淺談RTU 在油田數字化建設中的應用

文競晨

摘要：隨著油田數字化建設工作的不斷推進，RTU作為單井生產數據采集單元，被廣泛的應用于井、間油田數字化建設中。RTU的投用，在實現了井、間生產數據遠程調控的同時，提高了單井巡控效率，方便日常井間管理，在提升生產安全性、便捷性方面效果明顯。為了解RTU的工作原理、安裝使用情況，本文主要通過對RTU的工作原理、結構功能、應用情況進行研究介紹，為今后在油田數字化建設中關于RTU控制系統的應用、維保等工作提供參考。

關鍵詞：油田數字化;RTU;傳感器

引言

國內油田目前處于智能化快速發展時期，中、小型站場也已經實現自控系統的全覆蓋。但在油田井場建設方面，數字化、自動化建設還未實現，大部分生產數據錄取還需要依靠人工取樣完成。在消耗大量人工成本的同時，人工讀取在及時性、準確性等方面都無法保障，給油田生產運維工作帶來了較大的經濟負擔和安全隱患。實現單井生產的數字化、智能化迫在眉睫。20世紀80年代中期， 國外一些廠家利用其在數據采集轉換及通信方面的優勢， 采用單片機技術推出了遠程測控終端系統（RTU）， 通過RTU 與上位計算機構成簡單的SCADA系統。90年代末， 我國開始了解RTU系統， 而直到21世紀國內才真正意義上引入RTU系統，國內部分石油自動化研究所在消化吸收國外產品技術的同時， 也相繼推出了以單片機為主要形式的自主品牌RTU設備。隨著RTU技術的不斷成熟、應用領域的不斷拓展， 在油田SCADA系統中，選擇一個傳輸及時、性能可靠、運行穩定的 RTU 勢在必行。

一、RTU工作原理

RTU結合傳感器，借助 4G/3G/2G 網絡運營商（中國移動、聯通或電信）現有的無線網絡將傳感器采集的數據入網并傳回指定的數據中心;它也能通過 LAN 口直接借助現有的有線網絡資源，將傳感器采集的數據入網并傳回指定的數據中心，可以說RTU既能適用野外遠程監控，又能用于近距離大數據（通過 LAN 口）傳輸，既能通過無線射頻模塊組成無線傳感網絡，又能通過 RS485 口或 CAN 口組成分布式測試系統。

1、RTU的架構

RTU主要是由以下三種不同的集成電路模塊組成：

第一塊為電路模板，這個電路是獨立電量采集模塊，它主要用于交流電量的采集，這個電路上有兩個原件，一個是三相四線制/三相三線制多功能芯片，其內置電壓可用來監測電路，保障上電和斷電時的穩定工作，另一個是獨立的MCU單元也就是微型單片機控制單元用來保護電參的獨立性，穩定性和可靠性。

第二個電路模塊為獨立主板模塊，用于RTU自身的故障診斷分析，其獨立主板的接口采用MINI PCI-E也就是無線網卡接口，而CPU芯片具有300M的運行能力，而且時鐘的速度很快，可達到150MHz，支持SRAM也就是靜態存儲單元和外部I/O器件，以及5個片選信號，同時主板的存儲能力也很強，具有512M的存儲量，并且再斷電后也能保持CPU一段時間內供電，將文件進行保存，這就保證了廠內報表輸出的實時性和準確性，而其4G網絡硬件單元，可用于支持全網網絡傳輸，其插孔式和貼片式可以靈活將適用射頻板直接集成，方便適用，提高產品硬件的集成度，

第三個模塊為擴展模塊，由保護被測試電路對象和AI采集電路這兩個電路組成，可以減少環境干擾對信號的影響。

1、研究原則

為保證系統安全高效的工作， 需滿足以3下個原則：

（1）安全性、可靠性與穩定性的實現， 尤其是要有可靠穩定的運行保護、數據采集、 控制

（2）實現系統設備之間的良好數據通信;

（3）環境適應能力良好，滿足油田生需要。

2、RTU 系統設計

2.1 控制系統組成

遠程測控系統（RTU） 是構成綜合自動化系統的核心裝置， 通常由指令控制器 （CPU） 及數據輸入輸出模塊 （DI/ DO）、模擬量輸入輸出（AI/AO），數據通信部分、電源部分及輔助部件與柜體組成， RTU 控制系統控制柜外如圖一所示。

