采用集中分散型控制系統(tǒng)實現(xiàn)抽油機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

油井的抽油機數(shù)據(jù)采集傳輸管理是油田生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，生產(chǎn)計劃的決策依賴于大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的及時正確的采集。由于資金的制約和傳統(tǒng)管理方式等因素，我國石油企業(yè)在生產(chǎn)作業(yè)上自動化的應(yīng)用程度還很低。例如抽油機的井口回壓、出油溫度、套壓、油壓等資料均靠人工巡井獲得。我國的油田大部分油井分布較分散，這就造成數(shù)據(jù)采集工作量大，采用傳統(tǒng)的人工巡檢方法對油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集錄入，效率是非常低下，精確度不高受天氣影響大的特點，對油井的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)掌握不及時，不能做到在線管理。各項數(shù)據(jù)靠人員匯總錄入分析，也不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的要求。為了準確且迅速地掌握并利用采油現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，對生產(chǎn)狀況進行有效地統(tǒng)籌平衡管理，優(yōu)化資源配置，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，打造數(shù)字化油田，應(yīng)著手建立一套抽油機生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集DCS自控系統(tǒng)。

1 DCS系統(tǒng)概述與系統(tǒng)原理

1．1 DCS簡介

DCS（Total Distributed Control System）是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)。自20世紀70年代中期首次推出后，就一直占主導地位的控制系統(tǒng)框架。它的主要特征是集中管理和分散控制相結(jié)合，與模擬電動儀表較，具有連接方便、數(shù)據(jù)存儲量大等優(yōu)點；與計算機集中控制系統(tǒng)比較，它具有操作監(jiān)督方便、危險分散、功能分散等優(yōu)點，但其信號傳送一般采用4～20 mA的電流信號形式，一個變送器或執(zhí)行機構(gòu)需要一對傳輸線來單向傳送一個模擬信號。抽油機工作看似簡單，實際由于油井分布的面積大分散性等特點，對于油田企業(yè)來講，對其采油生產(chǎn)過程進行自動檢測、順序控制就是一個很龐大的工作。應(yīng)用自動數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，可以對單井抽油機的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對生產(chǎn)設(shè)備進行自我保護與自我控制，可以大大提高其運行效率。

1．2 結(jié)合DCS模型設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)原理

1．2．1 抽油機數(shù)據(jù)采集的三層功能概述

傳統(tǒng)的DCS分三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：生產(chǎn)管理級，監(jiān)控級和過程控制級等。在油井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，過程控制級是整個采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其性能影響著油井抽油機各種參數(shù)信息的實時性、抽油機狀態(tài)的運行判斷以及管理決策的正確性。該系統(tǒng)中的過程控制級完成抽油機的運行參數(shù)的檢測任務(wù)。監(jiān)控級則通過協(xié)調(diào)過程控制設(shè)備，實現(xiàn)抽油機工作過程的動態(tài)管理及停開操作。生產(chǎn)管理級完成制定生產(chǎn)計劃和工藝流程。DCS使用相對集中的控制站，完成生產(chǎn)過程中各個局部的控制作用，實現(xiàn)分散、數(shù)字化的控制過程。

1．2．2 采集數(shù)據(jù)信息的分類

根據(jù)控制理論可知，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息可以劃分為設(shè)定量、擾動量、反饋量及輸出量。在抽油機生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，也可以分為這四類相對應(yīng)的因素：設(shè)定量是依據(jù)當前抽油機的各項標準參數(shù)如井口回壓、出油溫度、套壓等；擾動量是外界人為因素和各項干擾影響因素，即各種設(shè)備的誤差及其后對現(xiàn)場環(huán)境的影響等要素；輸出量是經(jīng)過測量的各項生產(chǎn)技術(shù)指標量；反饋量是對輸出量進行信息采集處理后，將參與和設(shè)定量比較的量。同樣將油田抽油機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用同樣的工作原理，設(shè)定量輸入系統(tǒng)并受擾動量作用后，經(jīng)系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生目標近似輸出量，然后對輸出量進行信息采集處理并反饋到設(shè)定量，從而形成新的設(shè)定量，同時進一步修改并精確設(shè)定當前抽油機效率最優(yōu)參數(shù)標準值，從而達到控制原油開采的目的。當抽油機發(fā)生器械故障導致停井時，工作人員可以第一時間發(fā)現(xiàn)，并且根據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)分析故障原因，迅速派出維修人員抵達現(xiàn)場，進行設(shè)備的維修，最大限度降低了因抽油機故障造成的原有生產(chǎn)損失。

