大澇壩氣田油氣井遠程監控系統設計與實現

羅輝

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采氣廠,新疆 庫車 842017)

大澇壩氣田油氣井遠程監控系統設計與實現

羅輝

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司雅克拉采氣廠,新疆 庫車 842017)

大澇壩氣田地處戈壁腹地,自然環境差、油氣井壓力高、安全風險大。通過自動化、信息化手段實現油氣井生產狀況的遠程監控是油田發展的必然趨勢。依據油氣井生產實際情況,設計了一套遠程監控系統。該系統以三維力控ForceControl監控組態軟件和安控RTU為軟硬件核心,對油氣井生產過程實現全天候自動監控。詳細闡述了油氣井遠程監控系統設計思路,包括系統結構原理、硬件和軟件設計。實踐表明該系統具有很好的推廣應用價值。

力控組態軟件 油氣井 遠程監控 遠程終端(RTU) 數據庫

0 引言

雅克拉采氣廠大澇壩氣田地處大漠戈壁腹地,夏季酷熱,冬季嚴寒,春秋兩季風沙大,一線員工所處的自然環境差,勞動強度非常大;且處于新疆民族敏感地區,反恐防暴形式嚴峻。管轄的油氣井多為高壓凝析氣井,氣井安全性要求高[1]。某采油氣分隊管理著大澇壩氣田的采氣井和集氣處理站。采氣井分散在集氣處理站周圍,距離較遠且相互分散,工人巡井存在著事故狀態無法及時報警和控制,突發事件不能及時處理、數據采集不及時等問題。油氣井遠程監控系統是集計算機、傳感器、自控控制、通信等技術于一體的智能化監控體系[2],能夠實現油氣井工況連續檢測、生產畫面實時監控、異常工況及時報警、生產報表自動生成、參數管理數據庫化及網絡化。針對上述情況,在大澇壩氣田建立了一套油氣井遠程監控系統,實現了生產效益和管理水平的提升。

1 系統構成

1.1 系統功能

該油氣井遠程監控系統控制中心設在采油氣分隊站控室,負責監控各單井信息,同時將各類信息傳送至采氣廠調度指揮中心。

系統實現的主要功能如下。

①參數自動采集。實現油氣井油壓、套壓、油溫等壓力和溫度信息的自動采集、顯示和存儲。

②井口自動控制。在站控室發出關井指令后,能夠通過井口液壓控制柜快速實現遠程關井[3]。

③視頻監控。采集井場視頻信號,實現現場畫面實時監控。

④音頻預警。遠程喊話能夠實現音頻預警,通過在站控室喊話,對井場實現聲音預警,防止閑雜人員進入井場。

1.2 系統結構

系統按照層次化結構進行設計,分為井場應用層和站級應用層兩層結構。其中井場應用層通過北京安控Super32系列遠程終端(remote terminal unit,RTU)實現井場信息自動采集。站級應用層以工控機和北京三維力控ForceControl軟件組成上位機系統,接收RTU傳送的信息并實時處理、顯示和存儲,同時將信息傳送至采氣廠調度指揮中心。系統結構如圖1所示。

井場RTU通過光纜與站控室上位機進行通信,采氣廠調度指揮中心通過局域網訪問位于站控室的系統服務器,實現生產信息的查詢。

2 硬件設計

2.1 井場RTU設計

井場RTU是現場數據采集和控制的核心,井場RTU采集現場信息上傳至站控室上位機,并且接收上位機發送的各類指令,控制現場設備實現相應功能。井場RTU結構如圖2所示。

圖2 井場RTU結構圖Fig.2 Structure of RTU at well site

井場RTU采用模塊化設計,將數據、視頻、音頻信息的數據采集與控制放在一起,結構緊湊,功能強大。數字光端機是RTU的核心部件,它負責信號的采集、處理、轉換和傳輸,將采集到的各路信號轉換成光信號,然后利用傳輸光纜傳送至站控室。Super32控制器負責采集井口壓力、溫度等參數,通過通信接口傳送至數字光端機,并且接收數字光端機發送的關井信號,控制液壓控制柜實現遠程關井。

數字光端機技術參數與性能如表1所示。

表1 數字光端機技術參數及性能Tab.1 Technical parameters and performance of digital optical transceiver

