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　　前言：
　　井站自動化系統(tǒng)是油田地面工程自動化系統(tǒng)最底層、范圍最廣、最關(guān)鍵的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)，主要完成對現(xiàn)場井口、站點的數(shù)據(jù)采集和控制，以及現(xiàn)場視頻監(jiān)控功能。包括：抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井，以及計量配水站等。
　　1.項目介紹
　　中國石油冀東油田公司是中國石油天然氣集團公司所屬地區(qū)公司，集油氣勘探、開發(fā)、研究、生產(chǎn)、銷售為一體的大型石油公司。作業(yè)區(qū)域跨唐山、秦皇島兩市，登記探礦權(quán)面積5797平方千米，有利勘探面積1570平方千米，其中：陸地面積570平方千米，灘海面積1000平方千米。
　　自2000年以以來，冀東油田在部分區(qū)塊已經(jīng)建立了井站自動化系統(tǒng)，典型系統(tǒng)如高尚堡作業(yè)區(qū)，覆蓋了25個計量站、約400口油井。但是原有系統(tǒng)的覆蓋面小，對于整個冀東油田而言，仍有一半以上的井口、站點尚未實現(xiàn)自動化監(jiān)控；另一方面，隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，在已有系統(tǒng)中，早期建成的部分系統(tǒng)采用的產(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)逐漸失去了先進性，在使用維護過程中暴露出的一些問題。
　　2010年冀東油田的井站自動化系統(tǒng)項目，包括無線油水井監(jiān)控工程、作業(yè)區(qū)遠程監(jiān)控系統(tǒng)完善兩大部分。前者完成對現(xiàn)場的抽油機油井、螺桿泵油井、電潛泵油井、注水井的自動化建設(shè)，后者則針對中控室和計量站進行建設(shè)。最終要在2010年建立起覆蓋整個油田的、技術(shù)先進、質(zhì)量可靠、便于使用維護的油田數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化油田的建設(shè)目標(biāo)。
　　在實時監(jiān)控方面，實現(xiàn)對油井的遠程示功圖采集、電量采集和中控室遠程啟?？刂疲约坝嬃空镜淖詣佑嬃亢驼緝?nèi)無人值守；在生產(chǎn)管理方面，通過抽油機示功圖對油井工況進行診斷分析，通過電量數(shù)據(jù)掌握油井耗電情況和采取節(jié)能措施，通過功圖計產(chǎn)、計量站量油和含水率分析制定油井管理措施；在生產(chǎn)信息方面，在各個中控室設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB發(fā)布服務(wù)器，實現(xiàn)油田生產(chǎn)信息在油田范圍內(nèi)的信息共享。
　　1.1無線油水井監(jiān)控工程
　　既包括新建區(qū)塊（對原來沒有實現(xiàn)自動化的區(qū)塊進行自動化建設(shè)），也包括老區(qū)塊改造（對已有自動化的區(qū)進行改造和完善）。其中新建區(qū)塊的抽油機井約1000口、螺桿泵井約100口、電潛泵井約150口，此外還包括幾十口注水井；老區(qū)塊改造的油水井總數(shù)約數(shù)百口。這些油水井隸屬于共計160多個計量站，每個計量站的周邊1公里距離內(nèi)，下轄少則數(shù)個、多則20余個井口。
　　各種井口要實現(xiàn)的功能如下：

　　1.2作業(yè)區(qū)遠程監(jiān)控系統(tǒng)完善
　　項目為了完善冀東油田作業(yè)區(qū)控制系統(tǒng)，涉及到了陸上和南堡兩個采油作業(yè)區(qū)，要求軟件分別開發(fā)，功能和界面保持一致。其中陸上作業(yè)區(qū)分別在8個采油區(qū)建立控制室，實現(xiàn)各自采油區(qū)所轄油水井和集輸系統(tǒng)的自動監(jiān)控，實現(xiàn)無集中的陸上作業(yè)區(qū)SCADA中控室。
　　陸上作業(yè)區(qū)的第1、2、3采油區(qū)3個控制室作為遠端監(jiān)控終端，網(wǎng)絡(luò)和存儲中心設(shè)在原柳贊作業(yè)區(qū)中控室機房，配備數(shù)據(jù)和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設(shè)備；第4、5、6采油區(qū)3個控制室作為遠端監(jiān)控終端，網(wǎng)絡(luò)和存儲中心設(shè)在原高尚堡作業(yè)區(qū)中控室機房，配備數(shù)據(jù)和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設(shè)備；第7、8采油區(qū)2個控制室作為遠端監(jiān)控終端，網(wǎng)絡(luò)和存儲中心設(shè)在原老爺廟作業(yè)區(qū)中控室機房，配備數(shù)據(jù)和發(fā)布服務(wù)器、交換機等設(shè)備。
　　南堡油田采油作業(yè)區(qū)涉及陸岸平臺、NP2-3平臺、2號人工島分屬1號島采油隊、NP2-3采油隊和2號島采油隊。1號島采油隊控制室直接進原SCADA中心；NP2-3平臺監(jiān)控設(shè)備與轉(zhuǎn)油站控制設(shè)備設(shè)在同一控制室（在建）；在2號島新建采油隊控制室。南堡作業(yè)區(qū)原SCADA中心作為南堡作業(yè)區(qū)中控室，可直接操作各采油隊監(jiān)控設(shè)備，進行數(shù)據(jù)存儲和發(fā)布。
　　總體數(shù)據(jù)采集走向如下圖:

