撬装RTU系统在苏丹OGM项目中的应用

• 关键词：计量分离撬,RTU,SCADA,Super,32-L
• 摘要：RTU以其可靠的稳定性、超强的通讯能力、灵活的扩展能力、大容量的存储空间和恶劣的工业环境适应能力等特点，广泛使用于城市燃气管网、油田油井监控、长输管线、水情监测和其他远程数据监控的SCADA 系统中。安控科技作为国内知名的RTU生产厂商，基于ARM芯片研发生产的Super32-L系列一体化RTU在苏丹三七区块OGM项目计量分离器中表现出了良好的使用效果。

1、系统简介

       3/7区块位于苏丹东部的Melut盆地，面积7.24万平方公里。2000年11月，中石油中标3/7区块石油勘探开发项目。目前，中石油拥有3/7区块41%的权益，合作伙伴为马来西亚国家石油公司（40%）、苏丹国家石油公司（8%）、中国石油化工集团公司（6%）和阿联酋国家石油公司（5%）。2003年，中石油在3/7区块发现法鲁济（Palogue）油田，最大含油面积超过60平方公里。经测试证实，最大油层厚度约147.5米，平均油层厚度近60米，主体油田探明地质储量超过3亿吨。

       该项目工艺上主要是通过建设计量分离撬来实现井口来油的气液两相分离，通过在气出口和液出口分别安装相应的流量计来实现对产气量和产液量进行分别计量。整个撬装设备由北京迪威尔天然气技术开发有限公司承建，设备配套的自动化系统选用了基于ARM芯片开发的32位一体化Super32-L系列RTU。Super32控制器及端子等附件成套在一个450*400*150的一个防爆机柜内，外面安装500*450*200的防护箱。现场温度、压力、液位、气体流量等一次仪表信号通过4-20mA信号采集到控制器中进行工程值转换等相关运算。其中测量液体的流量计选用了Micro Motion的质量流量计来实现对产液量的计量，质量流量计具有RS485通讯接口，以ModubRTU协议将质量流量计内的多个关键参数采集到Super32控制器中,RTU内部的数据再以RS485接口，ModbusRTU协议将整个计量分离器的数据上传至中控室的DCS系统。

图1：RTU外观图
 
图2：RTU内部布局图

2、场站系统结构图
2.1 拓扑结构图
       油田地面工程是油田建设中的一个重要组成部分，主要包括油气田中完成油气开采、处理、集输作业的各种井、站、管网等。因为从油(气)井中采出的原油、天然气和水的混合物要进行分离、计量等工艺处理，经处理后的油气才符合储存、集输的条件，所以对应的会在油气田地面工程建设中建立计量站、增压站等各种工艺场站，完成对油气的分离及计量功能。

       随着撬装设备设计生产技术的成熟，同时撬装设备具有成本低、灵活性好、施工周期短、安装方便、重复利用率高等优点，所以目前撬装计量设备、撬装分离设备在油气田的地面工程建设中得到广泛的应用，并且确实在油气田的建设过程中体现出了比以往固定地面工程具有突出的优势，尤其适合苏丹等类似自然环境恶劣、社会环境较差等建设条件困难的油田建设中。

       该项目就是由中石油承建的苏丹三七区块的地面工程建设，在整个工艺场站的建设过程中，按功能需求进行了对应的撬装设备设计与加工。整个场站由多个功能不同的撬装设备组成，其中计量撬是其中的重要组成部分。计量撬的设计、加工、组装及配套的自动化仪表安装、调试都是在国内完成，每套计量分离撬上安装有1套RTU系统，用于完成撬装设备上温度、压力、液位、流量、含水等数据的采集以及相关控制设备的手自动控制功能。RTU作为撬装设备上的核心数据处理设备，向下负责对常规4-20mA输出的一次仪表进行单变量数据采集，同时还对质量流量计等智能仪表以485通讯方式进行多变量数据采集；向上则负责将撬装设备的一次数据及RTU内部二次数据进行数据上传，实现了撬装设备到全站DCS系统的接入，完成了中控室对现场撬装设备的统一监视与控制。

 图3：站内系统拓扑图

2.2 撬装自动化系统组成
       撬装设备的自动化系统主要包括1套撬装RTU和现场温度变送器、压力变送器、流量计等设备，气液两相计量是整个自动化系统中最为重要的功能，其中测量气出口的流量计选用了旋紧旋涡流量计，测量液出口的流量计选用了质量流量计，系统详细的测点清单如下：

