基于SCADA-DCS 通訊技術的油氣開采數據自動化采集與控制系統

張 強，陳 銳，杜永紅，馬 瀟

（中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000）

目前油氣管道被廣泛應用于天然氣、原油、成品油等能源的采集輸送項目中[1]。現代油氣開采和輸送技術的持續發展下，油氣管道系統已開始采用具備遠程監測與控制功能的分布式計算機控制系統[2-4]。這一系統的應用，使得油氣開采時，管道能夠實現遠程集中調控和運行。控制中心可以實時遠程監控現場工藝的運行參數，并控制和調節閥門、油泵、變頻器等關鍵設備的運行狀態[5]。在油氣開采遠程監控中，通信網絡性能與遠程監控效果存在密不可分的關系。文獻[6]研究了基于LoRa 技術的油田數據采集系統，此系統針對油田環境復雜性和特殊性，由LoRa 技術提供了一種低功耗、遠距離的無線通信解決方案，可以有效地解決油田數據采集中組網復雜性和高功耗問題。但LoRa 技術也存在一些局限性，如穿透力較弱、信號質量受環境影響較大等，會導致其在某些應用場景中可靠性降低；文獻[7]研究了基于深層油氣勘探需求開發的時頻電磁（TFEM）勘探儀器系統，此系統能夠利用時頻電磁（TFEM）勘探儀器采集油氣勘探數據，但是此系統不具備遠程控制功能。

SCADA-DCS 通訊技術具有實時性、可靠性、靈活性、安全性和經濟性的優勢，可以適應不同工業控制領域的需求[8-10]。為此本文設計基于SCADADCS 通訊技術的油氣開采數據自動化采集與控制系統。

1 油氣開采數據自動化采集與控制系統設計

基于SCADA-DCS 通訊技術的油氣開采數據自動化采集與控制系統的一體化結構圖，如圖1 所示。

圖1 基于SCADA-DCS 通訊技術的油氣開采數據自動化采集與控制系統的一體化結構圖Fig.1 Integrated structure diagram of oil and gas extraction data automatic acquisition and control system based on SCADA-DCS communication technology

1.1 基于油氣開采數據自動化采集的原油處理站DCS 設計

可自動化、實時采集油氣開采數據的原油處理站DCS 組成結構，如圖2 所示。原油綜合處理站的控制室與現場儀器儀表的連接，是通過一個專門的接線柜IP1 來實現的，這樣可以方便系統接線的檢查與維護。工作站則通過交換機與主控單元進行連接，使得工作人員可以在工作站上，遠程、集中監測開采現場的實時設備狀態數據。同時，DCS 集中管理的油氣開采數據，可以通過DCS 服務器傳遞給SCADA服務器。通過這種數據共享的方式，可以優化原油綜合處理站的油氣開采過程監控和管理效果，提高油氣開采效率和管理水平。

圖2 原油處理站DCS 的組成結構Fig.2 Composition structure of DCS in crude oil processing station

1.2 基于智能PID 的油氣開采油泵控制器設計

油氣開采油泵控制是非常必要的。在油氣開采過程中，油泵起著非常重要的作用，它能夠將地下原油輸送到其他儲油設備中，也能控制油氣緩沖罐的液面高度。因此，對油泵進行控制可以確保油氣開采過程的順利進行，提高采油效率和產量。為保證油氣開采時，油泵流量合理，原油處理站DCS 控制柜使用基于智能PID 的油氣開采油泵控制器，調節油泵變頻器轉速。基于智能PID 的油氣開采油泵控制器，如圖3 所示。

圖3 基于智能PID 的油氣開采油泵控制器Fig.3 Intelligent PID based oil and gas extraction pump controller

1.3 SCADA-DCS 通訊技術設計

1.3.1 基于MODBUS 通訊協議的SCADA-DCS 通訊方案設計

SCADA-DCS 通訊方案如圖4 所示，SCADA 工作站可在MODBUS 通訊協議的協助下與DCS 通訊。此協議的使用，原油綜合處理站DCS 可經由網絡，和SCADA 工作站通信，在油氣開采數據自動化采集與控制過程中，利用此協議構建SCADA-DCS通訊網絡，可完成集中一體化監控。

圖4 SCADA-DCS 通訊方案Fig.4 SCADA-DCS communication scheme

1.3.2 SCADA-DCS 通訊協議中斷優先級分配方法

在MODBUS 協議中斷處理中，不同SCADA-DCS通訊數據可能對中斷處理時間的要求不同。如果某些SCADA-DCS 通訊數據的中斷處理時間過長，可能會影響整個油氣開采自動化控制效果。為SCADADCS 通訊數據分配不同的中斷優先級，可以確保對中斷處理時間要求高的請求，能夠更快地得到響應，從而優化系統通訊性能。例如油氣緩沖罐的液面高度低于最低值，便需要立即中斷油泵運行狀態，以免罐內原油抽空，導致油泵進入無效動作狀態。SCADA-DCS 通訊時，若油氣開采工程中存在DCS 多個控制站控制緩沖罐液位，MODBUS 協議便存在多個中斷服務程序，簡稱ISE 程序。為保證油氣開采的油泵控制效果，需要合理分配串口中斷優先級，每個ISE 程序保持協作性，才能保證SCADA-DCS 通訊效果。本文系統運行時，SCADA-DCS 通訊過程中，系統時鐘與MODBUS 通信協議串口的波特率是gs、A，每傳輸一個單位字節數據，所耗費的位數是ma，MODBUS 協議的終端ISE 優先級分為n 級，最低優先級與最高優先級分別是0 級、n 級。SCADA-DCS通訊數據中斷服務程序的數量是m，將其設成ISR1，ISR2，…，ISRm，第j 個中斷是ISRj，此中斷ISRj的優先級設成uj。ISRj執行時，所耗費的時間是TC，其運行時間為

