頁巖氣開采和集輸場站智能化監(jiān)控管理探究

劉禹豆 王道奇 賈濤 龍廷浩

中國石油西南油氣田公司通信與信息技術(shù)中心 四川 成都 610051

1 研究背景和意義

當(dāng)前，國內(nèi)的頁巖氣開采技術(shù)一直在不斷完善，已經(jīng)建成了四大國家級頁巖氣示范區(qū)，但是目前很多頁巖氣的開展和集輸場站的管理方式大部分還依然處于傳統(tǒng)方式，如何提高頁巖氣場站的智能化管理程度成為多數(shù)油氣田企業(yè)面臨的一大難題。再者，頁巖氣田的發(fā)展及生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)的管理模式受到來自生產(chǎn)工藝、發(fā)展規(guī)模以及人員配置不足等多方面的壓力，已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前頁巖氣的開采與管理要求[1]，主要存在有以下問題：

一是我囯氣田的井口分布范圍廣，頁巖氣開采集輸場站生產(chǎn)信息共享性不高。

二是有站控管理平臺系統(tǒng)的頁巖氣集輸站，由于場站的前期建設(shè)與后期完善采用不同的監(jiān)控方案，應(yīng)用不同的上位機(jī)開發(fā)程序、數(shù)據(jù)傳輸模式以及開發(fā)系統(tǒng)，使得不同系統(tǒng)之間可能存在不兼容等問題，進(jìn)而大大提升了日常運(yùn)維的難度和成本。

三是當(dāng)前大多數(shù)頁巖氣的開采和集輸場站沒有與智能化生產(chǎn)管理應(yīng)用充分結(jié)合，無法實現(xiàn)一體化管理，同時缺乏統(tǒng)籌的智能指揮系統(tǒng)。多數(shù)場站出現(xiàn)緊急情況時，審批部門繁雜，審批效率低，缺乏橫向溝通與交流，相互配合的程序低，導(dǎo)致組織與協(xié)調(diào)任務(wù)繁重，決策、管理及執(zhí)行的效率低下。場站的關(guān)鍵數(shù)據(jù)掌握在少數(shù)值班操作員手中，場站管理智能化不足。

基于PLC為控制核心的智能化站庫監(jiān)控系統(tǒng)和智能化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠構(gòu)建頁巖氣場站的智能化管理平臺，提高頁巖氣生產(chǎn)和集輸效率，優(yōu)化生產(chǎn)和集輸業(yè)務(wù)管理運(yùn)行，具有性能穩(wěn)定、智能化程度高、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展性及可移植性好等特點，能夠很好的應(yīng)用于油氣田分布范圍廣、環(huán)境惡劣等情況，實現(xiàn)對頁巖氣開采集輸場站相關(guān)設(shè)備工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控。智能化監(jiān)控對保障生產(chǎn)安全、提升決策管理效率、優(yōu)化人力資源配置、降低生產(chǎn)成本等方面的顯著作用，為新時代油氣探索和發(fā)展提供了借鑒[2]。

2 頁巖氣場站智能化數(shù)據(jù)監(jiān)控方案

實現(xiàn)頁巖氣場站的智能化監(jiān)控的一種可行手段是以PLC系統(tǒng)為核心，通過分析頁巖氣開采或集輸場站的工藝流程和場站的站控系統(tǒng)，實現(xiàn)頁巖氣開采集輸場站的智能化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，其構(gòu)建原則的總體結(jié)構(gòu)大致分為三個部分：

上位機(jī)：位于調(diào)控中心和巡檢站，側(cè)重監(jiān)控、管理和數(shù)據(jù)存儲功能。

下位機(jī)：位于采氣現(xiàn)場，側(cè)重數(shù)據(jù)采集以及直接控制功能。

通信網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，用于連接上、下位機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸交換。

上位機(jī)主要包括SCADA系統(tǒng)的服務(wù)器、OPC服務(wù)器和操作員站等。主要負(fù)責(zé)為OPC服務(wù)器和操作員站的HMI畫面等提供實時數(shù)據(jù)，并完成歷史各類數(shù)據(jù)的保存和管理。同時該系統(tǒng)服務(wù)器采用冗余配置，使用兩臺服務(wù)器，一主一備，當(dāng)主用服務(wù)器出現(xiàn)故障時，備用服務(wù)器自動接替主用服務(wù)器提供SCADA服務(wù)。OPC服務(wù)器可考慮安裝用于與生產(chǎn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接的軟件，如ABB OPC Server等，此類軟件能夠為系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)。操作員站安裝能夠?qū)崿F(xiàn)對人機(jī)交換界面進(jìn)行繪制并監(jiān)控生產(chǎn)信息的軟件，如Visual Studio 2013等[3]。

而下位機(jī)系統(tǒng)包括ESD（緊急停車系統(tǒng)）和PCS（過程控制系統(tǒng)）。PCS主要用于采集頁巖氣開采和集輸現(xiàn)場的閥門的開關(guān)狀態(tài)以及變送器壓力、流量、溫度等實時數(shù)據(jù)，而ESD系統(tǒng)主要用于根據(jù)因果圖編制的邏輯程序來進(jìn)行緊急切斷閥和放空閥關(guān)斷的緊急停車系統(tǒng)，PLC控制器作為下位機(jī)的核心器件，為防止在監(jiān)控過程中設(shè)備的損壞而造成的數(shù)據(jù)丟失，故PLC控制器考慮采用冗余結(jié)構(gòu)。

