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力控软件在油气生产物联网系统中的应用


一、项目概述
      中国石油为加快业务领域信息化建设,全面提升企业整体管理水平,结合公司的发展和信息系统建设情况,形成了《中国石油“十二五”信息技术总体规划》(以下简称“十二五”IT规划)。“十二五”IT规划清晰地描述了中国石油在“十二五”期间的信息工作管理体制、组织结构及主要工作内容。“油气生产物联网系统(A11)”是勘探开发与管理类中的一个重要信息系统建设项目。
油气生产物联网系统就是通过传感、射频、通讯等技术,对油气水井、计量间、油气站库及相关集输管网等生产对象进行全面的感知,实现生产数据自动采集和控制、油气田生产运行监控和管理,进而提高生产操作单元的自动化水平,进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。

      生产数据采集与监控子系统是中石油油气生产物联网系统的重要组成部分。该系统定位于作业区层级,对作业区内及所辖站库及油气水井生产数据进行自动采集、实时监控生产过程。力控油气SCADA作为软件平台,贯穿了数据的采集、展示、传输的整个过程。目前已经在大庆油田、长庆油田、新疆油田、吐哈油田、塔里木油田、青海油田、南方油田等油气田部署。


二、建设目标
(1)优化生产管理方式与组织结构,提高工作效率、降低劳动强度
      通过实现集中管理、运行集中控制、数据集中处理,变革传统管理模式,优化组织结构;实现电子巡检,减少人工巡检次数,降低员工劳动强度;对关键部位实现远程控制操作,优化用工数量,支持精细管理,提升油田生产综合管理能力和水平。
(2)实时监控生产设施,保障油田生产安全、环保、平稳运行
      通过完善现场检测、监视设备,实时监测井、间、站场、管网、电力系统设备工况及故障,提高设备运行效率。通过安装环境监测设备和视频监控等措施,实现多级预警与报警,及时发现和处理生产过程中出现的异常状况,保障生产运行安全。
(3)优化生产工艺流程,实现节能降耗与科学决策
      通过对实时采集的数据为其它系统提供所需的生产数据,进而支持应急生产调度、远程生产指挥、生产工艺流程仿真模拟及优化运行,降低运行能耗,提高生产效率,实现科学决策。
数据采集与监控子系统主要实现运行参数自动采集、生产环境自动监测、物联网设备状态自动监测、生产过程监测及远程控制功能。
在区域生产监控中心建设生产监控SCADA系统,实现作业区油气生产全环节的集中监控。生产监控SCADA系统应实现:
(1)油气水井、集输管线监测功能,主要包括:实时监测、实时超限告警、功图分析对比、历史数据查询、油井视频等主要功能。
(2)物联设备自动检测功能,主要包括:设备自检及告警、故障统计分析;
(3)报表自动生成功能,监控系统可以根据实时数据和报表模版自动生成运行报表;
(4)井场设备远程控制功能,主要包括:抽油井远程启停、井远程关断、注水自动调节控制、自动倒井计量控制