       RTU的主控制器作为系统核心产品，控制器的性能将直接影响到整个系统的稳定性、灵活性等诸多方面，为此项目在综合考虑了现场使用环境、国内外产品性能特点、性价比、售后服务以及工程经验等多方面的因素后，最终RTU产品选用了基于ARM芯片开发的Super32-L系列32位控制器，该系列控制器有如下特点：

图4：安控科技Super32-L控制器

产品特点：
       ● 采用32位处理器，嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)；
       ● 编程软件符合IEC 61131-3标准，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五种程序语言，此外还支持C语言编程；
       ● 一体化模块设计，集成AI、AO、DI、DO、PI等I/O通道，集成多种通信接口，最多可扩展至64点I/O信号通道；
       ● 支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3等通信协议；
       ● 具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口，适用于多种有线和无线网络；
       ● 具有16位分辨率A/D；
       ● 具有看门狗及数据掉电保护功能，可长期保存设定参数及历史数据；
       ● 大容量存储空间，满足就地运算和历史数据记录；
       ● 低功耗设计，特别适用于太阳能供电等场合；
       ● 工作温度－40～ 70℃，工作湿度5～95%RH，适应各种恶劣环境；
       ● 元器件选用优秀的工业级产品，经过严格测试和筛选；
       ● 工业标准设计，DIN导轨安装结构，方便现场安装；
       ● 产品通过CE认证，达到EMC电磁兼容3级标准；

3、安控RTU与质量流量计的子网通讯

       计量分离撬顾名思义就可以知道整个撬的最基本功能包括两部分，一是实现站外来油的气液两相分离；二是对分离后的气相流量和液相流量进行分别计量。我们在该部分主要讲述一下RTU是如何实现对安装在液相计量用的质量流量计数据采集。

       由于原油中含水率不同以及油气分离效果都会影响到原油的计量问题，多年以来原油的计量一直是一个比较棘手的问题，所以选择对原油测量相对准确的流量计成为系统选型的一个重点，在综合了现场测量需求以及当前流量计主流技术状况，最终流量计选用了Micro Motion 质量流量计作为项目中的液体流量测量设备。该质量流量计利用科里奥利效应工作，实时测量计量分离撬液出口的质量流量、密度和温度，并根据用户设定的纯油密度和水密度，计算出原油的体积流量、含水率、纯油体积流量。

        基于RS485总线通讯技术在工业现场通讯中的成熟应用，因此项目中设计的质量流量计与RTU通讯采用RS485方式。质量流量计和RTU提供二线制RS485通讯接口，支持标准的MobusRTU主从通讯协议，从而完成RTU对质量流量计数据的采集及远程参数设置。下面就该项目中485通讯关键参数设置介绍如下：

       1、 设置Modubs主站(Super32-L)串口通讯参数：协议：ModbusRTU，波特率：9600，数据位：8位，停止位：1位, 双工模式：HALF，主从模式：Master。
       2、 设置Modubs从站(质量流量计)串口通讯参数：站号：1，协议：ModbusRTU，波特率：9600，数据位：8位，停止位：1位,双工模式：FULL，主从模式：Slave。
       3、 在RTU与流量计通讯的过程中，存在浮点数和长整数等4字节数据交换，所以就涉及到一个数据字节顺问题，如果数据字节顺序不对应，那么就可能出现RTU中数据为乱值的情况。为此需要对字节顺序进行调整，其中质量流量计支持字节顺序设置功能，所以我们需要设置流量计中的字节顺序【Byte Order】参数为1－2－3－4与RTU内部字节顺序一致。
       4、 如果正确完成以上步骤设置，那么可以看到RTU控制的串口RX与TX指示灯闪烁正行，并且RTU内部数据与流量计内部数据一致，表示RTU完成了对流量计内部瞬时流量、累积流量等参数的轮询采集。

图5：质量流量计
 
图6：RTU调试界面

4、项目评估分析

       该套计量分离系统自2008年投产至今，已连续的、稳定的运行多年，充分的证明系统方案的合理性及产品性能稳定。系统在油田生产过程中起到了颇为重要的作用，不仅减轻了工人劳动强度，而且为油田生产提供了科学、准确、实时的生产数据，为油田实现科学开采、精细管理提供了可靠保障，同时也为国产自动化系统走出国门，进军海外市场提供了可靠的自动化产品。