基于HPLC技術(shù)的油田井場(chǎng)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙懷軍，張佳輝，李亮辰，袁 濤，楊秀芳

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西北工業(yè)大學(xué) 倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第十一采油廠(chǎng)，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

油田井場(chǎng)是石油能源生產(chǎn)的源頭，全面實(shí)時(shí)管控其運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)科學(xué)制定油田開(kāi)發(fā)調(diào)整方案、有效降低采油成本和保障油田安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大[1]。

目前油田井場(chǎng)常規(guī)管控主要是單區(qū)域模式[2]，范圍涉及井場(chǎng)重點(diǎn)區(qū)域[3]。井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)的通信媒介普遍采用光纜、通信電纜等有線(xiàn)方式或ZigBee、Lora、4G/5G等通用無(wú)線(xiàn)方式。王勇[4]設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的抽油機(jī)井安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)抽油機(jī)的安全運(yùn)行進(jìn)行了有效管控；姚卜文[5]基于4G技術(shù)建立了邊遠(yuǎn)抽油機(jī)井的SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)機(jī)井的監(jiān)控問(wèn)題；王濤等[6]基于阿里云設(shè)計(jì)了抽油機(jī)井多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，豐富了對(duì)抽油機(jī)井的管控內(nèi)容；顧雨晴等[7]基于ARM技術(shù)設(shè)計(jì)了注水井的流量監(jiān)控系統(tǒng)，彌補(bǔ)了對(duì)注水井遠(yuǎn)程監(jiān)控的空白等。但是，上述技術(shù)與方法對(duì)油田井場(chǎng)中的配電臺(tái)區(qū)、集輸站、計(jì)量接轉(zhuǎn)站等環(huán)節(jié)尚沒(méi)有進(jìn)行全面有效的管控，同時(shí)其內(nèi)部局域網(wǎng)采用的有線(xiàn)通信方式會(huì)增加前期建設(shè)費(fèi)用和后期維護(hù)難度[8]，采用的通用無(wú)線(xiàn)通信方式又易受環(huán)境干擾穩(wěn)定性較差[9]，尤其對(duì)地處極端天氣易發(fā)、山壑縱橫的西北區(qū)域油田，通用無(wú)線(xiàn)通信方式應(yīng)用受到較大限制。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于高速電力載波通信(High Power Line Communication，HPLC)技術(shù)的油田井場(chǎng)管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)構(gòu)建上，以油田井場(chǎng)中既有的基礎(chǔ)電力線(xiàn)纜作為通信媒介、基礎(chǔ)電力網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)，采用HPLC技術(shù)，完成井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)鏈路鏈接，不需再另外鋪設(shè)通信線(xiàn)，特別是HPLC技術(shù)引入先進(jìn)OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù))調(diào)制編碼方法[10]，能很好地消除載波信道時(shí)變、強(qiáng)干擾等因素產(chǎn)生的影響，具備自組織性、自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[11-12]；在井場(chǎng)常規(guī)管控系統(tǒng)尚未涉及的井場(chǎng)配電臺(tái)區(qū)、或較少涉及的集輸站與計(jì)量接轉(zhuǎn)站等環(huán)節(jié)上裝設(shè)RTU控制終端管控相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)通信口/HPLC通信模塊并接至多井集聯(lián)控制器，最終將整個(gè)油田生產(chǎn)重點(diǎn)區(qū)域納入井場(chǎng)管控系統(tǒng)，完善管控內(nèi)容，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足油田井場(chǎng)全面管控需求，提高生產(chǎn)運(yùn)維效率。

1 油田井場(chǎng)構(gòu)成與功能

圖1為油田典型的“以電換油”井場(chǎng)系統(tǒng)模型，包括配電臺(tái)區(qū)、采油井場(chǎng)、注水井場(chǎng)(配水間)、集輸站和計(jì)量接轉(zhuǎn)站等環(huán)節(jié)[13-15]。該井場(chǎng)系統(tǒng)中電能為井場(chǎng)設(shè)備和生產(chǎn)活動(dòng)提供動(dòng)力能源，水為井場(chǎng)地層壓力平衡保持和提高油液采收率提供保障，油液為井場(chǎng)系統(tǒng)生產(chǎn)出的工業(yè)產(chǎn)品。

圖1 典型的“以電換油”井場(chǎng)系統(tǒng)模型

圖2為油田井場(chǎng)生產(chǎn)工藝流程示意圖。作為采油作業(yè)的綜合場(chǎng)所，油田井場(chǎng)集供電網(wǎng)絡(luò)、地層注水、井口抽油、石油計(jì)量、石油運(yùn)輸?shù)裙δ苡谝惑w[13]，其各環(huán)節(jié)具體功能和任務(wù)如下所述。

