海上油田電潛泵工況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志鵬

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452)

海上油田電潛泵工況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以海洋石油內(nèi)部以太網(wǎng)作為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，并在中心平臺(tái)或陸地設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)采井電潛泵及井下泵工況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、動(dòng)態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理分析。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效減少油井生產(chǎn)故障應(yīng)急處理時(shí)間，降低電潛泵故障率；并且根據(jù)數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)，不但能夠提高油田生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約成本，而且能夠提高決策的科學(xué)性，從而為企業(yè)增強(qiáng)了核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有人力資源的合理調(diào)配和對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化管理，最大限度地開(kāi)發(fā)利用了油氣田的各種資源，達(dá)到集約化經(jīng)營(yíng)與決策的管理目的。系統(tǒng)監(jiān)控軟件可為用戶提供監(jiān)控操作界面，所有系統(tǒng)功能將通過(guò)操作界面完成。

1 海上油田電潛泵工況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下四部分組成： 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、陸地或中心平臺(tái)數(shù)據(jù)處理、客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)，海上油田電潛泵數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 海上油田電潛泵工況遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)架構(gòu)示意

通過(guò)對(duì)平臺(tái)機(jī)采井電潛泵控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用平臺(tái)局域網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至中心平臺(tái)或陸地服務(wù)器，再通過(guò)Web方式發(fā)布頁(yè)面，各用戶訪問(wèn)終端通過(guò)IE瀏覽器可對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)。

2 系統(tǒng)硬件及軟件選型設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型設(shè)計(jì)

2.1.1數(shù)據(jù)采集模塊選型

數(shù)據(jù)采集模塊采用西門子S7-300可編程序控制器(PLC)，S7-300具有多種通信處理器，用來(lái)連接AS-i接口，Profibus，工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)；多點(diǎn)接口(MPI)集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)通信模塊選型

網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用西門子CP343-1Lean通信模塊，CP343-1Lean適用于可接入工業(yè)以太網(wǎng)的SIMATIC S7-300。由于其自身備有處理器，從而解除了CPU的通信任務(wù)并有助于根據(jù)需要添加新的通信設(shè)備。

2.1.3監(jiān)控服務(wù)器選型

監(jiān)控服務(wù)器采用聯(lián)想的ThinkStation E系列工作站，ThinkStation工作站擁有卓越的可靠性，該機(jī)型采用創(chuàng)新的散熱設(shè)計(jì)以及經(jīng)過(guò)優(yōu)化的風(fēng)扇部署技術(shù)，可大幅提高系統(tǒng)的散熱能力，并減少硬件出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，確保24 h高強(qiáng)度不間斷工作。

2.2 軟件選型設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)據(jù)采集及通信程序設(shè)計(jì)軟件

數(shù)據(jù)采集及通信程序設(shè)計(jì)軟件采用西門子STEP7 5.4編程軟件，STEP 7具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷等功能。STEP 7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，可以方便地瀏覽SIMATIC S7的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。

2.2.2監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)軟件

監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)軟件采用西門子WINCC 7.0組態(tài)軟件，WINCC是使用32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開(kāi)放性和靈活性。通用的應(yīng)用程序，內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，以太網(wǎng)較之其他類型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展，控制網(wǎng)絡(luò)與普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet的聯(lián)系更為密切?？刂凭W(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要考慮與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的一致性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信能力的要求越來(lái)越高，這些都是控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開(kāi)發(fā)者與制造商把目光轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)技術(shù)的重要原因。

在PLC中對(duì)以太網(wǎng)模塊的硬件進(jìn)行組態(tài)并做相應(yīng)設(shè)置后，PLC中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)將利用以太網(wǎng)模塊構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)疥懙胤?wù)器，系統(tǒng)采集及網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)采集及網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)示意

陸地服務(wù)器通過(guò)直接訪問(wèn)平臺(tái)上網(wǎng)絡(luò)模塊所設(shè)置的IP地址，可實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”的數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

