井口一体化监控方案

2017-03-06

1、项目要求

   井口天然气来气经过井下节流,通过采气树管道进入采气注醇橇采气模块,之后通过采气管线输送至集气站。从集气站来注醇管线通过采气注醇撬注醇模块可以对采气井口油管、套管以及采气管线3处注醇。采气注醇撬与井场配套的供电仪表通信系统共同构成井场一体化成套装置。井场一体化集成装置通过RTU将油压、套压、采气管线压力、温度、流量、截断阀开关状态等相关信号采集处理通过光缆上传到集气站值班控制室。当采气管道压差超出所设定的值时,紧急切断阀自动关闭。紧急切断阀应具有远传控制功能,但远程开关紧急切断阀需在特定条件下进行,或参照相关操作规程。

  每个井场设置1套RTU,集气井口采用远程控制单元-RTU,实现井口工艺过程检测报警、控制。保障井口工艺系统的安全、可靠、平稳的运行,实现井口工艺系统参数上传集气站控制系统,并在集气站控制系统操作站上显示、数据处理、报警和数据归档。(由站控完成)

2、技术方案

2.1 概述

在油气的开采、储运等生产过程中,动态监控是生产管理的重要工作内容,也是保证油田正常、安全、经济运行的重要手段。同时,信息技术的飞速发展要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成,并提供一个开放的基础构架。

本井口SCADA远程以太网数据采集和监控系统是应用于石油开采行业中一种集采油生产控制、监测和生产管理的综合自动化系统,可使油田已建或在建信息网络向各个采油井口扩展,实现油井数据的实时传送和信息网络的无缝链接,逐步形成油田生产管理与监控一体化的信息网络。井口SCADA系统的应用,将成为油井监控和生产调度管理的整体解决方案,也是油井信息化建设的基础。

井口SCADA系统充分考虑到采油厂生产的实际情况,采用开放式的高速以太网的控制结构、远程终端以太网控制器( RTU)、以太网通讯产品组成的网络结构从而构成了一个结构清晰而简洁的无线工业以太网(Ethernet)的局域网。

2.2 系统结构

该系统的硬件分为井场和主控室两部分,在井场的井口安装温度、压力、流量传感器,网络摄像机,井口就近安装控制柜(内含以太网RTU、光端机、电气开关等设备);在主控室安装主控柜(内含主RTU、光端机、硬盘录像机等设备)以及上位工控机、视频监控机、UPS等。


2.3系统组成

井口监控系统主要包括数据监控系统和视频监视系统两大部分。

数据监控系统负责对现场信号、工业设备进行监测和控制。采集油压、套压、采气管线压力、温度、流量等仪表数据,并控制紧急切断阀。所有仪表信号采用工业标准4~20mA信号,控制阀门信号采用中间继电器干触点信号。当采气管道压差超出所设定的值时,紧急切断阀自动关闭。紧急切断阀也可在主控室由具有操作权限的人员手动关闭。

视频监视系统负责实时监视现场图像,并有视频存储功能。可追溯查看近期的视频图像。摄像机采用高清网络摄像机,摄像机输出信号直接为编码后的数字视频码流,通过光端机传输到远方主控室,远方可以控制摄像机360度转向、变焦等功能。

2.4  软件功能

井口SCADA软件由两部分程序组成,即监控主机上运行的井网实时监控系统程序以及数据库工作站与其它访问服务器上运行的数据库管理和Web服务系统程序。

井口SCADA井网实时监控系统程序监测的对象为转油站及其周围十余口油井的所有物理参数和工作状态,监测功能包括:实时数据采集和状态监控。通过实时监测、统计分析和存档管理,形成各种动态画面和数据图表,提供实时浏览和历史回顾的功能。

