矩形科技无线油井集中监控系统解决方案

前  言
该监控系统中，使用组态软件和GPRS无线数传终端，系统无线遥测遥控主机（RTU）将检测到的单口采油井的现场状态，通过无线方式传送给监控中心，从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，有力的缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率，同时系统的性价比特高。另外，本系统还非常适合输油管漏油，盗油监测，在多家采油场中使用，取得了较好的经济效益和社会效益
考虑到我国大部分城市的冬天高寒天气和夏天高温天气，油井监控系统中关键器件一律采用宽温工业级的产品。并在出厂前对产品统一进行低温和高温老化，确保系统能够工作在高温和高寒天气中（-40~+60度）。
系统采用深圳市矩形科技有限公司自行开发研制的GSM/GPRS无线透明传输终端与油井智能控制器和管理系统，采用先进的计算机通信技术和数字信号处理(DSP)技术，通过交流采样的方法，完成现场的电流、电压以及功率、功率因素等参数的采样、运算、存储、显示，并根据预置参数或调度端的命令完成系统的自动控制，

技术方案概述
 1..    一 系统描述
 （6）1.1        项目背景
油田是一个以油气生产为主，集勘探、开发、施工作业、后勤辅助生产、多种经营、社会化服务为一体的，专业门类齐全的国有特大型企业。油田的勘探、钻井、测井、录井等是野外作业，流动性强，点多、分散、距离长，施工现场与公司之间的信息交流长期以来没有好的解决方案。油田管理层十分重视油田信息化建设，明确提出了未来一个时期油田信息化建设的具体目标。 
借助“油井数据监控系统”，管理人员足不出户就可以通过该系统随时观测到油井的生产状况。油井工作的相关数据每隔两小时传输一次，机井一旦出现故障，示意图就会标示感叹号，维护人员就能够在最短的时间内赶到现场，及时排除故障。以前，采油测试工要到每个现场进行测试，费时费力不说，对每口井的工作状态也很难把握，有时一口井发生故障，往往许多天后才发现。
 （6）1.2        GPRS方案的优势
油田工作环境恶劣，雷击、地震及人为破坏等时有发生，怎样把油井运行的相关数据传送到中心控制室一直是个难题。以前，油田曾采用微波、数传电台的方式采集数据，但实际使用过程中，效果不理想，高成本的投入和频繁的维护让采油单位不堪重负。引入了GPRS钻井数据上报系统之后，通过固定在机架上的传感器，管理人员可以及时了解各个机井的工作压力、采油时电压、蒸汽温度等数据，从而确保了油井的安全运转。 
    油田还可依托GPRS/GSM网络，实现了抄表自动化、精确化。用电控制中心对油厂用电的运行状态可以通过电子显示屏进行监控，每个控制点将用电状态以短信息的形式及时传送到控制中心，这样就可以自动、高效、及时地掌握油田用电情况，自动生成配电计划，实行科学的电力营销和管理。这套装置克服了以前人工抄表准确率低、费时费力、缺少集中有效的管理的弊端，解决了生产的后顾之忧。
1.3        设计依据及参考资料
设计主要依据为：
《无线电负荷控制双向终端技术要求》
《电力负荷控制使用化考核验收标准》
《电力电子产品环境条件》GB4796—4798.85
《安全防范系统通用图形符号》（GA/T74-2000）
《通信系统机房设计》（GBKJ-90）
《安全防范系统验收规则》（GA208-2001）
《中国电器装置安装工程施工及验收规范》（GBJ232-82IEEE）
《计算机软件开发规范》（GB8566）
《计算机软件质量保证计划规范》（GB/T12504）
 《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）
《微机线路保护通用技术条件》（GB/T15145-2001）
《微机继电保护装置运行管理规范》(DL/T587-1996)
《电力系统实时数据通信应用层协议》（DL/476-92）
《交流采用运动终端技术条件》（DL/T630-1997）
《交流电气装置接地》（DL/T621-1997）
电监会5号令     电力二次系统安全防护总体方案
《电力系统调度自动化设计技术规范》（DL5003-91）
《运动设备及系统》第5-101部分：传输规约基本运动任务配置标准   DL/T634.5101-3502
《运动设备及系统》第5-104部分：传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-101网络访问   DL/T634.5104-3502
