油田油井生產SCADA系統

第一部分：系統描述

1.1. 系統設計說明

　　油田自動化信息系統建設主要包括油井遠程監控、配電線路自動化系統、輸油管線泄露監測、集輸站庫自動化監控等四個部分，其目的是利用現場監控系統，實現數據源頭自動采集，借助油田現有網絡資源自動加載到廠級實時數據庫，為各級管理部門應用提供開放的數據平臺，使生產和管理人員及時控制和掌握生產動態，從而實現整個生產過程的自動化；并可以對取得的實時數據進行統計、分析、優化，從而為保證生產設備正常運轉、降低生產成本提供重要依據。

1.2. 現狀綜述

　　全國各地各采油廠已不同程度地進行了油井監控的試點工作，目前參與的廠商數量比較多，水平參差不齊，各個廠家都是在做試點工作，也有個別廠家開始規模推廣。也暴露出很多的問題，主要表現在油井現場設備可靠性差，可維護性差，不能承受油井現場惡劣的工作環境（包括高溫、低溫、潮濕和沙塵）。數據開放性不夠，往往是各個廠家互不兼容，軟件數據不能共享，呈現一個個的自動化孤島。全國十幾萬口油井，已經采用油井監控的油井不會超過一萬口，不足總數的 10％。

1.3. 設計思想

目的：

　　油井遠程監控系統主要是通過對井口參數的實時檢測，采用輪詢-應答的通信方式，將檢測到的油井狀態，通過無線方式傳送給采油廠實時數據庫服務器，并以C/S或B/S模式，使生產管理的各個部門能夠及時掌握油井工作狀態，縮短油井故障處理時間，提高開井時率，增加原油產量，提高工作效率。另外，油井井口的控制器具有電量計算功能，可以為 6kV電力線路配電自動化系統提供基礎計算數據。

原則：

　　自動化工程必須按照“統一規劃、統一標準、統一數據庫 ”的原則建設，系統方案必須整體考慮網絡通訊、系統安全等問題，保證實時數據庫標準開放，使整個系統具有極高的可靠性與實用性。

　　系統設計遵循“實用性、開放性、可靠性、先進性、可擴展性、易維護性”的基本原則，以方便操作、可靠運行為實施根本；方案設計既立足于實際，便于實施，又著眼于未來，為發展留有余地。技術方案普遍采用近幾年發展和改進的新技術、新設備、新系統，其所有硬件和軟件均應經過生產現場考驗，經驗證具有先進性和可靠性。

　　整個油田自動化系統在局域網上根據地域特點在每個采油廠設一個實時數據傳控中心（包括通訊處理機、實時數據庫服務器、應用服務器），用于集中管理和存放各采油廠所轄區域內生產井、6KV配電線路、聯合站、輸油管線的現場實時數據，做到實時數據庫開放的原則。

　　整個系統構成如下：

方案說明：

　　井口控制器采集油井示功圖、電量、回壓、溫度等參數，經 CDMA/GPRS網或者數傳電臺，以 CDMA/GPRS專線方式或者數傳電臺接口(RS232)接入采油廠通訊機、實時數據庫服務器，廠礦小隊的計算機可以用瀏覽器或客戶端方式對實時數據庫進行訪問。井口控制器改變以往只采電壓、電流有效值地模式，而是實時采集計算電機電量參數，可為配電線路自動化系統提供所需的數據。

　　6kV配電線路遠方終端、采油廠通訊機、實時數據庫、配電 SCADA應用服務器、工作站等，利用CDMA/GPRS網，組成配電線路自動化系統，實現對配電線路運行狀況的實時監控和管理。

　　集輸站庫自動化系統與輸油管線泄漏檢測系統均是相對獨立的一個系統，經局域網將系統采集的生產數據上傳采油廠實時數據庫，實現網上數據共享。

　　通過 B/S模式，可以使管理者瀏覽和查詢全廠實時數據，及時了解現場生產情況。也可以通過 C/S模式對生產數據進行統計、分析。

　　為了保證系統的時鐘一致性，系統配備專用的 GPS時鐘，用于同步全網的系統時鐘，包括定時與各 FTU、SU遠方對時。

　　系統中通訊機、實時數據庫服務器、應用服務器等重要節點采用雙機熱備用配置，保持主機和備機之間數據的一致性，使主、備機可以在故障時可以隨時切換運行。

　　數據中心采用雙網冗余配置，且與油田局域網隔離，當主網出現故障，備網可隨時切換為主網運行。

　　網絡安全性設計，采用防火墻、數據加密、網絡隔離、用戶權限管理等技術和手段保證網絡和信息的安全。用戶權限管理工作包括系統用戶資料庫管理、用戶注冊、用戶級別設置、用戶權限設置等主要內容。