井口SCADA数据库管理和Web服务系统程序通过对实时监控系统存储的监测数据的分析整理,可按实际需求生成存档示功图曲线、存档功图极值分布曲线、存档功图极值月度统计分布曲线、存档监控数据统计报表等各种监控报表和图形画面,并提供浏览、打印、存档管理的功能。以及实现历史数据自动循环刷新功能和远程数据访问及Web服务功能。

系统的主要功能

(1)控制和处理功能:系统井口温度、压力、流量、电压等进行监测和处理,并将结果显示或定期存档。

(2)系统报警处理功能:系统提供了对设备故障诊断、越限报警和事件状态警示等报警处理功能。所有报警资料自动记录存档,并定期存档自动循环刷新。

(3)数据库功能:数据库功能是将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工,并制成实时和历史数据库加以存储。

(4)控制功能:控制功能主要是实现对紧急切断阀的远程控制及自动压力超限关闭,在检测的基础上进行信息加工,根据事先决定的控制策略形成控制输出,直接作用于被控对象。

2.5 系统性能特点

(1)数据的安全性和可靠性远程以太网控制终端设备(RTU)和中控室之间是通过Modbus TCP协议标准的100Mbps工业以太网方式远动无缝联接。由TCP/IP以太网给数据的保护提供了强大的安全性和可靠性。

(2)可扩充性

系统全部采用模块化设计方法,系统扩充、I/O扩展都非常方便。远程RTU全部采用标准的输入输出信号(4~20mA),功能扩充非常简便。

(3)自诊断自恢复功能

远程RTU上的模块差错或有故障时均会被总控室主控计算机自动诊断出来,并用图示方式警示系统操作员通知作模块或基架的更换。模块可带电热更换,更换后该模块即自动恢复工作,对整个系统的其它RTU或模块正常工作无影响。中控室不会因为某一RTU故障或某一RTU上的模块故障而停止运行,它会继续与其它正常的设备一起运行,并继续进行监控,完成各种操作,只不过在计算机画面上会有请求维修的提示信息,方便维护人员知道方位及需更换产品的型号规格。从而大大方便了系统维护人员。

(4)低成本性

本系统SCADA系统结构简单、开放、灵活、成本低。应用软件开发是基于工艺流程图式软件二次开发产生的,开发快、易掌握、成本低、可靠性高、维护成本低。整个编程软件采用多线程和确定性扫描控制方式,修改升级和优化都非常简便。

(5)先进性

完全的100Mbps工业以太网带宽,使数据传输速度快,系统更可靠,解决了大量数据传输的瓶颈问题,数据采集、处理、传输等,均满足企业信息化管理的要求。

3、主要产品性能指标

本系统的主要以太网RTU单元采用鸿格的PET-7200

PET-7x00为一系列建构在以太网络无远弗届的连结与通讯能力为基础的远程监控的I/O模块,该系列模块内建Web Server, 透过网页浏览器即可进行配置与监控,包含模拟输出/输入、数字输出/输入、热电偶及电阻温度量测 (RTD) 模块等。这一系列模块支持Modbus TCP/UDP通信协议,透过10/100M以太网络,能轻松而迅速的建立远程监控系统。Modbus为现今连接工业电子设备方式中最普遍且常用的工业标准通信协议,因此ET-7x00/PET-7x00系列模块能完美地整合至HMI、SCADA、PLC与其它软件系统,提供完整的I/O解决方案。

以太网络供电

PET-7x00系列模块符合IEEE802.3af以太网供电标准(classification, Class 1),能藉由以太网络获得供电,无需额外的电源插座就可使用。以太网络供电 (Power over Ethernet,简称PoE) 是一种可以在以太网络中透过双绞线传输电力与数据到设备上的技术。PoE不需要更改以太网络的缆线架构即可运作,电源和控制信号在同一组双绞线内传输,可降低电源布线与维护成本,并能提升系统的可扩充性

简化Daisy Chain串接布线

ET-7x00/PET-7x00系列I/O模块内建以太网络交换器,用于建构Daisy Chain网络拓墣,可简化线路配置与维护的复杂度,降低布线成本与交换器的需求,提高网络扩充性。  