如果ISRj出現的間隔時間是dj，則ISRj的出現周期是dj。若油氣開采進程穩定，緩沖罐液位調節的油泵ISRj按照固定頻率gj出現，則：

中斷優先級的設置，主要根據T、dj的實際取值與油氣開采時SCADA-DCS 通訊狀態設定。某優先級條件中，出現間隔時間最短的中斷服務程序，其dj不可以低于自身與不低于自身優先級的ISR 運行時間的和值，原因是2 次中斷服務程序出現的時間不低于dj，便會導致中斷程序不能正常中斷，此時SCADA-DCS 通訊失敗，將導致油氣開采數據自動化控制失敗。此條件的表達式為

式中：min｛dj｝即為和ISRj優先級相同的中斷服務程序中，出現周期最小值；uj代表ISRj的優先級；ui代表第i 個油泵中斷服務程序ISRi的優先級。

SCADA-DCS 通訊時，MODBUS 通訊協議的中斷服務程序，僅在滿足式（3）條件時，才能被系統采納。

2 仿真實驗

2.1 實驗環境設計

將本文系統使用于某合水油田開采任務中，此油田的采油作業區主要使用頻率固定的輸油模式：原油處理站DCS 結合自身的采油產量與油泵排量，設置油氣緩沖罐液位最低值、最高值，若液位越限，按照固定參數調整變頻器轉速，油泵進入輸油模式，如果液位處于最低狀態，油泵運行中斷。此模式的使用，影響油氣開采的作業效率。以該采油作業區2個采油井的增壓站為實驗對象，此增壓站的工藝流程如圖5 所示。

圖5 采油作業區增壓站的工藝流程Fig.5 Flow chart of booster station in oil production operation area

主要使用本文系統對2 個采油井緩沖罐液位進行數據自動化采集和控制。2 個采油井的基礎信息如表1 所示。

表1 采油井基礎信息Tab.1 Basic information of oil production wells

2.2 油氣開采數據自動化采集與控制效果測試

測試本文系統采集采油作業區增壓站的緩沖罐液位信息后，對其自動化控制效果。首先以采油作業區2 個井口數據為例，1# 采油井使用固定頻率控制模式，當緩沖罐液位越限，再啟動變頻器按照固定的頻率輸油，從而控制液位。2# 采油井使用本文系統，設定恒定液位閾值，油泵運行時，若出現液位越限問題，便使用模糊神經網絡自適應調節變頻器參數，隨著液位變化而動態調節油泵。

測試2 個采油井的油氣開采作業中，輸油管道的輸油時間、油泵啟停次數、油泵維修次數的對比結果，以及緩沖罐液位變化。輸油時間、油泵啟停次數、油泵維修次數的對比結果如表2 所示，從表2可知，2# 采油井使用本文系統后，輸油時間比1# 采油井短，此時油泵頻率可結合油氣液位變化而自適應變化，管線壓力降低，運行狀態相對平穩，所以油泵啟停次數為0 次，維修次數為0 次，從而在保證油氣開采效率的基礎上，延長油泵的使用時間。證明2# 采油井使用本文系統可優化油氣開采工作的設備使用壽命。

表2 輸油時間、油泵啟停次數、油泵維修次數對比結果Tab.2 Comparison results of oil delivery time，oil pump start stop times，and oil pump maintenance times

緩沖罐液位變化如圖6 所示。從圖6 可知，1#采油井存在油氣緩沖罐液位越限問題，2# 采油井液位處于正常狀態中。對比之下，2# 采油井使用本文系統后，油氣開采時緩沖罐液位狀態正常，不會出現溢油問題，油氣開采量得以保證。原因是本文系統使用了基于智能PID 的油氣開采油泵控制器，動態自動化控制油氣緩沖罐液位，油氣開采進度不會因液位越限而終止。

圖6 緩沖罐液位變化Fig.6 Changes in buffer tank liquid level

測試本文系統使用SCADA-DCS 通訊協議中斷優先級分配方法前后，系統油氣開采數據緊急信息通訊耗時變化，測試結果如圖7 所示。由圖7 測試結果顯示，本文系統使用SCADA-DCS 通訊協議中斷優先級分配方法前后，系統油氣開采數據緊急信息通訊耗時區間分別是［0.7s，1.0s］、［0.04s，0.06s］，對比之下，SCADA-DCS 通訊協議中斷優先級分配方法的使用，能夠提高油氣開采數據緊急信息通訊效率，避免出現緊急信息通信失敗問題，原因是此方法能夠為通訊數據分配不同的中斷優先級，可以確保系統中對中斷處理時間要求高的數據，能夠更快地得到響應。

圖7 中斷優先級分配前后緊急信息通訊耗時變化Fig.7 Changes in emergency information communication time before and after interrupt priority allocation

3 結語

油氣開采數據自動化采集與控制系統是一項重要的技術創新，對于提高油氣開采效率具有重要作用。本文設計了基于SCADA-DCS 通訊技術的油氣開采數據自動化采集與控制系統。此系統可利用自動化采集的油氣開采數據，動態、自適應調節油泵變頻器，降低油泵壓力，控制油氣液位，避免出現溢油問題，優化油氣開采效果。且系統能夠優化SCADADCS 通訊技術的通信性能，可為類似的油氣開采控制系統設計提供參考。