與線電壓(如Uab)的數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫,為電泵故障診斷提供分析數(shù)據(jù)。
采油隊監(jiān)控機具有靜態(tài)數(shù)據(jù)瀏覽和編輯等功能:包括抽油機型號、配置電機型號、油井井號、沖程、線路名稱、量程上、下限、報警上、下限、油井井況等方面的數(shù)據(jù),并能夠添加新開油井、刪除停產(chǎn)油井、修改作業(yè)井的基本數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)具有示功圖、電流圖(或功率圖)、電流、電壓等參數(shù)的實時趨勢、歷史趨勢監(jiān)視功能,可方便地了解長時間的參數(shù)變化情況,方便快速分析。
系統(tǒng)應(yīng)將地理概念引入圖形系統(tǒng),使圖形能反映地理信息,可以非常直觀形象反映整個油區(qū)的工作狀況。
采油廠、礦與相關(guān)科室能夠通過瀏覽器查詢廠、礦、隊油井的工作狀態(tài)與實時數(shù)據(jù),當(dāng)天停井情況、開機時率統(tǒng)計,以及歷史數(shù)據(jù)與歷史記錄。
1.3.2.需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)
抽油機井需上傳數(shù)據(jù)主要有:載荷(最大與最小值)、回壓、井口溫度、電流(Ia、Ib、Ic) (最大與最小值)、電壓(Ua、Ub、Uc)有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、上下沖程最大電流值、上下沖程功率、平衡率、日用電量、累計電量、沖次、系統(tǒng)狀態(tài)、采集時間等數(shù)據(jù)。示功圖、電流圖(或功率圖)需要一個沖次內(nèi)載荷、電流(或功率)的所有采集量,每個圖約需要200 個數(shù)據(jù)。因此,數(shù)據(jù)總量約為430 個數(shù)據(jù),其中基本數(shù)據(jù)量為30 個數(shù)據(jù)。
電潛泵井需上傳數(shù)據(jù)主要有:回壓、井口溫度、電流(Ia、Ib、Ic)、電壓(Ua、Ub、Uc)、變有功功率、無功功率、功率因數(shù)、日用電量、累計電量、系統(tǒng)狀態(tài)、采集時間等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總量約為20 個數(shù)據(jù)。
1.3.3.采油隊主站
油井生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在油井上的監(jiān)測終端、安裝在采油廠級的通訊和數(shù)據(jù)服務(wù)器、采油隊等用戶使用的監(jiān)測界面、現(xiàn)場通訊系統(tǒng)和管理通訊系統(tǒng)五個部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示:
油井監(jiān)測系統(tǒng)軟件由通訊軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、命令處理軟件、報警和事件處理軟件、安全控制軟件、圖形界面軟件和圖形制作軟件組成。
通訊軟件主要負(fù)責(zé)通過設(shè)定的通訊規(guī)約和接口與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通訊,獲取現(xiàn)場設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)或向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和指令。
數(shù)據(jù)處理軟件主要負(fù)責(zé)將通訊軟件得到的原始數(shù)據(jù)按現(xiàn)場采集點的類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換、判斷是否需要產(chǎn)生報警及數(shù)據(jù)存儲管理。
命令處理軟件主要負(fù)責(zé)處理用戶的下發(fā)命令、將命令轉(zhuǎn)換為通訊服務(wù)器的控制指令,并協(xié)調(diào)多個用戶同時下發(fā)命令時的關(guān)系。
報警和事件處理軟件負(fù)責(zé)實現(xiàn)預(yù)定的報警效果、對報警和事件進(jìn)行記錄、存儲。
安全控制軟件負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)用戶的認(rèn)證和授權(quán)信息,對系統(tǒng)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證和權(quán)限檢查。
圖形界面軟件和圖形制作軟件用于生成和顯示用戶圖形界面。
