淺談RTU 在油田數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用

文競晨

摘要：隨著油田數(shù)字化建設(shè)工作的不斷推進(jìn)，RTU作為單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集單元，被廣泛的應(yīng)用于井、間油田數(shù)字化建設(shè)中。RTU的投用，在實現(xiàn)了井、間生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)控的同時，提高了單井巡控效率，方便日常井間管理，在提升生產(chǎn)安全性、便捷性方面效果明顯。為了解RTU的工作原理、安裝使用情況，本文主要通過對RTU的工作原理、結(jié)構(gòu)功能、應(yīng)用情況進(jìn)行研究介紹，為今后在油田數(shù)字化建設(shè)中關(guān)于RTU控制系統(tǒng)的應(yīng)用、維保等工作提供參考。

關(guān)鍵詞：油田數(shù)字化;RTU;傳感器

引言

國內(nèi)油田目前處于智能化快速發(fā)展時期，中、小型站場也已經(jīng)實現(xiàn)自控系統(tǒng)的全覆蓋。但在油田井場建設(shè)方面，數(shù)字化、自動化建設(shè)還未實現(xiàn)，大部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄取還需要依靠人工取樣完成。在消耗大量人工成本的同時，人工讀取在及時性、準(zhǔn)確性等方面都無法保障，給油田生產(chǎn)運維工作帶來了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和安全隱患。實現(xiàn)單井生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化迫在眉睫。20世紀(jì)80年代中期， 國外一些廠家利用其在數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換及通信方面的優(yōu)勢， 采用單片機(jī)技術(shù)推出了遠(yuǎn)程測控終端系統(tǒng)（RTU）， 通過RTU 與上位計算機(jī)構(gòu)成簡單的SCADA系統(tǒng)。90年代末， 我國開始了解RTU系統(tǒng)， 而直到21世紀(jì)國內(nèi)才真正意義上引入RTU系統(tǒng)，國內(nèi)部分石油自動化研究所在消化吸收國外產(chǎn)品技術(shù)的同時， 也相繼推出了以單片機(jī)為主要形式的自主品牌RTU設(shè)備。隨著RTU技術(shù)的不斷成熟、應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展， 在油田SCADA系統(tǒng)中，選擇一個傳輸及時、性能可靠、運行穩(wěn)定的 RTU 勢在必行。

一、RTU工作原理

RTU結(jié)合傳感器，借助 4G/3G/2G 網(wǎng)絡(luò)運營商（中國移動、聯(lián)通或電信）現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的數(shù)據(jù)入網(wǎng)并傳回指定的數(shù)據(jù)中心;它也能通過 LAN 口直接借助現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)資源，將傳感器采集的數(shù)據(jù)入網(wǎng)并傳回指定的數(shù)據(jù)中心，可以說RTU既能適用野外遠(yuǎn)程監(jiān)控，又能用于近距離大數(shù)據(jù)（通過 LAN 口）傳輸，既能通過無線射頻模塊組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，又能通過 RS485 口或 CAN 口組成分布式測試系統(tǒng)。

1、RTU的架構(gòu)

RTU主要是由以下三種不同的集成電路模塊組成：

第一塊為電路模板，這個電路是獨立電量采集模塊，它主要用于交流電量的采集，這個電路上有兩個原件，一個是三相四線制/三相三線制多功能芯片，其內(nèi)置電壓可用來監(jiān)測電路，保障上電和斷電時的穩(wěn)定工作，另一個是獨立的MCU單元也就是微型單片機(jī)控制單元用來保護(hù)電參的獨立性，穩(wěn)定性和可靠性。

第二個電路模塊為獨立主板模塊，用于RTU自身的故障診斷分析，其獨立主板的接口采用MINI PCI-E也就是無線網(wǎng)卡接口，而CPU芯片具有300M的運行能力，而且時鐘的速度很快，可達(dá)到150MHz，支持SRAM也就是靜態(tài)存儲單元和外部I/O器件，以及5個片選信號，同時主板的存儲能力也很強(qiáng)，具有512M的存儲量，并且再斷電后也能保持CPU一段時間內(nèi)供電，將文件進(jìn)行保存，這就保證了廠內(nèi)報表輸出的實時性和準(zhǔn)確性，而其4G網(wǎng)絡(luò)硬件單元，可用于支持全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，其插孔式和貼片式可以靈活將適用射頻板直接集成，方便適用，提高產(chǎn)品硬件的集成度，

第三個模塊為擴(kuò)展模塊，由保護(hù)被測試電路對象和AI采集電路這兩個電路組成，可以減少環(huán)境干擾對信號的影響。

1、研究原則

為保證系統(tǒng)安全高效的工作， 需滿足以3下個原則：

（1）安全性、可靠性與穩(wěn)定性的實現(xiàn)， 尤其是要有可靠穩(wěn)定的運行保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、 控制

（2）實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備之間的良好數(shù)據(jù)通信;

（3）環(huán)境適應(yīng)能力良好，滿足油田生需要。

2、RTU 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)（RTU） 是構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)的核心裝置， 通常由指令控制器 （CPU） 及數(shù)據(jù)輸入輸出模塊 （DI/ DO）、模擬量輸入輸出（AI/AO），數(shù)據(jù)通信部分、電源部分及輔助部件與柜體組成， RTU 控制系統(tǒng)控制柜外如圖一所示。