三、设计原则


统一性原则:坚持 “统一规划、统一标准、统一设计”的原则。
实用性、易用性原则: 以油气田生产监控需求为主线,强化应用系统的实用性,使系统能够高效的实现对现场的监控管理、报警处理与数据的汇总统计。生产监控系统应做到操作简单、易用、直观,操作界面友好。
先进性原则:采用先进的集成方案,充分考虑未来业务的发展,系统要具有前瞻性,实现模块化开发,以适应油田建设标准化需求,提高开发效率,减少运维工作量。 
安全性原则:本系统涉及油气水井、站库、作业区三个层次的业务应用需求,根据需求建立了完善、可靠的数据传输、系统多级访问权限,备份与恢复机制。
标准化原则:系统开发采用科学的编码、规范的技术、统一的标准,以便能够与已有或将来建设的信息系统互联,实现系统的集成和数据的一致,便于管理,减少维护工作和费用。
数据采集与处理是A11项目的核心部分,数据标准化是深化应用的基础,同时是提高管理效率和降低运维成本的必要手段,因此生产监控系统的模版工程在数据方面进行了以下几个方面的规范要求: 
  •  数据标签命名规范 
  •  数据采集协议规范 
  •  数据采集频率规范 
  •  数据格式与精度规范 
为了实现A11统一规划的建设要求,生产监控系统要做到统一界面风格,统一操作方式、统一显示方式,因此模版工程对以下几个方面进行了规范 。
  • 系统界面图片 
  • 系统图例图标 
  • 系统导航方式 
  • 系统模块布局 
  • 数据显示方式 
  • 系统操作规范 
四、方案介绍
4.1 系统架构
      油气生产物联网系统分为数据采集与监控子系统、数据传输子系统、生产管理子系统,实现生产数据自动采集、远程监控、生产预警等功能,支持油气生产过程管理,促进生产方式转变,提升油气生产管理水平和综合效益。其中数据采集与监控子系统对井场RTU,计量间,联合站等关建数据进行实时采集并储存,在客户端上进行数据的展示。提供OPC接口供油田公司级进行数据的读取分析。系统架构如图所示:


4.2 系统介绍
      以生产数据采集与监控子系统为依托的调度控制中心是油田作业区运营系统的中枢,系统确保了数据采集、存储的及时性、准确性、完整性、安全性和可靠性,同时系统支持系统平的开放性,支持用户开发、补充和完善应用功能。
调度控制中心系统根据应用功能不同可设立、实时服务器、历史服务器、功图服务器、视频服务器等来组成一个分布式系统,服务器采用双机热备、监控冗余配置。操作员站、工程师站等均作为局域网上的一个节点,共享服务器的资源。
4.2.1实时数据服务器
      实时数据服务器采用力控eForceCon V2.1产品,采用冗余部署。eForceCon V2.1负责处理、存储、管理从站场和RTU采集传送来的实时数据,并为网络中的其它服务器和工作站提供实时数据。实时数据存放在实时数据库中,实时数据服务器中运行通信管理软件,完成与各站场及RTU的通信连接、协议转换、网络管理等任务。
4.2.2功图服务器
      功图服务器是存储抽油机井功图信息的服务器,其上安装了关系数据库。抽油机井功图信息是以功图包的形式通过RTU上传给SCADA系统,SCADA系统将采集的功图包解析后,通过SQL语句插入到关系数据库的功图表中。SCADA系统通过油井号、时间作为索引读取关系数据库功图表中的信息,达到显示、查询、分析功图的功能。
4.2.3操作员站
      操作员站通过图形化客户端对各个站、井进行监控,设置某台站点为工程师站,可专门用来远程在线部署服务器及操作员站工程。