系統(tǒng)基本處理流程為:
油井的數(shù)據(jù)由油井終端負(fù)責(zé)采集,油井終端上裝通訊模塊,采集到的數(shù)據(jù)由通訊模塊送至位于采油廠信息中心的通訊服務(wù)器。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。采油廠用戶通過應(yīng)用服務(wù)器獲取系統(tǒng)服務(wù),應(yīng)用服務(wù)器訪問實時數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。
由用戶發(fā)起的操作,如手工召測數(shù)據(jù)、更改配置等,由應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理,并通知通訊服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)的操作。
1.3.3.1. 功能
系統(tǒng)主要有以下功能:
(1) 數(shù)據(jù)采集功能
數(shù)據(jù)定時采集:能夠采集各種可以通過通道傳遞到主站的遙測、遙信、電度及其它類型的量測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)定時召喚油井終端數(shù)據(jù),召喚周期可按功圖、電流圖和其它量分別以分鐘為單位設(shè)置,最小為1 分鐘,最大為255 分鐘;
按需數(shù)據(jù)采集:采油廠用戶終端可在任何時刻請求召喚一口或多口井的數(shù)據(jù);
通訊控制功能:啟動/停止對油井終端的數(shù)據(jù)采集、切換終端使用的通道等;
通道質(zhì)量監(jiān)視及故障診斷,通訊流量計算;
GPS 對時:接入GPS 時鐘信號,定時統(tǒng)一全系統(tǒng)時鐘,并向各油井終端發(fā)送對時命令;
可支持多種通訊規(guī)約、多種通訊通道;
添加/刪除油井終端,修改終端通訊參數(shù),如地址、通訊規(guī)約、數(shù)據(jù)召喚周期等;
修改油井終端參數(shù),如各種報警限值,抽油機沖程、沖次、各傳感器量程等參數(shù),并將必要的參數(shù)下發(fā)到油井終端;
(2) 數(shù)據(jù)處理功能
事項報警處理功能:系統(tǒng)對模擬量可分別設(shè)置報警上、下限,有效上、下限,當(dāng)數(shù)據(jù)越限值時可生成報警記錄??啥x報警的音響效果,活給出語音報警提示;
事件記錄,系統(tǒng)記錄所有用戶操作、通訊事件和終端報警;
數(shù)據(jù)保存周期可按不同數(shù)據(jù)類型設(shè)置為逢變即存、10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘(保存周期應(yīng)大于等于采集周期);
權(quán)限管理。所有系統(tǒng)操作均有授權(quán)控制;
(3) 人機界面功能
界面循環(huán)顯示:授權(quán)用戶可選擇油井,使基本信息界面可自動循環(huán)顯示,顯示時間可在5 秒-30 秒之間以秒為單位設(shè)置;
報警發(fā)生時,可自動推出報警畫面,并伴有聲音或語音報警;
結(jié)合地理位置圖顯示油井信息,如開/關(guān)井,基本運行數(shù)據(jù)等;
結(jié)合地理位置圖顯示與油井相關(guān)的電力線路運行信息,如是否停電等;
生成各采集參數(shù)的時間曲線;
顯示示功圖:功圖迭加和并列對比;
計算功能:支持常用函數(shù)功能;
歷史數(shù)據(jù)綜合查詢及生成報表;
遙控啟/停井(預(yù)留功能)
(4) 系統(tǒng)維護(hù)功能
為油井終端維護(hù)人員提供手持終端,以便于現(xiàn)場維護(hù),并可在局信息網(wǎng)出現(xiàn)故障時接收現(xiàn)場的報警信息;
(5) 報表功能
可自定義報表格式,生成EXCEL 報表。
1.3.3.2. 應(yīng)用服務(wù)器
應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)接收用戶終端的請求,通過訪問實時數(shù)據(jù)庫向用戶返回所需的數(shù)據(jù),在必要時向通訊服務(wù)器發(fā)出指令。油井應(yīng)用服務(wù)器包含數(shù)據(jù)處理軟件、命令處理軟件、報警和事件處理軟件、安全控制軟件、圖形制作軟件。油井應(yīng)用服務(wù)器軟件應(yīng)至少提供以下基本功能:
?。?) 生成客戶終端畫面
畫面應(yīng)可以以采油廠地圖做背景,按油井的近似地理位置顯示油井的基本運行狀態(tài),如是否開井、是否有報警等;鼠標(biāo)移動到油井位置可彈出信息框,顯示油井的基本運行數(shù)據(jù),如電流、電壓、回壓、溫度等;鼠標(biāo)點擊該井轉(zhuǎn)入詳細(xì)的油井信息畫面,提供了顯示示功圖、查詢歷史記錄、進(jìn)行功圖對比等功能選項。