一根光纖可以完成視頻、音頻、控制數據的綜合傳輸。采用全數字視頻無壓縮傳輸技術,支持高分辨率的靜態和動態圖像的高質量傳輸。采用先進的自動增益控制功能,所有數據端口均有防雷設計,具有先進的自適應技術,使用時無需進行電氣光學調節。使用兩路RS-485通信接口,一路與Super32控制器通信,實現生產數據采集和遠程關井,另一路實現視頻攝像頭云臺控制。

2.2 站控系統設計

在站控室安裝與井場RTU同類型數字光端機組,接收各井場RTU傳送來的信號,并將各路信號解析出來。視頻信號進入硬盤錄像機,直接與工業電視相連,實現視頻畫面監控。生產數據信號進入串口服務器,經過轉換處理后存入數據服務器,數據監控計算機采用C/S架構,在操作站上通過組態軟件實現數據的實時監控。生產數據和視頻信息通過網絡交換機可以上傳至廠級調度指揮中心,實現廠級監控。在網絡交換機與數據服務器之間設置安全網關,實現了站控系統與外界之間的物理隔離,保障了信息安全。

各單井RTU數據通信方式采用RS-485串口通信,通過串口服務器實現通信接口擴展,與數據服務器進行通信。串口服務器提供串口轉網絡功能,將RS-232/485/422串口轉換成TCP/IP網絡接口,實現串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能。通過網絡進行數據通信,極大地擴展了串口設備的通信距離,實現了一臺上位機與多臺下位機之間的網絡通信。站控系統數據服務器與外網之間需進行物理隔離,保證控制系統不會受外部攻擊,通過設置安全網關,實現數據單向訪問(只讀),從而保障了系統信息安全。

站控系統結構如圖3所示。

圖3 站控系統結構圖Fig.3 Structure of the station control system

3 軟件設計

3.1 軟件架構

油氣井遠程監控系統軟件分為數據層、控制層和應用層。

①數據層軟件實現系統所需的視頻數據、自動化數據的采集及存儲。

②控制層軟件通過組態軟件進行開發,實現對油氣井控制、故障診斷服務、異常分析服務、報警服務等[4]。

③應用層軟件負責業務數據的展示,其根據不同的用戶群采取不同的可視化展示。應用層軟件主要采用關鍵預警、表格、統計圖、圖像、曲線等多種形式來滿足用戶應用需要。

油氣井遠程監控系統軟件結構如圖4所示。系統軟件包含視頻監控、生產過程監測、現場故障診斷、設備設施檢測維護功能。

圖4 油氣井遠程監控系統軟件結構圖Fig.4 Software structure of remote monitoring system for oil-gas well

3.2 生產過程監控軟件開發

生產過程監控采用北京三維力控ForceControl監控組態軟件實現。ForceControl監控組態軟件是對現場生產數據進行采集與過程控制的專用軟件,其最大的特點是能以靈活多樣的組態方式而不是編程方式來進行系統集成。它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法,只要將其預設的各種軟件模塊進行簡單的組態,便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能[5]。

力控監控組態軟件能同時和國內外各種工業控制廠家的設備進行網絡通信,它可以與高可靠的工控計算機和網絡系統結合,達到集中管理和監控的目的;同時還可以方便地向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口,實現與“第三方”軟、硬件系統的集成。

3.2.1 I/O設備組態

井場RTU為下位機設備,采集到油壓、套壓、油溫等生產參數后,經過串口服務器轉換,再上傳至站控系統上位機,在上位機進行數據處理。RTU與串口服務器之間采用Modbus RTU通信協議,串口服務器與數據服務器之間采用TCP/IP通信協議。ForceControl軟件根據通信協議定制出相應的I/O驅動程序,與RTU進行數據交換。

串口服務器上配置有1個網口和多個串口,每個串口對應一個單井RTU。設置好相應的站地址、波特率、奇偶校驗等參數后,即可進行一對一通信。串口服務器的網口與數據服務器相連,在ForceControl軟件中進行I/O組態,為每一口單井分配IP地址和端口,即可將單井數據采集到數據服務器中。

3.2.2 數據庫組態

單井數據采集上來,進入到數據服務器的數據庫進行存儲之后,需要進行數據庫點組態。點是實時數據庫系統保存和處理信息的基本單位。點存放在實時數據庫的點名字典中。實時數據庫根據點名字典決定數據庫的結構,分配數據庫的存儲空間[6-7]。

