数字化系统在鄂东气田保德区块先导试验项目中的应用
- 关键词：RTU/PLC,GPRS/网桥,视频,数字化
- 摘要：数字化系统在鄂东气田保德区块先导试验项目中的应用，采用专业化的油气田工控产品，ZigBee、GPRS和网桥等无线通信技术，实现对现场煤层气井、集气站设备的远程数据采集和控制，为煤层气全面数字化建设打下了良好的应用基础。
前言：
鄂东气田保德区块先导试验项目是油田地面工程自动化系统最底层、范围最广、最关键的现场级控制系统，主要完成对现场井口、井场、排水点、集气站的数据采集和控制，以及现场重点井场视频监控功能。
1、项目介绍
1.1项目背景
非常规天然气是常规天然气的重要接替资源。由于页岩气短期内难以规模化生产，中石油把非常规天然气的发展重点放在了煤层气上。煤层气井一般采用油管排水、套管采气的方法开采煤层气。生产时，通过游梁式抽油机或螺杆泵抽油机等设备抽排煤层中的承压水，降低煤层压力，使煤层中吸附的甲烷气释放出来。对煤层抽水降压是煤层气生产的手段，也是人们目前唯一可以采用的比较经济的方法。
鄂东气田保德区块先导试验项目位于山西省忻州市所辖保德县。保德区集气工程包括：新建井场10座、30口井，新建采气管线6条，共计8.23km，新建一座集气增压站（10×104m3/d）；配套建设供电、给排水（线路排水点2处）、通信、消防、暖通、总图、土建、防腐、道路等辅助生产设施。
鄂东气田先导实验集气工程其工艺流程是采气井开采出的煤层气，采用气水同输的集输方案，井口煤层气及采出水分别计量后混合，进入集气管网系统。集气干线低点设置线路排水点以便改善管内流体流态。集气站内设置进站分离器、压缩机组、复热脱水橇、甲醇注入橇等设备，经初步加压处理后，将产品气外输至用户，作为工业及民用燃料。
其工艺流程如下：
采气井口 → 井场集气装置 → 集气管线 → 集气站 → 气体外输
1.2数字化系统需要实现的功能
根据生产和工艺要求，数字化系统实现远程采集现场工艺参数，实现煤层气田数字化、自动化、远程监视生产状况的需要。
（1）丛式采气井场监控
丛式采气井场：一个井场或平台上，钻出若干口井，各井的井口相距不到数米，各井井底则伸向不同方位。
井口监控功能：每个单井完成井口套管压力的采集，并实现井口远程启停控制和变频控制；用电参数的采集。
井场功能：完成井场阀组各个采气井出气流量、温度、压力的采集；对于线路排水点井场，通过采集排水液位罐液位开关状态，进行上下限报警并联锁电动阀控制排液。
（2）集气站站内监控
集气站内工艺设备全部为撬装装置，完成站内相关设备温度、压力、流量及电动阀的启停控制。
（3）集气站SCADA系统
设置在集气站内，对集气站和下属各个井场/井口的数据进行监控，并对重点井场进行视频监控。
2、 井站自动化系统的总体结构
根据鄂东气田煤层气工程总体工艺流程及系统功能，井站自动化系统的总体结构如下：
⑴井口、井场数据采集
井口部分：单一井口配电箱外安装一台安控公司生产的无线井口控制单元E5316-I，其内部主控制模块型号为Super32-L308，完成井口套管压力的采集，并实现井口远程启停控制和变频控制（变频调节用于调节抽油机的冲刺，从而控制采气井的排水强度）；用电参数的采集（三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数等）。使煤层气田井场达到无人值守、定期巡检的管理模式，降低生产管理成本。
| 无线井口控制单元预留了示功图采集接口（2.4G无线通讯）、井口水量采集接口（AI）、动液面采集（AI），示功图和动液面等采用无线传感器，通过2.4G无线方式可以很方便地接入。以后通过这些功能扩展，可以根据示功图了解井下工况，进行功图诊断分析，指导对采气井的排采计划和管理作业措施；井口单元可以根据示功图、动液面自动控制电机的起停或变频调节，保证井下液面的自动控制在合理的水平，保持水量合理的排采强度、采气井连续稳产。 |  |
井场部分：井场安装一台安控科技E5316井场RTU，Super32-L205为E5316为井场RTU控制器的核心，完成井场阀组气体流量计流量、温度、压力的采集；对于线路排水点井场，通过采集排水液位罐液位开关状态，进行上下限报警并联锁电动阀控制排液。
⑵通讯方式
整个系统通讯方式采用两级模式：
● 井口到井场主RTU通信方式采用短距离2.4G无线通讯；