以地圖做背景的畫面可以方便地進(jìn)行放大、縮小、平移等操作,圖形應(yīng)在正??s放范圍內(nèi)保持不失真。
?。?) 安全控制
?、?系統(tǒng)應(yīng)能對用戶采用基于組的權(quán)限控制方式,對終端采用基于區(qū)域的控制方式;
?、?系統(tǒng)向用戶提供以下權(quán)限:系統(tǒng)管理、終端管理、控制、瀏覽,能控制每個用戶對每個終端的訪問權(quán)限;
③ 系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)注冊(修改)新用戶,并為用戶分配權(quán)限;負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)級參數(shù),包括:生產(chǎn)井缺省輪詢周期、生產(chǎn)井缺省保持日期;
?、?一般授權(quán)用戶可以添加(修改)其管轄范圍內(nèi)的終端的配置參數(shù)
?。?) 通過查詢配電實時數(shù)據(jù)庫,獲取配電線路的實時數(shù)據(jù)顯示在地圖背景上,使小隊用戶可以及時掌握油井供電情況,當(dāng)發(fā)生停井時能更好地分析停井原因;
?。?) 數(shù)據(jù)處理
接收通訊服務(wù)器采集的數(shù)據(jù),通過配置庫中配置的變換參數(shù)和報警限值設(shè)定,將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程值,并與報警限值比較,如果需要產(chǎn)生報警,則交給報警和事件處理軟件。
?。?) 歷史數(shù)據(jù)存儲
可對每個采集點配置歷史存儲周期,歷史存儲周期至少可設(shè)置為以下兩種:逢變即存、以分鐘為單位設(shè)置存儲周期。
?。?) 報警控制
系統(tǒng)可為每種報警定義報警級別,對每個報警級別提供不同的報警效果,如顏色、音響、閃爍等。
可為每個報警級別定義自動確認(rèn)及時間或人工確認(rèn)。
可支持多種報警音響效果,至少包括以下兩種:以PC 機的蜂鳴器作為音響效果,使用自定義的wav 文件
?。?) 圖形工具
提供繪制用戶界面的圖形工具。繪制好的圖形界面可自動下發(fā)到用戶終端。
?。?) 雙機備用系統(tǒng)維護(hù)
在系統(tǒng)正常運行時,可隨時停止雙機備用系統(tǒng)中的任何一臺機器而不影響系統(tǒng)運行;可手動切換主/從機
(9) 實時/歷史數(shù)據(jù)庫維護(hù)
提供維護(hù)實時/歷史數(shù)據(jù)庫的工具,主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。一般使用數(shù)據(jù)庫自帶工具即可。
1.3.3.3. 通訊服務(wù)器
通訊服務(wù)器主要用于與現(xiàn)場設(shè)備通訊,處理在通訊過程中遇到的問題,以向系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)。通訊服務(wù)器軟件應(yīng)具備以下基本功能:
?。?) 增/刪終端
系統(tǒng)可支持多種類型的終端。至少支持以下兩種:抽油機井終端、電泵井終端
?。?) 配置終端通訊參數(shù),包括通訊規(guī)約及屬性;
系統(tǒng)可支持多種通訊規(guī)約。至少支持MODBUS、DNP3.0/UDP/IP 規(guī)約。
(3) 下發(fā)終端采集參數(shù);
?。?) 按照終端的配置執(zhí)行與終端的通訊過程和規(guī)約處理系統(tǒng)根據(jù)終端的通訊通道和廠家將終端分組,一個組中的終端應(yīng)是同一通訊方式同一廠家的產(chǎn)品,一個組最多可容納20 個終端(與通訊的輪詢周期有關(guān))。在循檢時間到來時,通訊服務(wù)器根據(jù)終端的分組情況,為每個組建立一個通訊線程,由每個現(xiàn)場負(fù)責(zé)該組中所有終端的通訊。一個組應(yīng)使用相同廠家的接口模塊。
(5) 對終端進(jìn)行時間同步;
?。?) 將接受到的模擬量進(jìn)行標(biāo)度變換,轉(zhuǎn)換為工程值;
?。?) 將處理過的數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫;
?。?) 通道質(zhì)量監(jiān)視對通道的速率、誤碼率等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,并隨時做出統(tǒng)計結(jié)果;
(9) 雙機熱備用,保障系統(tǒng)可靠性;
?。?0)接受應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出的指令;
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