2 抽油機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

油井數(shù)據(jù)采集管控系統(tǒng)，是集抽油機生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理于一體的生產(chǎn)過程自動化控制體系。該系統(tǒng)以油田作業(yè)的抽油機運行管理為對象，以智能測控儀器儀表為窗口，通過計算機網(wǎng)絡(luò)通信將計算機網(wǎng)絡(luò)延伸到油井的井口，形成了油井數(shù)據(jù)采集自控系統(tǒng)，實現(xiàn)油井信息的快速獲取、信息集中處理、分析、診斷和反饋控制。具體實現(xiàn)項目的系統(tǒng)功能，是由系統(tǒng)主機、過程機和直接數(shù)字控制分別完成統(tǒng)一組成的。在計劃系統(tǒng)里，各種傳感器和智能儀表為測量控制級，以控制器或PLC為核心的下位機系統(tǒng)構(gòu)成了整個油田的生產(chǎn)系統(tǒng)的操作級，用具有網(wǎng)絡(luò)功能的控制主機為上位機構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的監(jiān)控級。各子系統(tǒng)之間具有自己獨立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和布線系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)與公司其他生產(chǎn)單元監(jiān)控操作站相連，同時監(jiān)控操作站又與企業(yè)信息網(wǎng)相連，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到公司管理部門。

2．1 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)功能

油井生產(chǎn)管理自動化控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)。形成以多臺計算機為基礎(chǔ)的分散型控制系統(tǒng)。采用過程裝置控制設(shè)備和多個控制卡及I／O子系統(tǒng)模板組成過程裝置控制級，通過通信網(wǎng)絡(luò)將過程信息傳送到上、下級。抽油機數(shù)據(jù)采集的功能分層是根據(jù)集散控制系統(tǒng)的體系特征而設(shè)計，它充分反映集散控制系統(tǒng)的分散控制、集中管理的特點。抽油機運行信息自下向上到管理層逐漸集中，同時，它又自管理層向下至生產(chǎn)一線逐漸分散。其簡單系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2．1．1 生產(chǎn)管理級功能介紹

系統(tǒng)生產(chǎn)管理級（中心控制室）主要用于完成對整個系統(tǒng)各子功能的控制及調(diào)度。流程圖顯示功能模塊完成各個工作區(qū)域的流程圖和相應(yīng)參數(shù)變化情況的顯示。歷史趨勢及棒形圖顯示模塊：實現(xiàn)歷史生產(chǎn)狀況的趨勢再現(xiàn)和與之對應(yīng)時間點的棒形圖及數(shù)據(jù)表格顯示。控制主機系統(tǒng)軟件的主要功能是通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)上位機與下位機間的數(shù)據(jù)傳輸，以及將下位機實時采集的數(shù)據(jù)進行處理，包括存入數(shù)據(jù)庫、進行流圖顯示，還有數(shù)據(jù)表的顯示及各種要求的報表打印輸出?？刂浦鳈CLED顯示大屏幕可以顯示油井分布圖并且定義多個測控畫面，每個測控畫面上可以顯示多個測控參數(shù)，比如可以實時顯示電流、電壓、溫度、油壓等參數(shù)。通過控制主機實現(xiàn)抽油機的停開機的網(wǎng)絡(luò)控制；油井故障實時顯示報警，包括故障發(fā)生時間和故障原因；基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線分析診斷，具有計算流壓、系統(tǒng)效率、抽油桿、抽油泵、抽油機分析，功圖量油比較，智能診斷等功能。

2．1．2 監(jiān)控級是功能介紹

系統(tǒng)的控監(jiān)控級（油井工作站）主要完成系統(tǒng)內(nèi)部通信鏈路的建立及數(shù)據(jù)信息流的傳輸。油井工作站既是中心控制室與智能測控終端的中間站，又可獨立運行。數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)內(nèi)部通信是該系統(tǒng)的核心?？梢酝瓿晒δ馨ǎ撼跏蓟到y(tǒng)參數(shù)、運行參數(shù)設(shè)置、修改及對所有智能測控終端進行各類參數(shù)范圍和功能的設(shè)置；對所有智能測控終端定時校對；定檢、自動巡檢（自動校對、通信、測量等）；故障處理（日志、實時響應(yīng)）；功圖管理（比較、備份、分析）；對終端檢測的抽油井故障進行報警和顯示。