● 井场与集气站采用GPRS、无线网桥两种通讯方式；在鄂东气田煤层气工程的建设中，保1、保1-1、保1-3三个井场为产能重点井场，三个井场安装视频监控系统，为了保证视频采集信号、井口、井场采集数据的实时上传，三个井场采用无线网桥的方式进行数据传输；共它七个井场只采集井口和井场相关数据，为了便于施工，采用GPRS通讯方式定时上传数据。
采用两级通信方式的优点：
● 各个井口RTU的硬件配置和软件程序完全相同。模块化，标准化程度高。
● 各个井口数据就近采集到井口RTU,井口RTU到井场RTU的通讯采用2.4G无线通讯方式，不需要敷设大量仪表电缆。施工简便、调试方便、成本低。
● 井场监控采用分散控制、集中管理模式，风险分散，可靠性高。
⑶集气站内监控
根据集气站工艺和采集数据点情况，集气站内安装一套安控科技公司生产 Super E50系列，通过集气站PLC系统完成以下功能：
⑴集气站进站压力检测报警联锁关断出站电动阀；
⑵集气站进站温度检测；
⑶进站分离器液位高低检测报警联锁液相电动阀；
⑷集气站出站压力检测报警联锁关断出站电动阀；
⑸集气站天然气流量计量显示；
⑹复热脱水撬变频控制；
⑺注醉撬液位报警；
⑻站内可燃性气体浓度检测；
⑷集气站SCADA系统
控制室安装一台GPRS无线路由器设备，完成GPRS方式通讯井场的数据采集和控制；集气站内立杆安装一台无线网桥主站设备，完成无线网桥方式通讯井场的数据采集、控制以及视频监控；GPRS无线路由器、无线网桥主站、站内PLC网口通过站内交换机完成整个SCADA系统数据链路。
站内SCADA服务器完成下属各个井场/井口的数据采集和控制，集气站内生产工艺数据采集和控制以及历史数据的存储。
3 、产品选型
3.1井口采集单元：
井口数据采集设备，选用的是安控科技的无线井口控制单元E5316-I，其内部主控制模块为Super32-L308。模块具备6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具备1个RS232接口、1个RS485接口，内置了高性能的2.4G无线通讯芯片，并配套提供2.4G高增益天线。
 | Super32-L308无线电量模块采用先进的32位处理器，不仅能完成逻辑运算、定时、计数控制，还能实现数据处理、通讯联网等功能。与同类RTU相比，具有更大的存储容量，更强的计算功能，更简便的编程与开发能力；强大的通讯组网能力和卓越的环境指标特性，能够适应各种恶劣工况环境。通过无线通讯协议与井场无线数据采集器进行数据通讯。 |
结构合理，安装方便，可直接应用于油井现场。可直接安装于井口配电箱内，或者外加保护箱外挂于配电箱；
工业标准级设计，工作温度－40～70℃，工作湿度5～95％RH，适应各种恶劣环境；
内嵌2.4G无线通讯模块，可同时接入多个无线设备，适应井口数据采集需要。提供标准的RS232通信接口。支持持标准的Modbus RTU协议；
现场监控和远程监控兼备，为系统操作、诊断、维护和升级提供了方便；
充分的可靠性设计，严格的质量检验，为用户提供了可靠的保证。具有看门狗及数据掉电保护功能，可长期保存设定参数。
3.2井场数据采集器：
 | 井场主RTU数据采集器，选用的是安控科技的无线井场控制单元E5316，主控制器Super32-L205为E5316为井场RTU控制器的核心。主控制器具有2路RS232接口、1路RS485接口、1路RJ45接口、具有8路AI、8路DO、8路DI、3路PI，内置了高性能的2.4G无线通讯芯片，并配套提供2.4G高增益天线，可连接GPRS、无线电台、无线网桥等通 |
3.3集气站PLC:
 | 根据集气站工艺和采集数据点情况，本站控系统选用安控科技生 Super E50系列。该产品是安控科技集多年的站控系统开发、工程经验设计的新型站控RTU产品，可实现对工业现场信号的采集和设备的控制。该产品采用了模块化结构工业标准设计，采用了先进的32位ARM技术，高效的嵌入式操作系统，整个系统功能强大、操作方便、集成度高。不仅能胜任逻辑、定时、计数控制，还能完成数据处理、高速计数、模拟量控制、PID、RTD、TC、通讯联网等功能。其程序开发方便，可与上位机组成控制系统，实现集散控制。 |
Super E50的特点：
结构先进，易于扩展，可多站协调工作，组建复杂系统；
模块化结构工业标准设计，DIN导轨安装结构，方便现场安装；