圖2 油田井場(chǎng)生產(chǎn)工藝流程示意圖

配電臺(tái)區(qū)為整個(gè)油田井場(chǎng)運(yùn)行提供電能動(dòng)力。主要由電能輸入單元、電能變配單元和電能輸出單元組成。配電臺(tái)區(qū)工作時(shí)需要實(shí)時(shí)管控的參數(shù)包括配用電系統(tǒng)全電參數(shù)、配電設(shè)備及主要元部件狀態(tài)、變壓器溫度及傾斜度、輸入/輸出斷路器合分閘狀態(tài)、環(huán)境溫濕度等，進(jìn)一步詳細(xì)內(nèi)容在本文2.1節(jié)中敘述。

注水井場(chǎng)的核心任務(wù)是通過(guò)給地層合理注水保持地層壓力和提高原油采收率。主要由水井、配水間等單元組成。注水井場(chǎng)工作時(shí)需要實(shí)時(shí)管控的參數(shù)包括注水井視頻監(jiān)控、注水管壓力、注水瞬時(shí)流量和累計(jì)流量以及注水閥控制等，如圖3所示。

圖3 注水井場(chǎng)參數(shù)采集

采油井場(chǎng)的核心任務(wù)是利用采油設(shè)備將油液從地層舉升到地面進(jìn)行采收。采油設(shè)備主要由抽油機(jī)系統(tǒng)、抽油泵、電氣控制柜和輔助工藝設(shè)施等單元組成，工作時(shí)，輸入的電能經(jīng)電動(dòng)機(jī)變換為機(jī)械能，經(jīng)減速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)井下抽油泵運(yùn)動(dòng)，不斷地將井中的原油抽出井筒。采油井場(chǎng)工作時(shí)需要實(shí)時(shí)管控的參數(shù)包括井口回壓、套壓、電參數(shù)、示功圖(通過(guò)同步采集載荷和位移數(shù)據(jù)生成)、沖次調(diào)節(jié)和抽油機(jī)的啟停狀態(tài)等，如圖4所示。

圖4 采油井場(chǎng)參數(shù)采集

集輸站的核心任務(wù)是將單個(gè)或數(shù)個(gè)采油井場(chǎng)各油井生產(chǎn)的原油和油氣進(jìn)行收集、處理后，分別輸送至礦場(chǎng)油庫(kù)或外輸站。其主要由原油集中處理環(huán)節(jié)、集輸環(huán)節(jié)、污水處理環(huán)節(jié)和輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)等單元組成。集輸站工作時(shí)需要實(shí)時(shí)管控的參數(shù)包括集輸站管線(xiàn)壓力、環(huán)境溫度、管線(xiàn)油液流量、可燃?xì)怏w濃度和集輸站視頻等，如圖5所示。

圖5 集輸站參數(shù)采集

計(jì)量接轉(zhuǎn)站的核心任務(wù)是負(fù)責(zé)油氣計(jì)量和原油接轉(zhuǎn)。其主要由集油閥組(俗稱(chēng)總機(jī)關(guān))、單井油氣計(jì)量分離器等單元等組成。其工作時(shí)需要實(shí)時(shí)管控的參數(shù)包括計(jì)量接轉(zhuǎn)站管線(xiàn)壓力、累計(jì)產(chǎn)油量、環(huán)境溫度、可燃?xì)怏w濃度等，如圖6所示。

圖6 計(jì)量接轉(zhuǎn)站參數(shù)采集

為滿(mǎn)足油田生產(chǎn)提質(zhì)增效和整體安全水平提升，需要對(duì)上述各環(huán)節(jié)進(jìn)行全面有效管控。

2 油田井場(chǎng)管控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

油田井場(chǎng)管控系統(tǒng)總體方案如圖7所示。主要由井場(chǎng)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)等組成。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)部署在井場(chǎng)層級(jí)的各環(huán)節(jié)中，利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的RTU終端對(duì)各自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)部署在站場(chǎng)層級(jí)，利用HPLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)各環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)通信，最終并入多井集聯(lián)控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包和遠(yuǎn)程傳輸；生產(chǎn)管理子系統(tǒng)部署在采油廠(chǎng)及油氣田公司總部的控制中心，滿(mǎn)足油田現(xiàn)場(chǎng)油氣生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、分析診斷、預(yù)測(cè)預(yù)警等需求。

圖7 油田井場(chǎng)管控系統(tǒng)方案

2.1 數(shù)據(jù)采集與管控子系統(tǒng)