　　目前全油田網絡范圍內已建立起了病毒防治體系，因此本系統病毒防治依照油田統一規范執行。

1.4. 油井遠程監控系統

　　根據油井分布的地域特點與無線通訊技術發展的水平，油井遠程監控系統考慮用 CDMA/GPRS或者數傳電臺通訊模式，系統主要由傳感器、井口控制器 SU、CDMA/GPRS（數傳電臺）通訊模塊 DTU、采油廠通訊機、實時數據庫服務器、WEB服務器、監控瀏覽終端等組成。系統框圖如上面總圖所示。

　　油井工作狀態傳感器和變送器主要有溫度傳感變送器，壓力傳感器和變送器，電流互感器、抽油機載荷傳感器和變送器、位移傳感器和變送器、變壓器一次側電流互感器，它們將油井的工作狀態變換成對應的電壓或電流值送至井口控制器 SU。然后經 CDMA/GPRS網或數傳電臺，接入采油廠通訊機，數據通訊機采用輪詢方式收集井口控制器數據，數據經過分析經處理后，進采油廠實時數據庫。廠礦小隊的計算機可根據不同的權限，采用 C/S或 B/S模式對實時數據庫進行訪問。

系統實現的功能

　　電泵井 SU主要進行電壓、電流、油井回壓、井口溫度等參數的測量。抽油機井 SU主要進行示功圖、電壓、電流、油井回壓、井口溫度等參數的測量，且保留油井遙控啟停功能。

　　井口控制器具有電機有功功率、無功功率、功率因數、日用電量等參數的計算功能。

　　對電潛泵井停機、電壓過壓、欠壓、電流過流、欠載、井口回壓過高、過低等異常情況檢測報警；對抽油機井停機、電壓過壓、欠壓、電流過流、欠載、井口回壓過高、過低、載荷過低等異常情況檢測報警。線路來電瞬間，也作為異常情況報警。

　　采油隊監控機按照管理權限僅能查詢本隊油井的工作狀態、實時收據、及相關通信模塊工作狀態、配電線路工作狀態。

　　抽油機井示功圖、電流圖（或功率圖），除定時采集保存外，采油隊可根據生產情況，手動選擇油井井號，實時索要示功圖、電流圖（或功率圖）。

　　當電潛泵井出現過載停機故障時，將停機前一分鐘內三相電流（Ia、Ib、Ic）與線電壓(如 Uab)的數據上傳數據庫，為電泵故障診斷提供分析數據。

　　采油隊監控機具有靜態數據瀏覽和編輯等功能：包括抽油機型號、配置電機型號、油井井號、沖程、線路名稱、量程上、下限、報警上、下限、油井井況等方面的數據，并能夠添加新開油井、刪除停產油井、修改作業井的基本數據。

　　系統具有示功圖、電流圖（或功率圖）、電流、電壓等參數的實時趨勢、歷史趨勢監視功能，可方便地了解長時間的參數變化情況，方便快速分析。

　　系統可以考慮地理圖形系統的接入，使圖形能反映地理信息，可以非常直觀形象反映整個油區的工作狀況。

　　采油廠、礦與相關科室能夠通過瀏覽器查詢廠、礦、隊油井的工作狀態與實時數據，當天停井情況、開機時率統計，以及歷史數據與歷史記錄。

　　抽油機井需上傳數據主要有：載荷（最大與最小值）、回壓、井口溫度、電流(Ia、Ib、Ic)（最大與最小值）、電壓(Ua、Ub、Uc)有效值、有功功率、無功功率、功率因數、上下沖程最大電流值、上下沖程功率、平衡率、日用電量、累計電量、沖次、系統狀態、采集時間等數據。示功圖、電流圖（或功率圖）需要一個沖次內載荷、電流（或功率）的所有采集量，每個圖約需要 200個數據。因此，數據總量約為 430個數據，其中基本數據量為 30個數據。