《微机型防止电气误操作装置通用技术条件》（DL/T687-1999）
电安全[1994]191  电力系统继电器保护及安全自动装置反事故措施要点
《电测量及电能计量装置设计技术规范》（DL/T5137-3501）
《235-500KV变电所计算机监控系统设计技术规范》（DL/T5149-3501）
1.21.4      系统设计原则
  本着以可靠性、实用性为前提，兼顾先进性的原则制订本系统设计方案。
（1）         先进性
整个系统在五年内保持先进，系统所采用的设备与技术能适应以后发展。
（2）   可扩展性
能够适应不断增加的业务需求，当增设新的分控点时，只需简单地增加少量部件。
（3）   开放性
整个网络是一个开放系统，能容入不同厂商的产品，而不是由个别供应商提供的系统。
（4）   灵活性
系统组网方式灵活，系统功能配置灵活，利用现有资源灵活，将各类型资源的利用，都溶入组网方案之中。能满足不同分控点的业务需要，软件功能全面，配置方便；
（5）   可靠性
组网设备可靠，组网方案可靠，可根据用户需要采用备份路由。
（6）   可操作性和可维护性
系统操作简单易学，操作人员可快速掌握使用方法。监控器本身和现场设备之间具有明晰的接口，出现问题时可迅速找出故障原因，便于使用维护。
（7）   实用性
从用户角度出发，系统能使油井控制少人值守或无人值守成为可能。充分利用现有资源，尽量降低选购设备成本，使系统具有较高的性能价格比。
（8）   实时性
系统具有很快的响应性能。 
1.31.5      油井监控系统概述及设计考虑
  RECTGRPS智能油井远程控制系统集多功能一体化油井监控终端，满足油井智能监控系统对油井监控终端的要求。以下是该产品监控终端的简要介绍。特点如下：
（1）记录采油设备上的电压、电流、电度、温度、压力、流量、液位、界面、含水、示功图、红外报警等数据。采集数据的格式为模拟、数字和串行通信口。还能完成流量和电度的积算。8路控制量输出，8路开关量输入，1路RS485接口。在外接扩展板或智能变送器后, 可任意扩展各种信号通道。
（2）安全性好：各测量通道输入具有完善的保护功能。控制输出节点承受能力为220V/6A，遥信输入耐压为2500VAC  50HZ 1min。供电电源无论极性正反均可正常工作。
（3）测量精度高和范围宽：采集速率0.4秒/路，巡检周期（所有通道全部采集一遍）约3秒。模拟量精度可达0.１%，开关灯时间精度误差上限为5S。测量相电压范围为0V至400V，测量相电流范围0A至500A（一次CT测），
（4）可靠性高：抗干扰能力强。即使因外来强干扰而死机，内部WDT电路也可自行使数据采集器恢复正常工作。
（5）通信接口灵活：具有RS232和RS485接口。
（6）智能程度高：可自行根据告警限判断外部信号是否正常，如不正常，可发出声光告警，并在以下情况下自动向监控中心上报告警信息。
     A. 采集的电流、电压超过上下限时;
     B. 各压力表、流量计、电动阀等出现故障时;
     C. 供电线路停电、通过自备电源运行时;
（7）模块化结构，扩展十分灵活。产品监控终端以控制器为核心，通过总线可以扩展７个扩展模块。

（8）支持多种智能型电量表。
（9）标准配置GPRS通信模块，,当通信方式改变时, 无须更改程序，只需更换相应的通信模块。
（10）油井监控终端具有停电上报告警信息功能，一旦油井控制配电箱掉电，3分钟向监控中心发送相关的告警信息。
1.6  系统功能
    数据检测功能：自动监测、记录采油设备上的电压、电流、电度、温度、压力、流量、液位、界面、含水、示功图、红外报警等数据。采集数据的格式为模拟、数字和串行通信口。还能完成流量和电度的积算。
 数据共享功能：所测数据以及采油设备的工作状态可以传输到局域网上，实现多方远程数据共享。
   显示功能：总流程显示、分组流程显示、全部数据列表、分组数据列表、单个仪表历史数据列表，对于日、月、年显示、故障列表显示。
 辅助分析功能：及时发现停电、缺相、油管堵塞、盗油、液面过低、配重不平衡等异常情况。
   报警功能：如果检测值超过设定范围，即声光告警，并能在屏幕上显示出现问题的仪表名称以及参数超出的范围，若有多个数据报警，将按顺序显示超值列表。
   权限设置功能：权限设置分一般操作员、管理员、超级系统管理三种。利用输入用户名和密码加以限制
      