油井工作站直接與生產(chǎn)區(qū)的智能儀表接口，將各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集并處理后按一定格式存放；它還有另一個重要的任務(wù)是不斷監(jiān)聽通信線路是否有上位機傳來的數(shù)據(jù)傳輸請求，將所采集信息準確快速地傳往中心控制室主工作站。并且要保證所采集數(shù)據(jù)的正確、完整性和及時性。最大的特點是該系統(tǒng)是一個連續(xù)不間斷的運行系統(tǒng)，一旦開機運行即不需要任何人工干預。這就決定了油井工作站不僅要從硬件上保證安全可靠，而且在軟件開發(fā)上也要從高可靠性、安全性方面出發(fā)，保證其正常連續(xù)運行。在最惡劣的情況下，如系統(tǒng)掉電、系統(tǒng)“飛程序”等，還應(yīng)使油井工作站具有一定的故障自診斷和自動恢復功能。

2．1．3 控制級實現(xiàn)的功能介紹

系統(tǒng)過程控制級的各種數(shù)據(jù)采集儀器儀表是系統(tǒng)最底層部分，可完成的功能包括：示功圖、電流圖等的測量及儲存；電機的電流監(jiān)測及抽油桿斷脫、抽油桿卡死保護；井口控制箱門的狀態(tài)監(jiān)視；回壓、油壓、套壓、井口溫度的監(jiān)測；電網(wǎng)電壓的監(jiān)測及電壓高、低、斷相保護。控制系統(tǒng)具體實施時，根據(jù)油田的實際情況，可以采取適當?shù)呐渲?。?gòu)建系統(tǒng)應(yīng)考慮預留通信接口，以便將來對系統(tǒng)進行后續(xù)擴建。該部分系統(tǒng)軟件中設(shè)計了以下主要功能模塊：系統(tǒng)初始設(shè)定模塊；系統(tǒng)故障自診斷恢復模塊；通信服務(wù)模塊；數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)存儲模塊。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信

3．1 自動化網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)通信

油氣田自動化網(wǎng)絡(luò)相對于企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)是一個相對封閉獨立的自動化工控網(wǎng)絡(luò)，要實現(xiàn)自動化控制網(wǎng)與企業(yè)辦公網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換通暢，需要設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。所以油田自動化控制網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自動化系統(tǒng)需求，采用內(nèi)部IP地址，通過路由方式與企業(yè)辦公局域網(wǎng)建立連接，并以NAT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部IP地址與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)IP地址間的“邏輯”鏈路連接。所以自動化系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)必須滿足自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全及與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通暢的要求。

3．2 自動化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信

為了保證通信的完整性，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。為了系統(tǒng)的安全性，使用復雜的通信歸約和檢錯技術(shù)。所謂通信歸約就是一組規(guī)則，用來保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收，并且被理解使它與發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由總部中心控制室的主工作站和下級各分工程師站的子站構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，主工作站同時可以掛在網(wǎng)絡(luò)上，允許其他有協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)計算機共享數(shù)據(jù)資源。具體工作方式采用主從式，即主站巡回呼叫各個子站，同時下傳數(shù)據(jù)。相應(yīng)地被呼叫的子站接收數(shù)據(jù)并按要求上傳數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)由組態(tài)軟件管理在主機上實時顯示，同時寫入數(shù)據(jù)庫供第三方使用。實際的系統(tǒng)組態(tài)根據(jù)具體的管理層設(shè)置了兩層管理權(quán)限，即公司級管理員、現(xiàn)場操作級管理員。根據(jù)用戶名和密碼權(quán)限，公司級管理員能夠進入系統(tǒng)所有頁面并進行操作，現(xiàn)場級管理員則只能進入相應(yīng)的管理區(qū)域頁面進行監(jiān)管操作。采用網(wǎng)絡(luò)版的工控組態(tài)軟件，該軟件不但可以提供逼真的系統(tǒng)工藝圖，同時實時動態(tài)顯示控制現(xiàn)場參數(shù)和該系統(tǒng)設(shè)備工作狀態(tài)。

對于管理而言，系統(tǒng)采用基于工藝流程顯示、控制的組態(tài)軟件，它的人機界面好，管理功能強，同時支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，能夠做到數(shù)據(jù)有效管理和共享。

