混合控制系统在油气开采行业中的应用

内容摘要： 本文基于混合控制系统产品在油气开采行业“数字油田”成功应用的背景，分析了油田数字化过程中的用户需求和层级划分，详细介绍了混合控制系统（GCS）的系统结构、无线网络通信以及系统安装等特征。 油田的数字化改造，不仅可以减少相关的管理维护人员和费用，提高现场生产效率和管理水平。同时通过后续数据归纳分析，为油田上层进行整体战略决策提供数据参考。 通过数字化改造，建立专业的数字化油田网络，完成对油田（主要指抽油机有杆泵采油井）的监视、控制和数据采集，提供生产所需的数据查询、报表等功能，对油气田的安全生产有着重要意义。

01 油田数字化改造分析

数字化油田的整体改造涵盖油田全线，包括：抽油机井、注水井、水源井、计量间及联合站油水系统进行自动化控制系统改造。采集的数据通过工业有线/无线网络传送到作业区监控室及油田公司的上层调控中心，完成对井口设备的远程数据采集和控制功能，同时通过电子巡井和集成视频监视系统，严格关注各油井装置工矿和生产情况，进行相关的管理和调度优化工作，最终实现在正常情况下油田全线工艺站点无人值守的自动化水平。

1.1 调控中心

调控中心是数字化油田的核心，负责完成对油井和库区的数据处理、存储、调度和运营分析等。调控中心根据职能可分为生产数据处理系统和监控系统，监控系统通过良好的人机界面实现对油田装置如抽油机、联合站以及注水站的远程参数采集和常规控制功能，同时提供报警接口，确保现场产生的故障和异常能够得到及时处理，减少危险事故发生。生产数据处理系统则重点解决油田生产优化、井况分析以及产量规划与预测等功能。

1.2 井口测控改造

井口的数据测量是油田数字化的基础，抽油井井口自动检测主要包含以下几部分：原油及管线的状态（油温、油压套压等），抽油机本身的工作状态（载荷、位移），工作电机的状态（电量、电流等信息）以及抽油机控制部分信号等等。

具体数据如下所示： ●数据采集部分：通过现场仪表监测压力、温度、抽油机启停状态参数，通过载荷位移传感器、电流传感器定时或实时测取示功图和电流图。 ●控制：实现负荷高于设定上限和下限的超限停机控制、时间定点启停控制、远程启停处理等。 ●远程通信：抽油机分布较广，抽油机数据主要通过数传电台、GPRS等无线方式与中控室主站电台进行通信。 ●报警：考虑到现场的无人职守现状，判断抽油井工作是否正常，给出报警信息，同时根据预先的设定采取不同的动作。 ●启抽报警：具有抽油机启抽报警功能，保证现场工作人员安全。同时考虑到现场为无人职守状态，对RTU箱体进行防护，实现开箱报警。 ●自检：抽油机测控系统硬件故障自检。 ●自保护：实现过流、过压、欠压、缺相的自动停机保护。

1.3 通信系统

数据通信是油田监控系统的一个重要环节。从现有通信方式看，可选择有线和无线两种，有线方式包括光纤专线、ADSL等，无线方式有数传电台、CDMA等。这些方式应用于油田监控系统中，各有优缺点。如下表所列的几种通信方式在覆盖范围、费用、可靠性等方面的比较。

在项目中，用户可以根据自己的油田规模、投资规模、地理分布等情况，综合考虑选择合适的远程组网方式。

一般而言，北方油田井口距离和监控中心都不太远，同时以平原农田为主，地域空旷，在综合比较数据带宽和成本后，拟选择WIFI网桥实现通信。WIFI网桥通信带宽大，同时还可与井口视频监控共用网络。虽然在网络架设初期有一定的调试和安装工作量，但后期支出较少，总体性价比较高。

02 控制系统方案

WebField GCS平台是中控面向Smart World推出的自动化系统，其中包括适用于中大型混合控制场合的G5控制系列产品和适用于分布式测控场合的G3控制系列产品。WebField GCS平台上集成了多种控制技术、可视化技术、网络技术和信息技术，为各种应用提供全集成化的解决方案，适用于离散控制、运动控制、批处理、安全控制和驱动控制等应用场合，在油田中主要应用的是GCS-G3控制系统产品。

2.1 平台解决方案

根据需求，井口部分数据采集可采取如下方案实施：在抽油机附近设置密闭式户外立式箱体，内安装基于GCS控制系统G3系列产品的GCU351（油田测控模块）、电量测控模块以及其他相应的电源空开等设备。箱体内安装语音报警系统，在远程启停的时候，及时进行语音报警，保证现场安全。同时，考虑到现场无人值守，增加开箱蜂鸣报警并提醒监控室功能，保证财产安全。

对于油田最终要的示功图数据，GCU351不仅可通过组态设置在单冲程内采集“载荷”和“位移”的具体数量，并打上时间戳。示功图数据支持本地存储功能，本地最长可保持15天的示功图数据供上位机读取或查询。

现场还布置视频监控摄像头，通过统一的WiFi网络传送至油田调控中心，集成到统一监控的SCADA软件界面中（GPRS由于带宽受限不适合和视频监控共用网络）。

本地仪表信号的接入考虑到北方的环境和气候因素，分为有线和无线两种接入方式，其中载荷和位移传感器由于一直处于垂直运动轨迹的运动中，传统的信号线缆在北方低温环境下容易脆断，宜采用无线的方式实现信号接入。其他如油温油压套压、电量测控等，可采用有线的方式实现接入。

联合计量站和注水站相对于抽油机井口，点数多且集中，可采用集中安装机柜的方式进行布置。

如上图所示，可根据需要选择CDMA/WIFI以及有线光纤环网等方案，以节约施工和可靠通信为准，GCU351与WIFI通过工业以太网总线连接（GCU351本身提供2个冗余的以太网接口）。监控中心提供两个通讯接口，支持各种通信部件的连接，实现和井口平台、计量站以及注水站的数据交互，另一端口则通过标准电缆和上位机实现通信，上位机则选用中控技术股份公司VxSCADA软件产品，实现对系统整体的监控和处理。

和同类产品相比，GCS-G3系列产品不仅体积小、安装灵活，在控制程序实现上也完全具备现场的应用要求。在实际使用中，针对井口开发的计量和连锁报警模块，提高井口的效率和安全性，同时系统还提供开放性的OPC、ODBC等数据接口，具备扩展特性。

GCS系列产品配套VxSCADA软件能充分满足对于油气采集方向的系统控制要求；同时结合无线设备提供无线系统的整体解决方案，解决采油方向的现场分布较散、距离较远、范围大的系统监控问题，在油气采集行业具备良好的应用前景。

作/者/介/绍 石莹 领域：控制系统 / PLC 浙江中控技术股份有限公司总师办总经理兼副总工程师，2005年进入中控后一直致力于基于分布式和离散控制的网络化混合控制系统产品开发和产品管理。目前主要负责公司产品技术管理和PLC业务推进等相关工作。

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