　　電潛泵井需上傳數據主要有：回壓、井口溫度、電流(Ia、Ib、Ic)、電壓(Ua、Ub、Uc)、變有功功率、無功功率、功率因數、日用電量、累計電量、系統狀態、采集時間等數據。數據總量約為 20個數據。

采油隊主站

　　油井生產監測系統由安裝在油井上的監測終端、安裝在采油廠級的通訊和數據服務器、采油隊等用戶使用的監測界面、現場通訊系統和管理通訊系統五個部分組成。系統結構如下圖所示：

　　油井監測 HMIBuilder系工程，可以實現數據通訊、數據處理、命令處理、報警和事件處理、安全控制、圖形界面顯示等功能，包括通過設定的通訊規約和接口與現場設備進行通訊，獲取現場設備所采集的數據或向現場設備發送數據和指令；通訊軟件得到的原始數據按現場采集點的類型進行轉換、判斷是否需要產生報警及數據存儲；處理用戶的下發命令、將命令轉換為通訊服務器的控制指令，并協調多個用戶同時下發命令時的關系；實現預定的報警效果、對報警和事件進行記錄、存儲；管理系統用戶的認證和授權信息，對系統用戶進行身份認證和權限檢查。

系統基本處理流程為：

　　油井的數據由油井終端負責采集，油井終端上裝通訊模塊，采集到的數據由通訊模塊送至位于采油廠信息中心的通訊服務器。數據經處理后存入實時數據庫。采油廠用戶通過應用服務器獲取系統服務，應用服務器訪問實時數據庫獲取數據。由用戶發起的操作，如手工召測數據、更改配置等，由應用服務器進行處理，并通知通訊服務器執行相應的操作。

系統功能

系統主要有以下功能：

(1)數據采集功能
• 數據定時采集：能夠采集各種可以通過通道傳遞到主站的遙測、遙信、電度及其它類型的量測數據。
• 系統定時召喚油井終端數據；
• 按需數據采集：采油廠用戶終端可在任何時刻請求召喚一口或多口井的數據；
• 通訊控制功能：啟動/停止對油井終端的數據采集、切換終端使用的通道等；
• 通道質量監視及故障診斷，通訊流量計算；
• GPS對時：接入 GPS時鐘信號，定時統一全系統時鐘，并向各油井終端發送對時命令；
• 可支持多種通訊規約、多種通訊通道；
• 添加/刪除油井終端，修改終端通訊參數，如地址、通訊規約、數據召喚周期等；
• 修改油井終端參數，如各種報警限值，抽油機沖程、沖次、各傳感器量程等參數，并將必要的參數下發到油井終端；

(2)數據處理功能
• 事項報警處理功能：系統對模擬量可分別設置報警上、下限，有效上、下限，當數據越限值時可生成報警記錄。可定義報警的聲光效果或給出語音報警提示；
• 事件記錄，系統記錄所有用戶操作、通訊事件和終端報警；
• 數據保存周期可按不同數據類型設置為逢變即存、10分鐘、30分鐘、60分鐘；
• 權限管理。所有系統操作均有授權控制；

(3)人機交互功能
• 界面循環顯示：授權用戶可選擇油井，使基本信息界面可自動循環顯示；
• 報警發生時，可自動推出報警畫面，并伴有聲音或語音報警；
• 結合地理位置圖顯示油井信息，如開/關井，基本運行數據等；
• 結合地理位置圖顯示與油井相關的電力線路運行信息，如是否停電等；
• 生成各采集參數的時間曲線；
• 顯示示功圖：功圖迭加和并列對比；
• 計算功能：支持常用函數功能；
• 歷史數據綜合查詢及生成報表；
• 遙控啟/停井。

(4)報表功能
• 可自定義報表格式，生成 EXCEL報表。

分布式監控系統

　　利用突破性工業以太網技術、令人驚異的矢量繪圖功能，融合和 HMITECH縱橫科技系統級解決方案，HMIBuilder2.0軟件會使您耳目一新。它擁有界面友好、操作方便、功能強大，結構容易擴充等特點。它包含了以下幾個子模塊：實時處理模塊 SCADA、數據組態模塊 Data、窗口組態模塊 Draw、窗口監控模塊 View、告警瀏覽模塊 AlarmViewer、報表組態模塊 ReportDesign、腳本組態模塊 ScriptDebugger。這幾個模塊相互配合，形成一個整體，滿足用戶的多種需求。