4.3系统产品设计

4.3.1产品概述
      力控油气SCADA系统平台软件完美的结合了通用组态软件和油田业务模型,结合国内外油气田生产工艺的特点而研制开发;是力控科技为油气田用户的工业信息化应用提供的一个基础软件平台,该油气SCADA系统平台的设计涵盖从站库监控站到作业调度中心,为油气企业提供从下到上的完整的生产信息采集与集成服务,从而为油气田工业自动化及信息化综合建设提供支撑。
4.3.2系统架构
      力控油气SCADA系统平台软件具备灵活的架构,能满足现有多种系统架构要求,即可在油气田生产作业调度系统中部署力控油气SCADA系统平台,也可在联合站、接转站及其它岗位部署,如污水岗、脱水岗、锅炉岗等。 
4.3.3产品特点
 灵活的系统架构
      力控油气SCADA系统平台软件具有灵活的系统应用架构,可以自由构建不同规模的应用,支持单机应用到客户端/服务器系统(C/S)、网络客户端(B/S)、冗余等混合应用的大型系统。根据项目需要可自由设计。
 强大的数据采集能力
      软件提供3000个以上驱动程序,支持与国内外主流的PLC、RTU等设备的通信;支持MODBUS、IEC104、DNP3.0等标准规约,支持通过OPC、ODBC、OLEDB等方式与信息化系统交互,支持数据断线重连,通讯故障后具备自动恢复功能,软件支持通讯事件的记录与存盘。
 模板化设计环境
      支持工程模板、油水井、计量站窗口模板、站库对象模板等,方便快速进行工程组态。提供驱动设备和测点模版,方便快速组态。
 油气行业图库
      油气行业常用到的图库,包含了单井和站库的图库,同时可快速导入各种格式(BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等)的图片,方便客户站库快速的组态。 
 行业应用插件
      力控油气SCADA系统平台软件包含油气田常用的功图分析插件、视频组件等。方便对油田生产进行综合一体化调度。
 分布式报警架构
      具备强大的报警存储、统计、分析、显示、查询、事件触发、打印等功能,并可以和语音、视频、多媒体、RTX进行联动。支持报警的在线处置,并可预置处置内容,方便后续对报警进行汇总。
 丰富的图形分析组件
      平台提供丰富的图形分析组件,包括报表、报警、趋势、柱状图、饼图等,使工程开发更为快捷,界面显示更加直观。
 完整的冗余与容错技术
 冗余技术
      力控油气SCADA系统平台软件支持控制设备冗余、控制网络冗余、服务器冗余、系统网络冗余、系统网络客户端冗余等多种系统冗余方式。 
 容错技术
      具备自诊断与自恢复技术,保证系统各进程的状态被随时监控,故障自恢复,从而保证整个系统的稳定与安全。通讯的负载均衡与通讯效率的动态优化,有效提高了数据读与写的通讯效率的平衡。
 便捷的集成环境
      提供丰富的集成插件,可通过后台标准化接口能够实现多个组件间的内部对象化操作,来完成外部系统的集成,如功图计量程序、手抄器查看程序等。
 系统安全性与用户管理
      提供完备的安全保护机制,以保证生产过程的安全可靠,用户管理具备多个级别,并可根据级别限制对重要工艺参数的修改,以有效避免生产过程中的误操作。
 Web网络发布功能
      具备独立的Web发布功能,Web通讯的负载均衡使系统具备高容量的数据吞吐能力和良好的健壮性,保证多个Web客户端的并发访问。
 系统接口及开放性
      采用多进程与多线程的设计和开放式体系架构,全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX、WebService等接口。提供实时、历史和报警数据的远程访问接口,提供驱动快递开发工具。
五、系统功能
      SCADA软件系统提供的界面及功能可以实时监测各个井站的流程参数、报警信息、工作情况,并可以在中控室遥控远程终端设备。通过流程图及参数表实时监测各个井站的工艺流程状态;通过报警分析界面及时了解报警信息;通过示功图随时了解井站工作情况;监控系统主要具有以下功能:
1)油气工艺流程监视功能;
2)数据汇总展示;
3)产量倒井计量功能;
4)远程配注和设备遥控功能;
5)实时与历史报警功能;
6)实时曲线与历史趋势分析功能;
7)重要数据的历史查询功能。
8)功图展示功能。
数据采集与监控子系统详细的功能拓扑图如下:



5.1 系统主页
      首页显示井场拓扑图,除了实时展示各生产单元的生产状态外,表示站库地理位置、从属关系以及管网分布情况。点击站可进入到站的工艺和所辖属的井。点击井号可进入到单井页面。单井画面包含油水器井等画面。在单井画面可以进行模糊搜索或按照层级选择到到指定单井画面。油井单井画面包含油井的基本参数信息、功图信息、状态信息、视频信息以及压力的趋势。参数超过设定限值后,底色会突出显示。当运行时,左侧会模拟抽油动作。当在检修状态时,可对该井的报警进行屏蔽。
系统首页图
油井模版图