　　2.井站自動化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品選型
　　井站自動化系統(tǒng)主要由井口控制終端(RTU)、現(xiàn)場檢測設(shè)備、通訊鏈路、計量終端（PLC）、中心控制設(shè)備組成的一套（SCADA）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。如何選用功能完備的RTU和檢測儀表、如何選用可靠的通訊方式進行井口數(shù)據(jù)通訊以及如何使數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確及時的傳輸?shù)街锌厥?，都決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和可靠性。
　　在2010年的新系統(tǒng)建設(shè)和老區(qū)塊改造項目中，盡管各種油水井的功能同以前建設(shè)的已有系統(tǒng)類似，但是在井站系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品、技術(shù)選型方面，卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。
　　在產(chǎn)品選型方面，選用北京安控科技股份有限公司最新生產(chǎn)的高性能一體化RTU產(chǎn)品和無線儀表，安控產(chǎn)品既保留了其傳統(tǒng)的高性能、高可靠性等特點，同時又全面支持最新的ZigBee無線技術(shù)。對于冀東油田已有系統(tǒng)的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee無線通信模塊進行改造，擴充出無線通信接口。
　　在井站系統(tǒng)通信設(shè)計方面，井口儀表與井口RTU之間、井口RTU與計量站數(shù)據(jù)采集器之間，均采用先進的ZigBee無線技術(shù)，具備大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的優(yōu)點，代表了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，并由此帶來施工簡化、調(diào)試維護簡單、建設(shè)周期短等優(yōu)點。計量站與上級作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信和視頻傳輸，則采用了已有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)。
　　2.1井站自動化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
　　在高標(biāo)準(zhǔn)、高性能、高穩(wěn)定性的原則指導(dǎo)下，冀東油田井站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，包括數(shù)據(jù)采集部分、網(wǎng)絡(luò)通訊部分和作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心（中控室）三大部分：

　　2.2產(chǎn)品選型
　　在冀東井站自動化系統(tǒng)的建設(shè)中，井口相關(guān)部分選用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制設(shè)備。這些設(shè)備均支持ZigBee通信技術(shù)。ZigBee通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4物理層、MAC層和數(shù)據(jù)連接層上制定出的標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。
　　北京安控科技股份有限公司（簡稱"安控科技"），是專業(yè)從事工業(yè)級RTU產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，是行業(yè)領(lǐng)先的工業(yè)級RTU產(chǎn)品供應(yīng)商和系統(tǒng)集成服務(wù)商，擁有完善的遠程控制終端（RTU）產(chǎn)品鏈，擁有完善的油氣田自動化和環(huán)保在線監(jiān)測專用產(chǎn)品。
　　2.2.1無線電量模塊

　　抽油機井、電潛泵井的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，選用的是北京安控公司的Super32-L308無線電量模塊，可實現(xiàn)對三相電壓、三相電流和對抽油機的啟?？刂埔约盃顟B(tài)采集。模塊具備6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具備1個RS232接口、1個RS485接口，內(nèi)置了高性能的Zigbee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天線。
　　Super32-L308無線電量模塊采用先進的32位處理器，不僅能完成邏輯運算、定時、計數(shù)控制，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。與同類RTU相比，具有更大的存儲容量，更強的計算功能，更簡便的編程與開發(fā)能力；強大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標(biāo)特性，能夠適應(yīng)各種惡劣工況環(huán)境。通過無線通訊協(xié)議與計量間無線數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.2無線載荷位移傳感器