二   监控系统  控制功能描述
 2.1 系统简易流程图

2.2    系统功能描述
    将系统中所有设备电动阀、流量计、油泵、超声波测量仪器、油井控制设备运行信号及故障信号都
 三   油井控制系统专用控制器
 3.1 概述 
    我司目前自行研制生产的现场控制设备有油井控制器、扩展模拟量输入单元，现对多功能一体化油井监控器及其外部可扩展智能设备做简要介绍。
    油井控制器，基本承接了早期产品的全部优点，虽然减少了本机模拟量测量通道数量，但控制功能更加完善，更加适合油井监控系统使用。
    该控制器具有如下特点：
    ⑴ 界面友好：该油井监控器虽然没有液晶显示屏和操作键盘，但可连接笔记本电脑或掌上电脑进行现场配置工作，并可脱离监控主机单独工作。
    (2) 本机具有8点数字量输入，8点继电器输出。可支持8路油井控制系统中设备单独控制。
    (3) 支持GPRS-DTU模块，从而实现多站点的数据可以试试的传输到监控管理中心，同时监控管理中心也可以通过上位机软件对每个站进行参数的设置和遥信遥控。
    (4) 安全性好：可根据油井控制系统中自动检测各油压、流量、温度等参数并实现
     (5) 可靠性高：抗干扰能力强。即使因外来强干扰而死机，内部WDT电路也可自行使数据采集器恢复正常工作。
     (6) 通信接口灵活：具有RS232和RS485接口。
    （7）模块化结构，扩展十分灵活。
 