  

LAN bypass

ET-7x00/PET-7x00系列I/O模块的内建以太网络交换器具备 LAN bypass 功能,确保Daisy Chain网络中的ET-7x00/PET-7x00模块断电时,其网络中的设备仍可正常联机通讯而不会造成后端设备通讯中断。

安全管理

用户需要提供账号与密码才能登入ET-7x00/PET-7x00系列模块修改配置或监控I/O状态。同时ET-7x00/PET-7x00系列模块也提供一个IP过滤器,能允许或阻挡来自特定IP地址或某个区段的IP的造访。

支持Modbus/TCP与Modbus/UDP通信协议

透过Modbus/TCP与Modbus/UDP通信协议,ET-7x00/PET-7x00系列模块能与大部分的SCATA与HMI图控软件整合,轻松实现远程I/O设备监控。

内建I/O

提供多种多通道I/O选择包含模拟输出/输入、数字输出/输入、热电偶、继电器输出和计数器等,具有高性价比、设计可靠且易于维护的特点。

双看门狗

ET-7x00/PET-7x00系列设置双看门狗,能监视模块与通讯联机状态的异常。若有异常状况发生,所有的输出通道会切换到预设的安全状态,避免输出异常影响系统的安全性。

Module Watchdog: 是一个硬件式的计时装置,供电后即开始监视模块。当模块发生不预期的错误事件不再正常运作时, ModuleWatchdog 就会对模块发出重新开机的信号,使模块回复正常运行。Communication Watchdog: 由软件启动,用于监视模块与主机通讯通讯是否发生异常。异常可能是因为主机程序执行异常或网络断讯,此时所有输出会切换到预设的安全状态。

Power-on Value与Safe Value

为了提升系统的安全性,双看门狗发生超时警报时,数字与模拟输出信道会因应不同状况切换为对应的预设安全值。
Power-on Value: 每个输出通道可以设定个别的Power-on Value。每次上电开机、软件命令重开机、或Module Watchdog超时导致的重开机,输出通道的输出都是预设的Power-on Value。
Safe Value: 每个输出通道可以设定个别的Safe Value。当发生Communication Watchdog超时,所有输出会切换到预设的Safe Value。

恶劣环境下的高稳定性
ET-7x00/PET-7x00系列模块能适应恶劣工作环境,具有坚固性、高稳定性和高可靠性。

Ø宽温工作温度: -25 ~ +75°C

Ø储存温度: -30 ~ +80°C

Ø相对湿度: 10 ~ 90% RH (无凝结)


I/O Pair-connection

I/O Pair-connection能将同一网域内远程模块的数字或模拟输入信道与本地的数字或模拟输出信道连结起来,经过简单的设定,ET-7x00/PET-7x00就会持续的取得远程输入通道的数值或状态,并写到连结的输出通道。使用I/O Pair-connection等于将远程设备的输入连到本地端来输出。

内建Web服务器

ET-7x00/PET-7x00内建了Web服务器,使用网页浏览器即可登入ET-7x00/PET-7x00设定模块参数并能监控远程的I/O状态。

4 总结

本系统的井口SCADA系统充分考虑到采油厂生产的实际情况,采用开放式的高速以太网的控制结构、远程终端以太网控制器(RTU)、以太网通讯产品组成的网络结构从而构成了一个结构清晰而简洁的工业以太网(Ethernet)局域网。

该系统使油井的日常管理发生了质的变化。从井口采集、油井自动计量到启停等操作控制,都由系统远程实现, 大大降低了劳动强度,提高了生产效率;一方面与先进的采油技术和管理实现直接链接,另一方面可以引入计算机对生产设备的点检管理功能,使生产设备的检修和维护降到最低点,节约生产成本。这种系统的成功应用促进了石油科技向成本科技、效益管理的转变。

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