控制系统在油田计量站的实际应用 |
[摘要：]本文介绍了控制系统在油田计量站的应用，详细叙述了整个控制系统的设计及特点。
[关键词：]计量站： 控制系统；RTU；SCADA
一、引言
油田各采油厂计量站较多，而且部分计量站离厂区较远。目前，多数计量站仍采用传统的单井计量方式，需要人工倒井量油测气，定时取样化验和手抄报表，劳动强度大，工作效率低下。同时，因为人工间歇计量，不但计量次数少，而且计量时间短，所以录取的数据代表性差，因而不能满足当前采油细化管理的要求。
为了有效地解决上述问题，实现油田生产管理全面自动化，提高油田管理水平，我公司结合油田生产工艺，研究开发了新型的数据采集和监控系统，其技术先进、运行可靠，目前已经在油田广泛应用。
二、系统设计
1、总体设计
整个系统分为两极，即一级计量站RTU和现场仪表为下位机系统，二级中心控制室SCADA上位机系统。
一级计量站采用数据采集和监控系统，可以达到无人职守。除完成基本工艺过程参数检测外，主要实现单井的油气水三相计量控制，提高油气水的计量精度。计量站站控系统自成体系。
通过无线传输，与二级中心控制室的SCADA上位机系统进行通讯，把采集的数据传送到中心控制室，进行数据分析；同时，一级计量站RTU接受上位机系统发送的指令，对单井进行计量控制。
整体拓扑结构如下：
2、计量站下位机系统设计
计量站中下位机系统主要设备为远程终端RTU和现场仪表，其中RTU主要实现：
①自动计量：系统在计量时，通过RTU的人机界面，设置量油方式，然后自动开启计量汇管的电动三通球阀，使单井来油进入计量分离器，实现自动倒井。计量过程中由RTU通过记录计量分离器的上下液位高度，从而计算出该段时间内的产液量。气计量通过气体流量计，含水通过含水分析仪检测。根据需求，计算出日产单井的油气水的日产量，并且存储计量数据。
②数据采集和监控：对计量站内的生产过程和工艺参数（如温度、压力、流量等）进行数据采集和监控。
③数据通讯：通过无线把采集的数据传输到中控室上位机系统，和接受上位机系统发送的指令。
RTU（远程终端单元），它主要包括控制器、I/O模块、通讯模块和应用软件组成。RTU接受站内现场仪表信号，实现站内数据采集和控制，以及对站内事件报警和记录。以无线方式与中控室上位机系统系统进行通讯。
3、中控室上位机系统设计
上位机采用SCADA系统，具有世界领先的MMI(人机接口界面)和面向对象的图形开发环境，便于高效、快捷地配置用户的应用程序。它在报警和历史趋势方面的功能，方便了对系统的监控。并具有强大的网络功能，通过传统的DDE和先进的OPC方式与其它计算机控制、管理系统实时交换数据。同时，它支持通过ODBC访问各种类型的数据库，便于系统的综合管理。支持标准的ActiveX技术，使得用户可以轻松地为自己的应用程序开发各种网络多媒体功能。提供了广泛的通讯协议转换接口—I/O Server，能方便地连接到各种控制设备，包括: Siemens、Modicon、AB、Opto 22、square D等。甚至，也可以利用第三方Server。
主要实现如下功能：
① 数据采集：现场获得数据并将它们加工成可利用的形式。
② 数据处理：将采集到的数据进行处理并传送给需要这些数据的程序。
③ 监视：将现场的数据以数字、文字、图形等格式实时显示给操作员。
④ 监控：在监测实时数据的同时，由操作员改变设定和由计算机直接改变关键值的能力。
⑤ 报警：能够识别异常事件并立即报告这些事件。
⑥ 控制：控制是自动提供算法的能力，比监控更高一级，它不需要人的直接参与。
⑦ 报表：向用户提供了存取SCADA数据的功能，用户可生成详尽的报表。
三、系统特点
1、计量站内下位机（RTU）系统特点