　　抽油機井選用了北京安控公司的SZ902N型號無線載荷位移傳感器，可自動測量功圖和自動測量沖次，實現(xiàn)對有桿泵示功圖的采集。示功圖數(shù)據(jù)以Zigbee無線通信方式，傳輸?shù)骄跓o線電量模塊和計量站無線數(shù)據(jù)采集器通信主站。
　　SZ902N型號無線載荷位移傳感器，設(shè)備簡單，只有一個與傳統(tǒng)載荷傳感器相似的終端組成；安裝方便，與傳統(tǒng)的載荷傳感器安裝方法相同，但是免去了有線儀表電纜敷設(shè)的施工量，安裝簡化快捷；運行穩(wěn)定，使用電池供電，可消除外界電網(wǎng)干擾；安全防盜，示功儀與卡鎖一起上下運動，不易被人為破壞；技術(shù)先進，可設(shè)置多個頻點，避免同頻干擾；方法新穎，利用加速度傳感器獲取位移量；綠色產(chǎn)品，利用太陽能充電安全環(huán)保。通過無線通訊協(xié)議與計量間進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.3無線壓力變送器

　　無線壓力變送器選用的是北京安控公司的SZ903D產(chǎn)品，實時監(jiān)測油壓、油套的壓力和注水井注水壓力。SZ903D無線壓力傳感器，就地顯示配置液晶顯示器；采用防H2S腐蝕設(shè)計；適用于各種惡劣的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應(yīng)用靈活、操作方便等特點。通過無線通訊協(xié)議與計量間進行數(shù)據(jù)通訊。
　　2.2.4無線網(wǎng)關(guān)