　　HMIBuilder人機界面 (HMI)分布式組態軟件是基于軟總線技術的。網絡功能強大。通過方便的網絡組態，輕松實現網絡節點的負荷分擔，支持多種網絡拓撲結構。直觀的用戶交互組態配置、高可靠性的實時監控和與 HMITECH人機界面系統無縫集成，您將獲得高性能價格比的系統級解決方案。

　　HMIBuilder分布式組態軟件是一個具有高開放性和高擴展性能 HMI組態軟件，不僅網絡功能強大，而且，擁有尖端的繪圖工具和卓越性能的實時和歷史數據庫，從而為專署行業應用設計提供了無與倫比的動力和靈活性。HMIBuilder分布式軟件支持標準現場總線通訊，提供了與工業自動化設備的最標準的連通性。

　　無論您是工程師或操作員、終端用戶或系統集成商、OEM或VAR，HMITECH HMIBuilder分布式軟件都會為您提供所需的突破性功能，在工程實施和生產監控運行過程中，保證您能夠實現績效考核突破性提高。

功能強大、尖端技術、行業標準、高效易用

HMIBuilder是分布式工業組態軟件，已經很好的應用于電力遠動、油田環保、設備配套、工廠自動化等領域。HMIBuilder 2.0 通用版組態軟件具備許多特點和性能，包括：

• 強大的網絡功能
  • 分布式管理、組態和監控，支持單機、單網、雙網等網絡拓撲。
  • 網絡架構中，節點可按照功能分類，實現分布式架構，多個后臺機和工作站，實現負荷分擔。
  • 根據劃分，實現多層監控架構。
  • 軟總線技術應用支撐，由HMIBuilder SCADA模塊，通過工業以太網，將各物理節點連接起來，形成軟總線。
• 完善的數據庫組態
  • 實時數據庫，實時數據檢索快。實時庫采用Hash算法，實現大數據量快速檢索！支持大點數工程的順利執行。實時數據結構組態清晰。站參數為設備，以設備為基礎，定義不同數據類型全局參數。腳本計算定義的局部參數，不占組態軟件點數。
  • 歷史數據庫組態，數據組存盤保存到HMIBuilder數據庫，savegroup數據庫容量為4G。
  • 支持腳本命令存盤，可以響應各種調度方式。支持導出到ODBC數據庫，支持報表、歷史曲線等。
• 靈活的組態擴展
  • TCL（Tool Command Language）語言，語法格式簡單，易于掌握，HMIBuilder提供豐富的TCL擴展命令
  • 多種標準通訊擴展，全面支持OPC2.0，支持DDE，支持各種標準通訊和現場總線規約
• 強大繪圖功能組圖元功能
  • 色彩鮮明、分辨率無關的View窗口自適應功能，可滿足真實性、清晰度和關注度的要求
  • 完全的矢量繪圖，圖元豐富，完全符合Windows繪圖習慣，使軟件工程師、非程序設計人員和新手能夠快速地定制應用功能；
  • 圖形庫提供大量成組圖元。多個子圖元可以設定成組，可組內查看子圖元屬性，可組內修改子圖元屬性；成組圖元入庫功能，預構建的令人瞠目的圖形符號綜合圖庫；
  • 支持第三方圖庫的圖形符號，比如兼容Symbol Factory Vision2.0 圖庫的4,000種自動化類矢量圖元，并可以集成腳本，方便完成二次修改設置；通過可重用性和標準化節省工程量；
  • 動畫圖元使用方便，選擇配置圖元屬性，配置結果，立刻顯示。所設即所見！
• 組態安全有保障
  • 告警處理機制完善，提供自動告警顯示、快速語音告警組態，支持報警自動存盤和ODBC存盤，提供報警瀏覽器和報警瀏覽圖元，支持分布式告警存盤服務器
  • 通過用戶權限管理，實現工程組態加密保護，保護組態工程知識產權。 兼容性高。版本兼容，通、嵌、網工程合一。系統兼容，支持Windwos 98 / 2000 /xp /xpe /vista。

　　HMITECH的HMIBuilder組態軟件不僅僅可以使工程師在構建誘人、直觀、安全、可靠且可維護的HMI、SCADA和MES應用，而且，具備更高的生產力和創造力，同時可降低應用開發成本。