通信網(wǎng)絡(luò)：調(diào)度控制中心與下位機(jī)通訊通過氣田專用光纜通信系統(tǒng)采用點對點方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以及采用公網(wǎng)作為備用通信信道。支持 IEC-6870-5-104、OPC 和Modbus TCP/IP等多種通訊協(xié)議。調(diào)度控制中心（MCC）SCADA主服務(wù)器通過特有的數(shù)據(jù)復(fù)制方式對巡檢站的本地SCADA服務(wù)器進(jìn)行通訊和通過基TCP/IP的OPC通訊方式對各個頁巖氣開采集輸場站PLC控制器進(jìn)行通訊。在巡檢站與調(diào)控中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換同時，現(xiàn)場控制器的生產(chǎn)數(shù)據(jù)也被上傳到SCADA 控制中心的主服務(wù)器和巡檢站SCADA服務(wù)器。因此調(diào)控中心的主服務(wù)器整合了所有頁巖氣開采集輸場站的信息，可以概覽和監(jiān)控全部站場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。由于在巡檢站直接與控制單元交換數(shù)據(jù)，它具有數(shù)據(jù)采集及處理、實時及歷史數(shù)據(jù)的管理、動態(tài)工藝流程及其他圖形的顯示、報警事件管理、報表生成及打印等功能，故在調(diào)度控制中心也可以實時、真實和有效地進(jìn)行監(jiān)控[4]。

3 頁巖氣場站智能化站庫系統(tǒng)

構(gòu)建智能化站庫系統(tǒng)是提升頁巖氣開采集輸場站智能化水平的重要手段，該系統(tǒng)能提高頁巖氣集輸業(yè)務(wù)效率，優(yōu)化集輸業(yè)務(wù)管理運(yùn)行。

較初級的智能化站庫系統(tǒng)通過作業(yè)區(qū)或中心站級調(diào)控中心至站庫可靠、安全的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)作業(yè)區(qū)或中心站級調(diào)控中心生產(chǎn)信息全面感知、統(tǒng)一調(diào)度操作；頁巖氣站庫實現(xiàn)“有人值守巡視、無人操作、通信故障干預(yù)操作”的管理模式。初級站庫系統(tǒng)主要包含調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)建設(shè)、視頻聯(lián)動控制改造和安全的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)保障三部分。

其中調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)建設(shè)指的是站場運(yùn)行工藝控制、流程及設(shè)備操作采用SCADA系統(tǒng)集中管控，通過實現(xiàn)站場自動邏輯控制、報警管理、ESD關(guān)斷和事故處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備診斷，降低人為原因產(chǎn)生的操作不確定性或不安全因素，提高站場的管理水平；視頻聯(lián)動控制改造是通過對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行闖入報警、視頻追蹤、報警事件聯(lián)動控制功能擴(kuò)展，在發(fā)生闖入等異常情況時能自動顯示相應(yīng)視頻畫面；能通過人臉識別等技術(shù)實時圖像跟蹤人員位置；現(xiàn)場發(fā)生工藝報警事件時，能及時聯(lián)動相應(yīng)攝像頭進(jìn)行圖像顯示；安全的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)保障指的是各頁巖氣站庫至作業(yè)區(qū)或中心站級調(diào)控中心需建設(shè)冗余通信信道及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。

較高級的智能化站庫系統(tǒng)是在實現(xiàn)作業(yè)區(qū)或中心站級調(diào)控中心對各頁巖氣站庫實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、統(tǒng)一調(diào)度操控基礎(chǔ)上，通過對各頁巖氣站庫系統(tǒng)進(jìn)行自動控制系統(tǒng)可靠性改造、智能化巡檢建設(shè)，實行區(qū)域化管理，頁巖氣站庫實現(xiàn)“無人值守、定期巡視、區(qū)域維保管理”模式，使頁巖氣站庫生產(chǎn)運(yùn)行崗位人員達(dá)到零固定人員目標(biāo)，同時以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等新一代信息技術(shù)為手段，建立頁巖氣集輸業(yè)務(wù)智能化管控平臺，對頁巖氣集輸業(yè)務(wù)實施全面智能感知、智能預(yù)判、先進(jìn)控制、智能管控，實現(xiàn)管理協(xié)同化、分析模型化、決策科學(xué)化，全面實現(xiàn)頁巖氣開采和集輸業(yè)務(wù)的智慧化、智能化管理[5]。

4 結(jié)束語

頁巖氣開采和集輸場站的智能化是今后頁巖氣發(fā)展的必然趨勢，以PLC系統(tǒng)為核心的頁巖氣場站智能化數(shù)據(jù)監(jiān)控方案以及頁巖氣場站智能化站庫系統(tǒng)為頁巖氣開采集輸場站實現(xiàn)全面智能化提供了有益的思考，同時也是為油氣田頁巖氣開采和集輸業(yè)務(wù)提高勞動生產(chǎn)率、優(yōu)化管理運(yùn)行的一種積極嘗試。