　　螺桿泵井采集器和計量站無線數(shù)據(jù)采集器主站，均選用了北京安控公司的SZ932無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。該設(shè)備具有1個Zigbee無線接口、1個RS485接口、1個RS232接口、1個TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，因此可以廣泛用于以下場合：
　　（1）實現(xiàn)第三方產(chǎn)品的協(xié)議轉(zhuǎn)換；
　　（2）實現(xiàn)有線通信和無線通信之間的轉(zhuǎn)換。
　?。?）作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將有線RS232/RS485或者無線通信轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；
　　在冀東井站自動化系統(tǒng)中，SZ932無線采集器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊協(xié)議對螺桿泵變頻數(shù)據(jù)進行采集，然后以Zigbee無線方式，將螺桿泵變頻器數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃空荆瑥亩鴿M足了第三方產(chǎn)品設(shè)備更好的接入。
　　另外，每個計量站的無線數(shù)據(jù)采集器同樣也采用了SZ932無線網(wǎng)關(guān)。其作為井口設(shè)備的通信主站，以Zigbee短距離無線通信方式，與現(xiàn)場無線儀表或無線RTU通信；然后經(jīng)網(wǎng)關(guān)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶鳂I(yè)區(qū)監(jiān)控中心的上位機系統(tǒng)。
　　2.3網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計
　　從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，通信設(shè)計采取了無線和有線相結(jié)合的方式，達到實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、遠程控制等效果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)后臺信息共享，信息管理等應(yīng)用。
　　2.3.1無線應(yīng)用部分
　　每個計量站下轄的井口，一般分布在以計量站為中心、半徑1公里以內(nèi)，相對比較集中。采用短距離無線技術(shù)可以節(jié)省成本同時也降低了施工強度。采用ZigBee無線技術(shù)，應(yīng)用在現(xiàn)場無線儀表和無線RTU與計量站無線數(shù)據(jù)采集器之間的通訊上。
　　無線技術(shù)采用的是ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，ZigBee是一種無線連接，可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)915MHZ(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。
　　2.3.2有線應(yīng)用部分
　　計量站是分散的，且與作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心的距離相對較遠。井口采集數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)要統(tǒng)一傳送到中控室，采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)通訊量大的光纖作為媒介，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和穩(wěn)定性。
　　3．系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
　　數(shù)據(jù)采集包括井口數(shù)據(jù)采集、計量站數(shù)據(jù)采集和作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心。
　　3.1井口數(shù)據(jù)采集部分
　　1) 功圖法量油
　　在井場，井場配套無線載荷位移傳感器SZ902N，實現(xiàn)油井功圖全天候采集。在作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則安裝專門的示功圖量油診斷軟件，及時掌握油井產(chǎn)量情況和分析故障原因。
　　2）電參采集、油井壓力采集
　　在抽油機控制箱配套無線電量模塊Super32-L308，監(jiān)測抽油機上下行過程中三相電流和三相電壓的變化情況；監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警，并能根據(jù)控制中心命令實現(xiàn)啟停控制。
　　在油井上安裝無線壓力傳感器SZ903D，實時監(jiān)測油壓和套壓的變化。
　　3）螺桿泵井
　　在螺桿泵井控制箱內(nèi)配套無線采集模塊SZ932，無線采集模塊SZ932提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，能夠與螺桿泵控制變頻進行通訊。采集變頻實時數(shù)據(jù)，了解三相電壓、三相電流、電功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，并據(jù)此制定節(jié)能降耗措施。
　　4）電潛泵井
　　在電潛泵井控制箱內(nèi)配套無線電量模塊Super32-L308，通過電流互感器對電泵井的三相電流進行實時監(jiān)控。
　　5）注水井
　　在注水井安裝無線壓力變送器SZ903D，實時監(jiān)測注水井壓力的變化。
　　3.2計量站數(shù)據(jù)采集部分
　　1）計量站無線采集主站
　　計量站無線采集器SZ932實現(xiàn)了兩級通信方式：每個計量站下轄的現(xiàn)場無線儀表和無線控制器的數(shù)據(jù)，首先要傳輸?shù)接嬃空緹o線數(shù)據(jù)采集器主站，然后再經(jīng)網(wǎng)關(guān)集中批量地傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)。
　　兩級通信方式的優(yōu)點：將井口無線儀表和設(shè)備，首先以計量站為單元，分別獨立地進行數(shù)據(jù)采集，提高了采集效率，縮短了輪訓(xùn)周期；而作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心則只需與計量站無線數(shù)據(jù)采集器通信，而不必直接面對現(xiàn)場數(shù)以千計、輸出接口各異的設(shè)備（儀表、電量采集單元、變頻器等），降低了中控室上位軟件的工作負(fù)荷和軟件復(fù)雜性。
　　2)計量站PLC
　　計量站采用的是西門子的S7-300系列PLC，實現(xiàn)對計量間內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、計算和控制。實現(xiàn)計量站的無人值守功能。
　　3.3作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心部分
　　中控室數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）系統(tǒng)，主要實現(xiàn)流程監(jiān)控、功圖分析、生產(chǎn)曲線、報表生成、操作日志和報警等功能。有著信息完整、提高工作效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢。提高了油田油井系統(tǒng)運行可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕了調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)了油田調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，在提高調(diào)度人員的工作效率和操作水平方面有著不可替代的作用。
　　4．無線井站自動化系統(tǒng)的優(yōu)點、效益分析
　　與傳統(tǒng)的產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設(shè)計相比，冀東無線井站自動化系統(tǒng)在建設(shè)和使用中均顯示出了獨特的優(yōu)點：
　　4.1施工簡便、低成本，節(jié)省材料和人工
　　油田傳統(tǒng)的井站自動化系統(tǒng)的建設(shè)方式，以冀東原有的老區(qū)塊為例，采用的是模擬儀表和有線通信傳輸。模擬儀表傳輸和有線通信方式，在施工安裝過程中不可避免地需要敷設(shè)信號電纜、通信電纜（如RS485電纜），涉及到在井場挖溝和安裝電纜護管等。人工費用和材料費用造成施工成本高。
　　而在無線井站自動化系統(tǒng)中，這一部分的施工費用不存在了，信號傳輸和通信傳輸均簡化為無線通信的調(diào)試，施工成本被降到了最低。
　　4.2施工快捷，建設(shè)周期短，便于后期維護
　　由于新系統(tǒng)的建設(shè)省略了在井場動土挖溝、動火電焊等施工，因此施工速度提高了數(shù)倍。
　　以北京安控公司生產(chǎn)的U型無線載荷傳感器的安裝為例，傳統(tǒng)的信號電纜敷設(shè)和傳感器安裝需要至少半小時以上，而該傳感器減少了安裝抽油機光桿卡子和電纜敷設(shè)的時間，因此正常的安裝時間縮短到了10分鐘以內(nèi)。
　　井場內(nèi)自動化設(shè)備的安裝施工中，都需要對油井停機停電，而停機就意味著油井減產(chǎn)。因此從這個意義而言，施工速度的提高就等于是生產(chǎn)效益的提高。
　　在系統(tǒng)的后期維護方面，冀東老區(qū)塊原有的信號和通信電纜，在修井作業(yè)中經(jīng)常被重型車輛軋斷和遭到人為破壞。而無線產(chǎn)品則免除了這一問題。
　　4.3適合于規(guī)模施工，全面建設(shè)數(shù)字化油田
　　隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的進步，特別是國產(chǎn)設(shè)備的推陳出新，油田專用的RTU、PLC產(chǎn)品的采購成本已經(jīng)逐漸降低；而無線技術(shù)的應(yīng)用，則帶來了施工費用的大大降低。
　　僅僅在數(shù)年以前，油田自動化建設(shè)的投資還只能針對重點區(qū)塊、建設(shè)重點工程。而目前最新的技術(shù)和產(chǎn)品，則為全面建設(shè)數(shù)字化油田創(chuàng)造了條件。