配電臺(tái)區(qū)作為井場(chǎng)電能輸配環(huán)節(jié)，是井場(chǎng)重要的組成部分和保障井場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)的動(dòng)力基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行有效管控意義重大，但在目前井場(chǎng)管控系統(tǒng)中，此環(huán)節(jié)尚為缺項(xiàng)。本節(jié)僅以配電臺(tái)區(qū)為例進(jìn)行說(shuō)明，其他如注水井場(chǎng)、采油井場(chǎng)、集輸站和計(jì)量接轉(zhuǎn)站等管控方法和技術(shù)與此類(lèi)同。

圖8為典型的井場(chǎng)柱上配電臺(tái)區(qū)環(huán)節(jié)示意圖，其中左側(cè)虛線(xiàn)框?yàn)殡娔茌斎雴卧碗娔茏兣鋯卧?，右?cè)虛線(xiàn)框?yàn)殡娔芘渌蛦卧?。電能輸入單元包括跌落式熔斷器、高壓絕緣瓷瓶及相應(yīng)保護(hù)測(cè)量元件等，主要對(duì)從上級(jí)配電所引入的高壓電源(35 kV或10 kV)進(jìn)行轉(zhuǎn)接和分配，經(jīng)隔離保護(hù)后送至電能變配單元；電能變配單元包括配電變壓器、低壓絕緣瓷瓶、電流母排、互感器和相應(yīng)的測(cè)量保護(hù)元件等，主要對(duì)電能輸入單元送來(lái)的高壓電源經(jīng)配電變壓器變換成低壓電源(1200 V、600 V或400 V)后，送至低壓電流母排，再由電流母排匯聚、配送至電能配送單元；電能配送單元包括饋出斷路器、保護(hù)測(cè)量元件、無(wú)功補(bǔ)償子單元等，饋出斷路器及保護(hù)測(cè)量元件進(jìn)一步將低壓電能經(jīng)隔離保護(hù)后分配至井場(chǎng)各個(gè)用電設(shè)備，無(wú)功補(bǔ)償子單元完成對(duì)井場(chǎng)無(wú)功功率的綜合補(bǔ)償，降低配電變壓器鐵損和輸電線(xiàn)纜銅損，它包括由3組三角形與1組星形接法的電容器組、微斷開(kāi)關(guān)ZK、塑殼斷路器nQS(n=1，2，3，4)、負(fù)荷斷路器FK等。低壓電源系統(tǒng)采用三相四線(xiàn)制TNC供電方式。

圖8 柱上配電臺(tái)區(qū)系統(tǒng)主回路示意圖

在配電臺(tái)區(qū)中增設(shè)RTU控制終端實(shí)現(xiàn)對(duì)該環(huán)節(jié)的有效管控。RTU控制終端主要用于完成對(duì)跌落式熔斷器的熔斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)；對(duì)配電變壓器及其饋出線(xiàn)路進(jìn)行電能分配、保護(hù)、監(jiān)視、控制、全景數(shù)據(jù)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析；控制電容器組負(fù)荷斷路器FK投切，自動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償井場(chǎng)無(wú)功功率；并進(jìn)行其他參量及狀態(tài)量測(cè)量。對(duì)配電變壓器或其饋出線(xiàn)路的保護(hù)包括電流速斷，限時(shí)電流速斷，過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、缺相、三相不平衡和絕緣接地等故障保護(hù)，對(duì)配電變壓器故障監(jiān)視包括重瓦斯或高溫預(yù)警，對(duì)饋出線(xiàn)路監(jiān)視包括饋出斷路器合分狀態(tài)、饋出斷路器的機(jī)械壽命等，對(duì)配電變壓器及其饋出線(xiàn)路控制包括進(jìn)線(xiàn)、饋出斷路器的遠(yuǎn)程合/分操作，對(duì)配電變壓器及其饋出線(xiàn)路的全景電量測(cè)量，包括各項(xiàng)相電壓、相電流、合相有功功率、合相無(wú)功電能、三相電流不平衡度、三相電流諧波畸變率、剩余電流Ir、線(xiàn)纜絕緣電阻等；對(duì)井場(chǎng)無(wú)功功率進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，通過(guò)電壓及電流互感器實(shí)時(shí)采集配電臺(tái)區(qū)電能變配單元的電壓、電流，計(jì)算其各相有功與無(wú)功功率、功率因數(shù)等，根據(jù)內(nèi)置的無(wú)功補(bǔ)償控制算法運(yùn)算獲得對(duì)執(zhí)行元件的投切指令，控制相應(yīng)的負(fù)荷斷路器FK合/分動(dòng)作將電容器組并入/退出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；其他參量及狀態(tài)量測(cè)量包括對(duì)配電變壓器傾斜度、環(huán)境溫濕度、負(fù)荷預(yù)測(cè)量和輔助遙信量等的測(cè)量。