4 系統(tǒng)可靠性的對策

4．1 對系統(tǒng)可靠性的一般理解

系統(tǒng)的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。作為產(chǎn)品的一個特性指標，可靠性具有綜合性、時間性和統(tǒng)計性的特點。所謂“綜合性”是指它不是從某一個側(cè)面來衡量產(chǎn)品的優(yōu)劣，而是從整體上評價系統(tǒng)能否完成預定的功能來評價一個產(chǎn)品的優(yōu)劣。所謂“時間性”是指系統(tǒng)在整個使用周期內(nèi)，隨著時間的推移，在各種現(xiàn)場環(huán)境條件和不同的使用條件下，保持與該系統(tǒng)出廠驗收所達到的一切功能的能力。所謂“統(tǒng)計性”是指一套DCS可靠性的高低是不能用儀器在一個短時間內(nèi)測量出來的，而是需要通過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的積累，按照一定的統(tǒng)計規(guī)律才能求出。前端自動化測控儀表等設(shè)備長期工作在強腐蝕高溫高壓狀態(tài)下，對設(shè)備的硬件耐用性要求非常高。設(shè)計中利用雙重化冗余技術(shù)來達到高的可靠性，減少依賴于人工智能、無程序可循的工程業(yè)務(wù)和維修作業(yè)。系統(tǒng)可靠性的保證更為復雜，在這里筆者列舉系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)采集的前端進行數(shù)字信號隔離，可以使得系統(tǒng)的可靠性大大提高。

4．2 提高單個設(shè)備使用從而提升系統(tǒng)整體安全

要提高設(shè)備的性能安全性，首先要了解該系統(tǒng)自動化儀表測量的實際指標，包括壓力、溫度、流量等。這些被測量值是會被傳感器等采集設(shè)備輸出作為電信號被讀取的。由此該系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)所要測量的基本指標為：

壓力測量一般采用應(yīng)變式壓力傳感器，精度高達（0．2％～0．3％），輸出為0～5 V；溫度的測量一般采用美國AD公司生產(chǎn)的半導體集成溫度傳感器AD59KH，可以輸出標準化的線性電流，綜合了多種測量元件的優(yōu)點；對于流量測量可以利用流量計，取其輸出的脈沖信號，同樣可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入該系統(tǒng)的檢測單元。

因此，可以通過減少非正常電信號對設(shè)備的沖擊，延長單個設(shè)備使用壽命。檢測并將信號送到AI模塊前，因電流轉(zhuǎn)換輸送單元與強電直接連接，高低壓之間無隔離，強電容易竄入AI模塊。輕者損壞模塊的某個通道，重者引起DCS中AI模塊的損壞，進而導致整塊AI模塊故障，使控制級主站的很多工藝參數(shù)不能顯示。所以加入數(shù)字I／O隔離模塊。被測的模擬信號經(jīng)過三個環(huán)節(jié)變換成數(shù)字信號，輸入到計算機CPU處理單元，A／D轉(zhuǎn)換為12位精度地轉(zhuǎn)換模塊，其他兩個環(huán)節(jié)的精度和匹配是測量的關(guān)鍵。做如上信號處理后，可以最大限度的保護系統(tǒng)后環(huán)節(jié)的電子設(shè)備及模塊，從而提高整個系統(tǒng)的安全可靠性。原理圖如圖2所示。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)建成后可實時掌握抽油機的工作狀態(tài)，可以提高抽油機采油的工作效率。在設(shè)備出現(xiàn)故障時及早發(fā)現(xiàn)，避免不必要的經(jīng)濟損失，縮短診斷故障的時間，有效地提高開井率。通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通信與主站計算機相接，可以使公司管理層直接了解各油井抽油機的工作狀態(tài)，縮短生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳遞周期，提高資料錄入存取的準確性。公司管理與生產(chǎn)決策人員可以通過中央控制室計算機直接了解各油井的示功圖變化，及時進行分析、診斷，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)，組織生產(chǎn)的目的。抽油機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建成可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動提交、報表自動生成。從而降低勞動強度，可以同時為工程、地質(zhì)人員提供準確及時的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了及時掌握油井生產(chǎn)動態(tài)和油田生產(chǎn)狀況。利用該系統(tǒng)可及時了解全油田的生產(chǎn)動態(tài)，通過多個實時及歷史數(shù)據(jù)的全面展示可以對某一生產(chǎn)分系統(tǒng)（如集輸系統(tǒng)）進行全面分析與監(jiān)測，為系統(tǒng)優(yōu)化運行提供參考依據(jù)。通過全部油井的逐一計量，可快速實現(xiàn)對全油田生產(chǎn)動態(tài)的及時掌握，為油田的技術(shù)措施提供數(shù)據(jù)支持。自動化實時數(shù)據(jù)向關(guān)系數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了自動化數(shù)據(jù)與ERP等管理軟件的無縫接入，使自動化數(shù)據(jù)直接用于原油的生產(chǎn)運輸與管理，服務(wù)于企業(yè)的生產(chǎn)。

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