陸地服務(wù)器通過(guò)WINCC變量管理器與現(xiàn)場(chǎng)PLC數(shù)據(jù)地址連接，并利用Web服務(wù)器組件及TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)布到局域網(wǎng)內(nèi)，并可設(shè)置相應(yīng)的用戶權(quán)限，限制特定用戶的訪問(wèn)，保障數(shù)據(jù)安全?？蛻舳擞脩敉ㄟ^(guò)系統(tǒng)內(nèi)的IE瀏覽器可實(shí)時(shí)訪問(wèn)平臺(tái)油井的狀態(tài)數(shù)據(jù)；并且服務(wù)器端可按用戶需求對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示或數(shù)學(xué)計(jì)算等處理，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 系統(tǒng)軟件監(jiān)控界面功能設(shè)計(jì)

為了給系統(tǒng)最終用戶提供更好的監(jiān)控服務(wù)，系統(tǒng)軟件將針對(duì)以下功能進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1)電潛泵運(yùn)行狀態(tài)顯示及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。運(yùn)行、停機(jī)、故障狀態(tài)顯示；運(yùn)行電流、電壓、頻率、電流不平衡度顯示。

2)電機(jī)保護(hù)參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸。過(guò)載、欠載設(shè)置；過(guò)壓、欠壓設(shè)置；電流不平衡度設(shè)置；短路電流設(shè)置。

3)數(shù)據(jù)曲線分析。電流曲線顯示、電壓曲線顯示、頻率曲線顯示、數(shù)據(jù)曲線分時(shí)查看、曲線數(shù)據(jù)報(bào)表。

4)故障記錄。電潛泵運(yùn)行故障即時(shí)顯示、歷史故障數(shù)據(jù)記錄。

5)單井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控。單井所有相關(guān)數(shù)據(jù)顯示；單井控制，啟/停、頻率調(diào)節(jié)、參數(shù)設(shè)置。

6)本地限值參數(shù)設(shè)置。電流本地上、下限報(bào)警值設(shè)置。

7)井下泵工況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸及記錄、泵吸入口溫度、電機(jī)溫度、泵吸入口壓力、泵出口壓力、電機(jī)振動(dòng)、井底流量。

8)井口控制盤數(shù)據(jù)采集及記錄。主閥、翼閥狀態(tài)；井下安全閥狀態(tài)；安全閥壓力數(shù)據(jù)顯示。

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)要求，系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)器將采用WindowsServer操作系統(tǒng)，采用SQL Server 2008作為背景數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)控客戶端為IE瀏覽器。利用WINCC開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控界面的各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)。并將所要設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行模塊化。系統(tǒng)主要包括四個(gè)模塊設(shè)計(jì)： 系統(tǒng)界面、系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)變量分類統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)及變量記錄。

4.1 監(jiān)控平臺(tái)選擇界面

監(jiān)控平臺(tái)選擇界面為多平臺(tái)界面顯示設(shè)計(jì)，包括各平臺(tái)油井生產(chǎn)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)信息。其中FPSO112是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置，可對(duì)原油進(jìn)行初步加工并存儲(chǔ)，被稱為“海上石油工廠”。WGPA， WHPA， WHPD是海上石油生產(chǎn)作業(yè)平臺(tái)，WHPC， WHPE， WHPF是海上石油生產(chǎn)無(wú)人值守平臺(tái)。用戶可根據(jù)具體情況，選擇所要監(jiān)控的平臺(tái)。

4.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視界面

運(yùn)行數(shù)據(jù)界面可監(jiān)控電潛泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)運(yùn)行電壓、頻率等數(shù)據(jù)。“紅燈”為正在運(yùn)行、“綠燈”為停機(jī)、“黃燈”閃爍為報(bào)警。該頁(yè)面中還可查看各井電潛泵保護(hù)參數(shù)設(shè)置值，可針對(duì)油井當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)參數(shù)的設(shè)置。