2.2 主要功能

為保證系統正常工作， RTU 必須滿足以下 5項功能：

（1） 數據采集： 采集壓力、 流量、 位移、 載 荷、沖次等;

（2） 數據傳輸： 采集的數據通過無線方式進行傳輸;

（3） 數據監控： 上位機進行監測數 據和控制設備的動作;

（4） 數據存儲： 所有數據進 行歸檔存儲。

（5） 遠程啟停井以及沖刺調節

2.2 主要技術特性

RTU 具有如下3項主要的技術特性， 這些特性決定了RTU的性能。

（1） 極高的可靠性： 內置CPU芯片以及獨立的MCU， SRAM 和外部I/O 器件，形成標準化產品， 可靠性高、穩定性強;

（2） 采用可換式電路板， 便于維護、維修、更換;

（3） 輸入電壓范圍寬， 適用于電壓波動大的場

（4） 模擬量與數字量輸入輸出擴展性強，方便， 可對單井位移、載荷、壓力、溫度、 流量、液位等信號進行數據采集、存儲;

（5） 配置現場手操器， 易于形成無線數據傳輸與自動化控制;

三、現場應用情況

采油三廠采用A11的技術架構，RTU采用Zigbee下采、4G上傳通信方式。

北二一聯合站下屬的劑量間/井，共有壓力、溫度、流量、液位等各類型儀表5000多塊，監控131臺設備，6種儀表數據進入A11系統平臺：壓力/界面（液位）/溫度/液壓/流量/電參。

（1）數據傳輸模式：

油井井口、計量間的儀表使用ZigBee協議將數據無線傳輸至RTU模塊，再經由 4G網絡將RTU模塊采集到的數據傳遞給北二一聯合站，北二一聯合站將數據上傳至A11平臺。

（2）報表信息錄入

1、210個參數（主要為生產參數）構成的報表系統，部分是巡檢人員手工錄入。

2、巡檢人員進行站/間/井巡檢;使用巡檢手持器，可以將數據采集到A5系統（采油與地面工程運行管理系統）。

（3）未入系統的數據

聯合站的加熱爐系統、可燃氣體報警系統，這2個系統的數據沒有進入聯合站監控平臺，也沒有進入A11平臺。

（4）常用測量方式

油：容積式

水：電磁式

氣：渦街式

電：智能電表（互感器）

示功圖：位移載荷

3.1抽油井

通過無線功圖傳感器將抽油機實際數據采集至RTU并將歷史數據上傳至上位機生成示功圖。首先，將功圖傳感器防掉繩繞過最近的鋼纜，將快掛卡扣在防掉繩上。調整功圖傳感器位置，使抽油桿與功圖開口兩邊的間隙盡量一致，現場安裝圖如圖二所示。

3.2計量間

計量間到每個抽油井有單獨管道，每根管道配一個溫變;多根管道匯總到一起，配置一個壓力表，現場安裝圖如圖三所示。

3.3開發應用情況

目前大慶油田中的慶新油田，五廠，三廠，二廠在RTU數字化油田中逐步推進

但現有系統對RTU的鏈路故障以及死機狀態的處理，只能采用重新開機來恢復RTU的工作狀態，其次RTU的環境適應能力不是很好，在極冷或極熱的狀態下，都會導致RTU的死機狀態，為了未來實現RTU下的智能化大慶油田全覆蓋，如何處理和維護RTU是智能化油田的關鍵。

4、展望

（1）通過RTU采集到數據在云端數據處理，與邊緣計算相結合，實現遠程自動調節功能。

（2） 高抗寒、 耐高溫研究。 采用新型保溫膜材料， 提高 RTU野外現場惡劣環境的適用性。

（3） 無源 RTU 應用與研究。 在 RTU 柜體頂部安裝太陽能電池板， 采用新型太陽能充電結合鋰電池供電技術， 為 RTU 柜體提供所需的電源。

參考文獻

1. 趙 云 峰 .SCADA 與 RTU： 構 筑 數 字 化 油 田[J]. 石油與裝備 ，2011（06）：77-77.

2. 馬 海 波 . RTU 遠 動 裝 置 的 改 造 升 級 [J].自動化應用 ，2016（04）