①可以提供现场按键操作和中控室远程操作两种操作方式。具有LCD显示屏、小键盘，可在现场进行计量操作。同时，可通过数据传输，实时采集过程参数进入数据库存储。
②内部硬件采用模块化结构，标准导轨安装，可根据实际需要进行I/O数量的扩展，I/O接口从几个到几十个均可，适应各计量站井数、测控点数的变化。
③由于RTU配置了专用的软件，能对计量站油气水实现三相自动计量。计量方式有定时和定次两种方式可供选择。倒井方式为自动排序和人工倒井两种方式。这不仅减轻了巡检人员的工作负担，并且使计量结果更为准确，数据更为可靠。
④可对计量站内的生产过程和工艺参数等进行采集。RTU具有大容量存储器，可对采集的数据保存，可随时查阅有关数据。
⑤计算参数、仪表量程、给定参数可通过人机界面进行修改，大大简化了自控系统的调整工作。
⑥通讯灵活，支持通用的MODBUS协议，开放的通讯协议便于其他软件介入，通过组态可与任何类型的媒体（电话线、光纤、无线电台、微波等）实现通讯。
2、中控室上位机系统（SCADA）特点
①软件的开放式结构
系统提供了一个C语言函数集，用它可以读、写系统中的任一数据点。这种开放式的结构允许工程师编写自己的应用程序
②软件的分布式处理能力
系统的结构允许在网络中所有计算机(节点)上分配关键的功能。每个节点独立执行赋与它的任务，这样任何节点在因故障离线时不会影响其它节点。同时，网络上的各个节点间也能完成高强度的网络通讯。
③软件可实现基于异常的处理
大多数应用程序都是以时间为基准来采集和处理数据的。本系统可以运行任何基于时间的处理组合，允许用户在那些高速采样的数据和那些采样间隔长的数据之间平衡系统的资源。此外，也可以进行基于异常的处理，即由事件而不是时间引起的处理，在关键事件发生时进行处理使系统有较高的效率，是分布式SCADA系统中监视大量I/O设备的基础。
④软件可实现按需求的数据传输
某些工业自动化软件系统要求每个从SCADA节点的数据库中获取数据的节点保存一份完整的或部分的数据库拷贝在自己的节点中，这使网络负担加重。系统在点对点通讯的基础上实行按需求读、写数据，只有被要求的数据通过网络传送，这个策略使系统资源的占用率大大下降。
⑤ 软件的安全保护功能
为了保证整个SCADA系统安全可靠的运行，系统设立了安全功能。系统管理员可以在节点上设置安全保护，操作人员必须在输入自己的登录名和口令后，方能进入系统。不同的登录人有不同的安全帐户，在每个帐户里，系统管理员给予指定的程序和功能权限，登录后你只能使用自己帐户中列出的功能。
⑥ 强大的数据库互连功能
除了自身带有数据库以外，还支持SQL、ORACLE等，可以方便地与其他数据库连接。
四、应用效果
我公司研究开发的控制系统，已经在油田中得到广泛应用，并在生产过程中发挥了较好的作用。该技术应用后，改善了传统的采油工现场手工计量的方法，减轻了员工的劳动强度，提高了工作效率，可实现计量站无人值守，系统全天采集与计量，数据更具有代表性和真实性，能准确反映油井生产动态。设备故障率低，运行稳定，具有广泛的推广价值。
[参考文献：]
1、美国Intellution公司 iFIX 2.5 electric book.
2、汤子瀛、哲凤屏等 计算机网络技术及其应用 成都 电子科技大学出版社
3、赖寿宏 微型计算机控制技术 北京 机械工业出版社，1997
[作者简介：]
王洪举 男，1968年生，工程师，1990年毕业于西安交通大学计算机软件专业，现供职于中国石油工程设计公司北京迪威尔公司，长期从事自动控制及计算机应用工作。发表论文2篇，获省部级奖项目1项。
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