4.3 數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)顯示界面

運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線界面可查看所有井電潛泵的運(yùn)行電流及電壓曲線，記錄時(shí)間間隔設(shè)置為1 min。界面頂端左側(cè)可選擇相應(yīng)井號(hào)，右側(cè)為標(biāo)尺所在位置的曲線數(shù)據(jù)顯示；界面底端可選擇曲線顯示時(shí)間段。曲線數(shù)據(jù)最長(zhǎng)可記錄1 a數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)超過(guò)1 a將滾動(dòng)刷新，曲線數(shù)據(jù)可按表格形式分時(shí)間段進(jìn)行存儲(chǔ)。曲線底端工具欄從左至右功能依次為： 使用幫助，屬性設(shè)置，向左移動(dòng)x軸至頂端，向左移動(dòng)x軸，向右移動(dòng)x軸，向右移動(dòng)x軸至尾端，曲線區(qū)域放大，移動(dòng)曲線在坐標(biāo)軸中的位置，移動(dòng)y軸標(biāo)尺刻度位置，還原曲線原始顯示比例，選擇曲線變量連接，選擇所要顯示的曲線，顯示時(shí)間范圍選擇，順序移動(dòng)曲線顯示位置，逆序移動(dòng)曲線顯示位置，暫停/開(kāi)始曲線記錄滾動(dòng)，打印曲線，生成數(shù)據(jù)表，顯示/關(guān)閉標(biāo)尺等。

4.4 故障記錄界面

該界面可查詢當(dāng)前電潛泵運(yùn)行故障及歷史故障，默認(rèn)顯示為查詢當(dāng)前故障。故障內(nèi)容包括： 過(guò)載、欠載、過(guò)壓、欠壓、電流不平衡、短路、關(guān)斷，顯示故障的同時(shí)記錄發(fā)生故障的時(shí)間及電潛泵運(yùn)行數(shù)據(jù)；通過(guò)屏幕底端“歷史故障查詢”按鈕，可查看曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的所有故障，最大可記錄1 000條故障，超過(guò)則滾動(dòng)刷新。

4.5 單井監(jiān)視界面

通過(guò)井號(hào)選擇，對(duì)單井所有采集數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并可進(jìn)行啟動(dòng)/停機(jī)、頻率調(diào)節(jié)、保護(hù)參數(shù)設(shè)置等操作。

4.6 本地閾值界面

通過(guò)本地閾值界面可在本地(服務(wù)器端)設(shè)置電流上、下限閾值，若電流超過(guò)上限或低于下限電流設(shè)置，系統(tǒng)將產(chǎn)生“本地過(guò)載”或“本地欠載”報(bào)警。該設(shè)置不影響現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)參數(shù)設(shè)置值，報(bào)警也不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。本地限值常用于本地監(jiān)控人員對(duì)電潛泵運(yùn)行電流的波動(dòng)監(jiān)控，可將本地限值設(shè)置更接近于實(shí)際運(yùn)行電流，縮小報(bào)警范圍。當(dāng)電流有波動(dòng)的情況下，系統(tǒng)可及時(shí)報(bào)警并提醒監(jiān)控人員在最短時(shí)間內(nèi)了解井下?tīng)顩r，跟蹤監(jiān)視并盡快做出指導(dǎo)處理。

4.7 報(bào)警提示功能

當(dāng)發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，無(wú)論是本地限值還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障，都會(huì)在屏幕底部彈出報(bào)警確認(rèn)窗口，并發(fā)出間斷的“滴滴”聲音，在底部滾動(dòng)條上會(huì)顯示當(dāng)前哪口井發(fā)生了故障，提醒監(jiān)控人員查看故障原因，當(dāng)點(diǎn)擊“報(bào)警確認(rèn)”可消除報(bào)警音，在故障記錄界面中可查看當(dāng)前故障原因。

4.8 工況總覽及工況記錄

系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了泵工況等設(shè)備通信接口及組態(tài)界面，可查看所有油井泵工況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史記錄。

5 客戶端監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

為了滿足遠(yuǎn)程客戶端的訪問(wèn)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可在任意一臺(tái)海洋石油內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)終端計(jì)算機(jī)上訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)，服務(wù)器將通過(guò)Web方式發(fā)布頁(yè)面，用戶可通過(guò)“IE瀏覽器”訪問(wèn)系統(tǒng)所有的監(jiān)控界面。

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)滿足了海洋石油中心平臺(tái)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也滿足了陸地相關(guān)人員對(duì)海上數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)及分析。通過(guò)所得數(shù)據(jù)，能夠更迅速地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并將分析結(jié)果及解決方案及時(shí)地反饋給相應(yīng)平臺(tái)管理者，對(duì)油井生產(chǎn)問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)處理。