功图对比分析图
水井模版
      水井监控重点监控水的油压、套压和瞬时流量,并可远程进行的配注。
5.2 参数汇总
      数据参数表油井、水井、计量站等形成实时参数表。油水井参数表包含该辖区内的所有井的运行信息的汇总,计量站是各站温度、压力等数据原油处理站的为该站内的重点的参数。该表可进行导出、打印。
参数汇总
5.3 计量监控
      计量监控界面显示现场计量间的各项数据,可以实现远程倒井计量任务,生产计量监控包含工艺监控和计量倒井。计量工艺图包含计量实时状态,可显示最新的计量的井和罐参数,对于温度数据等可突出报警。
计量工艺图
      倒井计量结果查询可根据预设的条件进行倒井计量,并可在此调整计量的顺序,对于计量的结果和输出打印。
倒井计量结果
5.4 物联设备
      生产数据采集与监控子系统可以对现场相关设备的生产厂家、出厂日期、投产时间、运行时间、负责人信息以及日常维护记录进行记录、统计、保存,也可以表格导出设备管理记录。此功能优化油田设备管理方式,方便工作人员对设备的日常维护与管理。
物联设备
5.5 报表分析
      生产数据报表是生产过程中至关重要的一个部分,通过数据报表,可以清晰、直观、有效得了解与掌握各生产单元的生产情况,有助于职能单位对当前的油气生产情况进行宏观的把握和全局的统筹。
      报表分析功能包含油/水井参数查询报表、油/水井单井参数查询报表,以表格形式来展示油水井相关数据,如冲程、冲次、电压、电流、流量、压力等,同时提供班报、日报、月报、等报表类型。并可对查询结果进行导出、打印。
报表分析
5.6 曲线分析
      数据趋势曲线可实时、动态显示当前当前采集数据的趋势曲线,并提供按日期、时间、变量名等方式进行查询,支持趋势的浏览、打印。可快速查询单井和站内的数据的趋势曲线,协助运行管理人员进行特性分析和参数对比。
趋势分析
5.7 通讯监控
      通讯监控界面显示所有RTU、井的通讯状态。并对当前作业区连接RTU的总数,目前通讯连接正常的RTU进行统计。在界面上显示每个RTU所对应的IP地址,单击可实现 PING 功能。
通讯监控
5.8 报警处理
      SCADA系统中,能够记录历史的报警记录以及相关操作人员的记录。报警分为实时报警和历史报警,在界面中可以方便的切换。实时报警可按照井进行处置或当个参数进行查询处置。处置内容可预设,也可临时根据巡护人也反馈进行处置。
在历史报警中可以按照单井名、时间筛选报警。在一条报警中明确的记录着报警时间、确认时间、恢复时间、报警处理、操作人员等信息,方便操作人员以前时的报警进行全面的了解。能够通过各种查询方法:时间查询、操作员查询、组合查询、模糊查询等,进行报警记录的筛选工作。
      报警参数可批量或者单个修改某个参数的报警限值。
报警统计
报警参数修改
5.9 视频监控
      视频监控页面可以监控作业区所辖单井、站库、道路实时运行状态,通过专有的控件可实现对视频云台的远程控制,可进行录制视频、抓图等操作。当有非法闯入可在系统上报警提示。
视频监控
5.10 用户管理
      生产数据采集与监控子系统提供完备的安全保护机制,以保证生产过程的安全可靠,用户管理具备多个级别,并可根据级别限制对重要工艺参数的修改,以有效避免生产过程中的误操作。


六、系统软硬件清单

6.1 系统软件清单
6.2 系统服务器配置
七、方案总结
      油气生产物联网生产采集与监控子系统将全面采集油气水井、计量间、油气库站及相关集输管网等生产单元的实时数据,为优化生产调度提供支持。同时为业务的综合分析提供了原始数据的支撑。
生产监控与采集子系统实时监测生产数据,超出阈值时可及时报警并采取保护措施,快速发现并消除安全隐患。简化和优化生产工艺流程,实现统一的控制系统的集中管理,适当减少或合并岗位设置,从而实现管理创新、减少劳动用工、改善劳动条件。