數據點分為模擬量、數字量等類型,每個點組態分為基本參數、報警參數、數據連接和歷史數據4個畫面。其中數據連接選項選擇測量值與某一種I/O設備建立數據連接過程,將單井RTU傳送過來的參數存入其對應的點存儲空間。報警參數選項用來設置參數的高、低限報警值。歷史數據選項用來設置I/O點的歷史數據保存及保存方式。

3.2.3 OPC組態

OPC是OLE for Process Control的縮寫,即把OLE應用于工業控制領域。不同的廠家提供的協議不同,應用軟件需要為不同的設備編寫大量的驅動程序。這種程序可復用程度低,不符合軟件工程的發展趨勢。在這種背景下,產生了OPC技術[8-9]。

在油氣井遠程監控系統中,生產數據還需要從站控室傳送至采氣廠調度指揮中心。為了保障站控系統信息安全,站控系統數據服務器利用ForceControl其自帶的OPC Server作為OPC服務器,采氣廠調度指揮中心通過pSafetyLink安全網關采集OPC服務器上的數據。將OPC Server按照步驟配置好后,在ForceControl軟件中設立網絡節點,該節點IP地址與數據服務器數據采集網卡地址一致,本機網卡與pSafetyLink安全網關通信端口設置在同一網段,即可實現OPC通信。

4 實施效果

通過油氣井遠程監控系統建設,實現了以中控室為核心的生產模式變革,有效提升了生產運行組織效率,大幅提升了安全管理水平。

①實現了參數自動采集、監測、報警。RTU遠程監測各井口參數,中控室上位機自動生成歷史曲線,參數異常波動時實時報警。

②實現了重要場所視頻、音頻全覆蓋。通過視頻監控及語音喊話警示,能夠及時發現異常,出現異常情況之后能夠迅速處理。

③實現了井口自動關斷。中控室可以遠程關井。

5 結束語

現場實踐表明,該系統結構科學,性能穩定,自動化程度高,在油氣田生產過程中為油氣田高效開發、降低消耗、安全生產、減輕員工勞動強度、提高工作效率和管理水平提供了可靠的保障,在油田企業具有很好的推廣應用價值。

[1] 徐文龍,梁博羽,李彥彬,等.蘇里格氣田高壓氣井遠程自動開關井技術[J].石油化工應用,2012,31(9):57.

[2] 齊友,李靜,張春生,等.油氣井安全與管理技術在塔里木油田的應用[J].石油規劃設計,2013,24(2):42.

[3] 羅輝,文軍紅,李川,等.高壓氣井井口控制柜遠程關斷系統設計與實現[J].機床與液壓,2012,40(7):117.

[4] 羅輝.Micrologix1500 PLC在大澇壩站天然氣增壓系統中的應用[J].自動化儀表,2011,32(12):83-86.

[5] 馬國華.監控組態軟件及其應用[M].北京:清華大學出版社, 2001:57-60.

[6] 沈宇.監控組態軟件在電力功角監測系統中的應用[J].自動化博覽,2003,20(1):16.

[7] 張勇,侯立剛,肖炎良,等.工控組態軟件實時數據庫的開發與設計[J].自動化儀表,2011,32(12):28.

[8] 石靈丹,華斌,朱歆州,等.基于OPC技術的PC與西門子PLC的實時通訊[J].船電技術,2011,31(1):9.

[9] 陳培清,周松,廖繼明,等.機械加工中LABVIEW測試系統的設計與應用[J].自動化儀表,2013,34(10): 74-75.

Design and Realization of the Remote Monitoring System for Oil-gas Wells in DaLaoBa Gas Field

DalaoBa gas field locates in the hinterland of Gobi where the natural environment is very poor,the pressure of the oil-gas wellhead is high,and the security risk is significant.Thus,implementing remote monitoring of the production status through automation and information technologies is an inevitable trend for developing oil-gas field.In accordance with the practical production conditions of the oil-gas well,the remote monitoring system is designed.With the 3D forcecontrol monitoring configuration software and ECHO RTU as the core of the software and hardware,the system realizes weather-proof automatic monitoring for the production process of the oil-gas well.The design concept of this system is described in detail,including principle of system structure,design of hardware and software.The practice shows that the system possesses good popularization and application value.

Force control configuration software Oil-gas well Remote monitoring Remote terminal unit(RTU) Database

TP29

A

修改稿收到日期:2014-02-13。

作者羅輝(1983-),男,2008年畢業于西南石油大學測試計量技術及儀器專業,獲碩士學位,工程師;主要從事油氣田自動化技術工作。