第二部分 平臺描述

2.1. 廠站端主站軟件硬件

2.1.1.硬體

　　根據實現情況配置人機界面、工業計算機和服務器，包括監控工作站、通信服務器和數據庫服務器。比如：IPC610H機箱 PIII機型，此款整機配置為 Pentium系列，可選配 CPU/硬盤/內存/光驅/軟驅/鼠標/鍵盤，全國聯保。

主要特點 用戶界面友好，帶前置過濾網易于維護 支持250W ATX PFC PS/2 電源 前置電源和HDD 狀態指示燈 能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩定工作 防震設計的驅動器臺，可以容和3個5.25”及1個3.5”前端驅動器 靈活的機械設計支持PS/2單電源和冗余電源

2.1.2. 軟體

分布式組態軟件是解決您工業自動化軟件需求的理想選擇，因為軟件：

圖表 2

• 提供多種繪圖工具、圖庫，易用性好，經過工業現場多年應用，穩定性好。
• 最大限度地開發利用產品的 Web2.0功能
• 承諾保持持續研究與開發，更好的服務行業客戶
• 同 Microsoft金牌合作伙伴研華科技有著良好的長期的全面合作關系。
• Windows全系列平臺下，采用面向對象編程技術開發的工業產品
• 以軟總線技術為支撐，基于工業以太網，實現分布式監控和組態
• 數據庫功能強大，支持超大點數組態和大型歷史存盤
• 兼容 Windows 98、2000、NT、XP、XPE、CE、Vista
• 軟硬一體化一站式解決方案提供
• 采用硬件和軟件加密許可兩種授予方式
• 為工業市場引入并推出集成化套裝軟件

軟件特色：

1. 整體結構清晰，簡單易用。軟件的架構及模塊設計符合人的認知曲線，即便從沒接觸過組態軟件的用戶經過2-4小時的培訓即可獨立進行一般工程的制作，具有使用其他組態軟件經驗的用戶會更容易上手。
2. 天然支持分布式網絡結構，可實現負荷分擔，用戶可根據需要構建任意架構(單機、C/S、B/S、分布式數采、瘦客戶端等)的應用系統。其 Web瀏覽功能支持廣域網，可穿越大多數防火墻。配置簡單，整個配置工作在幾分鐘內即可完成。
3. 繪圖包使用簡單，功能強大，可比美于專業繪圖軟件。畫面復用程度高，支持圖形模板，圖庫可根據自己需要修改。
4. 捆綁 TCL(Tool Command Laguage)腳本語言，支持腳本調試功能，包括變量查看、單步執行、斷點執行等，幫助用戶檢查腳本的語法錯誤以及邏輯錯誤。TCL語言是一種完善的腳本語言，廣泛的應用于各個領域，擴展性好，功能強勁。
5. 內嵌支持自定義報表，可制作各種各樣的報表，簡單實用、美觀大方，且不依賴第三方程序。

2.2. 遠端井口控制系統

• 油井控制器功能：

  檢測光桿載荷、位移、電機的電壓、電流、井口回壓、井口溫度等參數，且具有抽油機啟停的遠程遙控功能。

  控制器應具有至少 1天的數據存儲功能。

  能夠計算電機功率、電量等指標。

  具有遠程設置或組態功能。

  可以通過 RS232或 RS485接口與通訊設備連接，通訊方式采用輪詢-應答模式。

  提供 RS232現場維護接口。

  依據井口供電情況，控制器分別適用 110/380/660/1140 VAC±25%電壓等級。

  提供備用電源，能保證在斷電情況下與監控中心通訊一次，將數據上發。推薦采用電容做備用電源。

• 現場儀表

  溫度：傳感器采用工業標準 PT100,溫度變送器。

  井口壓力：采用昆侖海岸的傳感器和變送器或者北京金時公司的傳感器和變送器。

  位移傳感器和變送器：
  　　位移傳感器有兩種，一種為角位移傳感器，一種為絕對位移傳感器，角位移傳感器特點時便宜，安裝方便，缺點精度差。絕對位移傳感器特點時測量準確，但是安裝復雜，價格昂貴，容易損壞。建議選用芬蘭 Axiomatic單軸和雙軸傾角傳感器和位移變送器，CAN總線通訊，支持 CAN Open協議。

圖表 2

井口控制柜