2.2 主要功能

為保證系統(tǒng)正常工作， RTU 必須滿足以下 5項功能：

（1） 數(shù)據(jù)采集： 采集壓力、 流量、 位移、 載 荷、沖次等;

（2） 數(shù)據(jù)傳輸： 采集的數(shù)據(jù)通過無線方式進(jìn)行傳輸;

（3） 數(shù)據(jù)監(jiān)控： 上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測數(shù) 據(jù)和控制設(shè)備的動作;

（4） 數(shù)據(jù)存儲： 所有數(shù)據(jù)進(jìn) 行歸檔存儲。

（5） 遠(yuǎn)程啟停井以及沖刺調(diào)節(jié)

2.2 主要技術(shù)特性

RTU 具有如下3項主要的技術(shù)特性， 這些特性決定了RTU的性能。

（1） 極高的可靠性： 內(nèi)置CPU芯片以及獨立的MCU， SRAM 和外部I/O 器件，形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品， 可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng);

（2） 采用可換式電路板， 便于維護(hù)、維修、更換;

（3） 輸入電壓范圍寬， 適用于電壓波動大的場

（4） 模擬量與數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展性強(qiáng)，方便， 可對單井位移、載荷、壓力、溫度、 流量、液位等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲;

（5） 配置現(xiàn)場手操器， 易于形成無線數(shù)據(jù)傳輸與自動化控制;

三、現(xiàn)場應(yīng)用情況

采油三廠采用A11的技術(shù)架構(gòu)，RTU采用Zigbee下采、4G上傳通信方式。

北二一聯(lián)合站下屬的劑量間/井，共有壓力、溫度、流量、液位等各類型儀表5000多塊，監(jiān)控131臺設(shè)備，6種儀表數(shù)據(jù)進(jìn)入A11系統(tǒng)平臺：壓力/界面（液位）/溫度/液壓/流量/電參。

（1）數(shù)據(jù)傳輸模式：

油井井口、計量間的儀表使用ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)無線傳輸至RTU模塊，再經(jīng)由 4G網(wǎng)絡(luò)將RTU模塊采集到的數(shù)據(jù)傳遞給北二一聯(lián)合站，北二一聯(lián)合站將數(shù)據(jù)上傳至A11平臺。

（2）報表信息錄入

1、210個參數(shù)（主要為生產(chǎn)參數(shù)）構(gòu)成的報表系統(tǒng)，部分是巡檢人員手工錄入。

2、巡檢人員進(jìn)行站/間/井巡檢;使用巡檢手持器，可以將數(shù)據(jù)采集到A5系統(tǒng)（采油與地面工程運行管理系統(tǒng)）。

（3）未入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

聯(lián)合站的加熱爐系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報警系統(tǒng)，這2個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)沒有進(jìn)入聯(lián)合站監(jiān)控平臺，也沒有進(jìn)入A11平臺。

（4）常用測量方式

油：容積式

水：電磁式

氣：渦街式

電：智能電表（互感器）

示功圖：位移載荷

3.1抽油井

通過無線功圖傳感器將抽油機(jī)實際數(shù)據(jù)采集至RTU并將歷史數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)生成示功圖。首先，將功圖傳感器防掉繩繞過最近的鋼纜，將快掛卡扣在防掉繩上。調(diào)整功圖傳感器位置，使抽油桿與功圖開口兩邊的間隙盡量一致，現(xiàn)場安裝圖如圖二所示。

3.2計量間

計量間到每個抽油井有單獨管道，每根管道配一個溫變;多根管道匯總到一起，配置一個壓力表，現(xiàn)場安裝圖如圖三所示。

3.3開發(fā)應(yīng)用情況

目前大慶油田中的慶新油田，五廠，三廠，二廠在RTU數(shù)字化油田中逐步推進(jìn)

但現(xiàn)有系統(tǒng)對RTU的鏈路故障以及死機(jī)狀態(tài)的處理，只能采用重新開機(jī)來恢復(fù)RTU的工作狀態(tài)，其次RTU的環(huán)境適應(yīng)能力不是很好，在極冷或極熱的狀態(tài)下，都會導(dǎo)致RTU的死機(jī)狀態(tài)，為了未來實現(xiàn)RTU下的智能化大慶油田全覆蓋，如何處理和維護(hù)RTU是智能化油田的關(guān)鍵。

4、展望

（1）通過RTU采集到數(shù)據(jù)在云端數(shù)據(jù)處理，與邊緣計算相結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動調(diào)節(jié)功能。

（2） 高抗寒、 耐高溫研究。 采用新型保溫膜材料， 提高 RTU野外現(xiàn)場惡劣環(huán)境的適用性。

（3） 無源 RTU 應(yīng)用與研究。 在 RTU 柜體頂部安裝太陽能電池板， 采用新型太陽能充電結(jié)合鋰電池供電技術(shù)， 為 RTU 柜體提供所需的電源。

參考文獻(xiàn)

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