  3.2 性能参数
油井专控控制器参数规格

 3.3　电气和环境规格
表1-2 电气和环境规格表

 四  DTU数据传输模块

4.1 概述
GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有 GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与 前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS 覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS理论带宽可达171.2Kbps，实际应用带宽大约在40~100Kbps，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。
GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。
 4.2 系统功能与特点
5.2.1 基本功能
（1）         内嵌PPP、TCP/IP 协议栈
（2）         支持RTU与DSC透明数据传输
（3）         支持移动 营商的APN专网
（4）         DSC寻址方式支持固定IP地址和域名
（5）         支持TCP/UDP/短信三种通信方式
（6）         TCP/UDP链路支持心跳功能
（7）         TCP/UDP链路重链接时间可配置
（8）         支持空闲下线和定时强制下线方式
（9）         短信支持7bit、8bit、UCS2编码，可以进行中文短信收发
（10）     短信号码支持国际区号及本地号码
（11）     支持自动上线工作模式
（12）     支持唤醒上线工作模式，可以通过短信、电话、RTU数据三种方式唤醒
（13）     支持串口输出调试信息
（14）     支持最高115200的串口波特率
（15）     通过专门的图形化配置工具进行参数配置增强功能
（16）     支持获取移动专网的指定IP
（17）     支持DDP传输协议，配合DDP协议开发包简化开发难度
（18）     通过DDP协议可实现数据传输、远程参数配置、重启动控制
（19）     支持串口AT协议，可在 行过程中切换到AT状态，进行参数配置、重启控制
（20）     透明链路下可自定义注册包、心跳包、注销包
（21）     短信状态下可自定义发送成功、失败的提示信息
（22）     支持短信参数配置、重启动控制
（23）     支持日志功能，可通过AT或远程查看
（24）     工业级设计，满足恶劣应用环境需求
（25）     精选工业级器件
（26）     优化电磁兼容性设计
（27）     支持宽电压范围输入
（28）     智能电源管理技术
5.2.2 技术参数
GPRS DTU技术指标：
GPRS数据
（1）         GPRS Class 10
（2）         编码方案：CS1~CS4
（3）         符合SMG31bis技术规范接口
（4）         天线接口     50  /SMA/阴头
（5）         SIM卡       3V/1.8V
（6）         串行数据及配置接口   RS-232
（7）         串行数据速率         300~115,200bits/s
（8）         音频接口             电平输出音频
（9）         支持通话或紧急呼叫
（10）     支持全速率，增强全速率和半速率
（11）     支持回声抑制和噪声消除功能(选项)
（12）     支持双音多频(DTMF)
5.2.3 供电电压
    l+3.3 ~+30VDC
功耗(外供电压值：12V/1A  24V /1A)
不拔号空闲状态电流               40(±10)mA
（1）         拔号过程状态电流                  80(±20)mA
（2）         无收发数据空闲状态电流            45(±10)mA
（3）         收发数据状态电流                  80(±20)mA
5.2.4 其他参数
（1）         尺寸                          83.5x47x16 (不包括天线和安装件)
（2）         重量                          约200g
（3）         工作环境温度                      -30~+70ºC
（4）         储存温度                        -40~+85ºC
（5）         相对湿度                        95%(无凝结)
   .      五 监控系统性能指标
1）直流电压测量精度：优于0.5%;
2）   其他电量测量精度：优于1%;
3）   非电量测量精度：优于2%
3）4）告警准确率为99.99%
4）5）对单个分控点进行巡检时，单点平均巡检时间小于5秒
5）6）巡回开关油井设备操作时，平均打开（或关断）一个分控点的时间不超过3秒，
6）7）使用定时校准时钟，分控点自动统一开关灯的方式时，各个分控点开关灯时间误差小于2秒
7）8）软件运行在windows2000平台上，且全部解决2000年问题
8）9）通信网络覆盖范围：全球GSM网络
9）10）系统最大容量：1个主站，256个分控点
10）11）监控中心数据传输速率：48kbps-2048kbps
12）油井监控器工作环境温度：-25摄氏度至65摄氏度
 .      六  系统主要设备介绍
 6.1 监控中心设备参数
    （1）数据库服务器：DELL,类别：机架式/结构:1U/CPU 类型:Xeon E5504/CPU频率：2000MHz/标配1个Xeon E5504处理器/CPU核心:四核/主板芯片组：Intel 5500/内存类型:ECC DDRIII/内存大小：2GB/硬盘大小：320GB/硬盘类型：SAS/网路:网络控制器，双端口千兆以太网控制器/显示芯片：Matrox  G200eW,配    8MB显存。
（2）前台监控工作站：DELL，处理器：Intel Core2 DuoE8400  3.0G/内存容量：2048MB/硬盘容量：500GB/光驱：16X DVD光驱/显示器：宽屏液晶/尺寸：22寸/显卡：Intel GMA X4500/操作系统:Windows XP professional Service Pack3
（3）打印机：惠普HP CLJ CM2320nf  彩色激光多功能一体机，打印分辨率：600X600dpi/产品内存：标准：160MB，最大：416MB
（4）交换机：D-LINK100M端口24路
（5）不间断电源：山特1KW8小时延时，在线式。
（6）油井控制软件：含监控软件、远程访问、电话短信息告警及控制电动阀启停功能
（7）路由器：TP-link TL-R4148,处理器：采用Intel IXP 网络专用处理器，多CPU分布式处理。
（8）GSM调制解调器：实现短信告警及短信控制终端油井控制设备的启停功能。
 .      七 监控系统设备性能、产地、质量描述
本系统主要采集设备，属我司自主产权的数据采集器及外部扩展测控单元，其性能质量已经高温、低温、高湿及电磁辐射、抗干扰测试。
本系统所选设备及其配件，如GPRS DTU、烟雾传感器、电量表、水浸传感器、门磁开关等均经过严格挑选，属专业厂家生产，具有专业生产资质，是我司长期供货商，已经有近五年的合作历史，其产品已在我司各项工程中广泛应用。