油气田场站工况采集控制优化系统iPESS功能设计研究

• 关键词：物联网,,油气田场站,,功能,,设计
• 摘要：本文对当前油气生产场站自动化与信息化现状进行了分析，阐述了目前主要存在的问题。根据油气生产物联网iProd的整体技术要求进行了油气田场站工况采集控制优化系统iPESS的技术框架和各层的功能设计。iPESS系统的设计充分运用了物联网与云计算技术的强大功能，实现了更加智能化的油气场站生产综合应用功能。

1 引言
　　油气田场站工况采集控制优化系统iPESS作为油气生产物联网iProd的重要组成部分是面向油气生产处理操作过程的成套采集控制系统，通过自动化、信息技术与站场生产的融合，紧紧围绕生产运行管理，提高生产操作每个单元的自动化程度，实现优化生产运行，在站内设置站控系统，完成站内计量、集输、注水、给排水等工艺系统主要生产运行参数的集中监测及优化控制，并完成所属井场和站内重点部位的音视频数据监控，保证油气生产处理持续、稳定、高效的运行[1][2]。
2 油气生产场站自动化与信息化现状分析
　　目前在油气田场站自动化与信息化建设领域存在的主要问题如下：
（1）油气场站自动化系统一般针对单一生产单元进行设计，各单元之间协调性与互动性不强[3]；
（2）仪表设备与传输网络自身状态的监测与管理未受到足够重视[4]；
（3）数据未被充分利用，数据资产价值发挥程度有限；
（4）油气田场站相关的专家知识库与支持系统的功能有待加强。
　　针对上述问题，笔者开展了基于油气生产物联网技术的油气田场站工况采集控制优化系统iPESS的研究与设计。
3 iPESS系统功能构架设计
　　油气田场站工况采集控制优化系统iPESS按照物联网的三层结构设计总体框架如图1所示：

图1 iPESS总体框架

3.1 感知层
　　场站生产相关信息的全面感知：生产相关人员、车辆、物资信息的实时采集（PDA、GPS、RFID）；实现管网、场库内各个生产单元信息的全面实时采集（各种传感器、摄像头）；主要采集数据如图2所示：
水源井：压力、流量、液位；
注水（汽）站：压力、温度、流量、电流、电压、蒸汽干度、有毒有害气体浓度等；
计量间/中转站/增压站：压力、温度、流量、液位、有毒有害气体浓度；
管网泵站：压力、温度、流量、液位、含水率、泄漏监测、有毒有害气体浓度；
处理站/联合站：压力、温度、流量、液位、电流、电压、含水率、有毒有害气体浓度。

图2 感知层设备部署

3.2 传输层
　　油气场站的数据传输主要为有线宽带专网传输，对于个别偏远站库，可以根据实际的情况确定合适的无线传输方案，可供选择的无线技术包括WSN、McWill、WiMAX、WiFi、GPRS、CDMA、3G、4G以及卫星等。另外场站系统传输层能力应该考虑接收与容纳附近井场的数据传输需求。
　　在传输层与设备层之间通过WebAccess软件作为物联网设备与网络管理平台进行设备状态、数据质量以及网络运行状态的实时监管。实现设备即插、即入、即用、互联、互通、互换；油气生产相关人员与系统之间实现：任何时间、任何地点、任何方式的全面互动。

图3 iPESS系统数据传输

3.3 应用层
　　iPESS基于面向油气企业的云技术（企业私有云），采用可扩展、开放式设计理念将油气田场站各生产单元相关的软件技术与管理应用（含第三方软件模块接口）整合在一个综合应用平台上实现统一管理、信息融合、智能设计、远程控制、指挥调度。

图4 iPESS应用基础平台

在基础平台支持下主要实现以下应用功能：
（1）实时数据采集管理
通过DCS或PLC的I/O模块实时采集站内的温度、压力、液位、流量、泵和阀门的状态、可燃气体浓度、用电状况等信号，自动上传，实时进行数据处理，并进行画面展示和保存，集中显示带运行参数的全站工艺流程图、单元工艺流程图等，为管理者提供决策依据。
（2）运行参数诊断优化
对自动采集的站、场、点运行参数处理、分析、诊断、预测，并通过流程图、总貌、报警、组、趋势、单点、报表等多种画面进行显示，自动学习优化正常运行状态下工艺参数范围，并设置预警报警界限，从而在异常情况下实现自动报警预警和运行参数的调整优化等功能。
（3）联合站集中控制
针对检测到的参数，实时进行运算，控制对应的调节阀和变频调速器，从而实现自动倒井计量；掺水恒温控制、远程调节注水量或恒压、恒流控制功能；柱塞泵远程启停、柱塞泵变频器远程监控；控制三相分离器的压力、油水液位和界面、稳定塔的压力和液位、水套炉温度、污水处理的加药量等。
（4）安全联锁保护
对重点保护的设备实施安全联锁保护，如注水泵与轴瓦超温的联锁保护、注水电机与定子超温的联锁保护、轻烃产品储罐高低液位和进出液泵的联锁保护、可燃气体泄漏连锁、停炉、加热炉熄火保护等必要的保护措施。
（5）工况预测与故障预警
在数据挖掘技术与相关专家系统的支持下，通过场站仿真模型，iPESS可以实现场站单元重点设备的仿真运行，并在此基础上实现工况预测以及故障预警。
（6）生产指挥调度
在场站生产相关人员与设备之间实现全面感知与互联互通，针对日常状况以及紧急状况，iPESS可以更加科学、智能地实现优化指挥调度。
（7）事件记录和追踪
对于系统发生的事件，如命令、报警确认、修改设定值、通信口切换、启停计算机、报表打印等，均被记录并设置专门的查询画面，记录内容至少应包括时间、事件说明等。还可对值班工作人员的操作和报警事件进行记录，便于事故责任的追查。
（8）系统安全保障
系统提供多个安全级别，主要包括只读用户、操作员、管理员等；为了确保系统运行的安全性，每个操作站可以限定在某个或某几个授权的区域内进行操作，严禁跨区域进行操作。
（9）岗位培训与应急演练
iPESS在云计算技术的支持下，可以实现油气站库系统的完全动态仿真建模，通过虚拟化技术在不影响正常生产的前提下，实现系统对各岗位人员的理论与操作培训。同时可以依靠云的计算能力调度功能，模拟生产事故，进行应急预案的演练。
4 结束语
　　iPESS既是油气生产物联网iProd的重要组成部分，也可以作为独立的油气生产局部物联网系统，为老场站升级改造提供技术方案，由于其先天的物联网本质，后期可以无缝接入油气生产物联网iProd系统中。