经济可靠、功能强大的通信接口，支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可选）等通信协议，具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口；
高效的工程开发工具，符合IEC 61131-3标准，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五种程序语言；
友好的人机界面；
功能强大的硬件系统，采用32位ARM处理器，嵌入式实时多任务操作系统(RTOS) ；
先进的冗余/容错方式；
经济高效的RTU系统；
工作温度-40～+70℃，工作湿度5～95%RH，适应各种恶劣环境；
通过CE认证，达到EMC电磁兼容3级标准；
4、 集气站内SCADA系统
4.1 SCADA系统构成：
驱动程序：Echo Driver，安控驱动程序模块，目前已包括Modbus Tcp、 Modbus RTU，Modbus 扩展协议、OPC、Echo4100协议等，可并可为其他厂家RTU数据格式进行驱动定制开发。采用插件式框架，具有很强的通用性和扩展性。
过程数据库：Echo PDB，安控科技过程数据库，用于建立统一的实时数据平台，隔离各家驱动不一致所引起的存取数据的混乱，为整个油田提供一致性的数据访问形式。可容纳海量数据，并具有高性能的读写能力。
数据存储器：Echo DataSaver，安控数据存储器，适用将安控过程数据库保存到关系数据库的各类需求。可兼容Oracle 、SqlServer、MySQL等主流数据库，采用事务提交存储方式，具有高性能的数据存储能力。灵活的定制存储方式，目前支持的有定时存储、变化存储、条件存储等状况，适应环境能力强。
数据同步器：Echo Migration，安控数据库同步器，主要应用场所为不同数据库之间的进行数据同步，尤其是在异构数据库之间发挥重大作用，配置方便，实用性更强，注：在同类数据库和同构数据库之间还是推荐使用数据库本身的同步手段，性能是最优的，当然需要的专业能力也比较高，维护的复杂度也要增加。
4.2 数据接口：
目前在煤层气田数字化推进过程中，强调互联互通，这对数据的标准化、规范化要求越来越高，也越来越迫切，而对于自动化业内厂商来说，实际的要求则是如何保证健壮稳定的接口标准，各厂商可以做产品的差异化，但必须遵守这个标准接口，软件接口同样面临这种状态。目前常见的动态数据接口标准是OPC，该模式采用DCOM机制，部署极其繁杂，稳定度低。
安控科技采用了目前微软最先进的WCF分布式解决方案来实现实时数据平台(Echo PDB)，并提供SDK(.NET)供第三方程序进行访问。 基于实时数据平台接口，各使用方有了统一的数据存取方式，消除了数据应用与各厂家设备不同引起的耦合，数据应用的数据源不再单一的围绕关系数据库，还可展现更多的实时应用，对数据应用和挖掘是有益的补充。
Echo PDB提供一致性访问能力的同时，兼顾了物联网发展带来的可能的数据形式变化，不在围绕传统工控AI、AO、DI、DO等数据点展示，强调面向对象的概念，对象的所有属性特征都可以通过它来展示。
4.3 SCADA系统数据流
4.4 部分功能展示
5、鄂东气田煤层气工程数字化系统的优点、效益分析
与传统的产品选型和系统设计相比，鄂东气田煤层气数字化系统在建设和使用中均显示出了独特的优点：
5.1低成本，高效益
在满足采集参数的要求下，选用高性价比设备，减少现场放置自动化设备情况，通过软件设计实现现场情况智能分析，实现低投资，高回报、高效益。
5.2自动化，易操作易维护
自动化系统操作、调试更加简单，维护更加便利，故障点减少。
在低成本的原则下，实现井场数据采集、排水点液位报警联锁电动阀、井口的远程启停井和电量采集以及变频调节、水/气流量采集，从而减少巡井工人、计量工人的工作量，降低劳动强度。
保德区块先导性试验集气工程自动化施工最终是为了实现无人值守，有人巡检的。所选硬件满足对应的最苛刻环境条件，保证可靠性及稳定性。
5.3设备预留接口，便于系统功能扩展
结合现场情况，在现有系统功能的基础上考虑将来预留功能的接入、系统的扩展；
井场控制单元预留示功图采集功能、水量采集功能，以后只需要增加仪表；
对已安装仪表的井口，在不额外增加成本的情况下可以实现数据采集和上传。