配電臺(tái)區(qū)RTU控制終端由通信口/HPLC通信模塊接入數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，與生產(chǎn)管理子系統(tǒng)進(jìn)行雙向交互，接收生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的管控命令，完成對(duì)配電臺(tái)區(qū)的有效管控。同理，注水井場(chǎng)、采油井場(chǎng)、集輸站和計(jì)量接轉(zhuǎn)站也通過(guò)各自裝設(shè)的相應(yīng)RTU控制終端由通信口/HPLC通信模塊接入數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，完成對(duì)相應(yīng)環(huán)節(jié)的管控。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)分為井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)和井場(chǎng)外部局域網(wǎng)。井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)主要利用HPLC技術(shù)完成多井集聯(lián)控制器、采集與管控子系統(tǒng)中各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)傳輸，井場(chǎng)外部局域網(wǎng)則利用4G完成多井集聯(lián)控制器與生產(chǎn)管理子系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)利用井場(chǎng)傳輸電力的線(xiàn)路作為通信介質(zhì)來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)，電纜所到之處便是信道即至之所，施工維護(hù)極為簡(jiǎn)便。OFDM調(diào)制解調(diào)方法原理如圖9所示，采用OFDM調(diào)制解調(diào)方法的HPLC，將電力線(xiàn)信道細(xì)分為n個(gè)子信道，各子信道彼此正交，在線(xiàn)路上將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，合并于子信道后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率傳輸，抗干擾能力好、穩(wěn)定性高、抗衰減性強(qiáng)，其單級(jí)通信距離可達(dá)1.5 km，支持多級(jí)中繼，能很好地滿(mǎn)足井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖9 OFDM調(diào)制解調(diào)方法原理框圖

圖10為HPLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)電力線(xiàn)傳輸過(guò)程。發(fā)送端通過(guò)編碼調(diào)制模塊將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大、信號(hào)耦合模塊加載至電力線(xiàn)上進(jìn)行傳輸；接收端通過(guò)對(duì)偶的信號(hào)解耦合模塊實(shí)現(xiàn)被傳輸信號(hào)的拾取，經(jīng)過(guò)濾波、解調(diào)譯碼和功率放大模塊的處理，即可恢復(fù)被傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)，完成信號(hào)的電力線(xiàn)接收過(guò)程。

圖10 HPLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由通信口/HPLC通信模塊并接至多井集聯(lián)控制器。

2.3 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)

生產(chǎn)管理子系統(tǒng)后臺(tái)顯示界面如圖11所示，生產(chǎn)管理子系統(tǒng)對(duì)油田井場(chǎng)的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀況信息、原油儲(chǔ)運(yùn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化展示、分析和數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)指揮、調(diào)度和快速科學(xué)決策。

圖11 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)后臺(tái)顯示界面

3 井場(chǎng)管控系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 采油井場(chǎng)RTU控制終端軟硬件設(shè)計(jì)

采油井場(chǎng)環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備和工作參數(shù)較多，工藝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，故以采油井場(chǎng)環(huán)節(jié)RTU控制終端為例，說(shuō)明其軟硬件設(shè)計(jì)原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線(xiàn)。

3.1.1 采油井場(chǎng)RTU控制終端硬件設(shè)計(jì)

圖12為采油井場(chǎng)RTU控制終端硬件設(shè)計(jì)原理圖。其主要由井場(chǎng)參量處理單元(A)、井場(chǎng)參量及信號(hào)量采集單元(B)、輸出執(zhí)行單元(C)3個(gè)主工作單元組成。

圖12 井場(chǎng)RTU控制終端硬件設(shè)計(jì)原理圖

井場(chǎng)參量及信號(hào)量處理單元(A)由模擬信號(hào)調(diào)理電路模塊5、數(shù)字量信號(hào)調(diào)理電路模塊6、DSP系統(tǒng)模塊7、單片機(jī)系統(tǒng)模塊8、CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9、鍵盤(pán)模塊15、液晶顯示模塊14和串行通信模塊13組成，模擬信號(hào)調(diào)理電路模塊5的輸出端接入DSP系統(tǒng)模塊7，DSP系統(tǒng)模塊7分別通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)模塊8、CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9相連，單片機(jī)系統(tǒng)模塊8通過(guò)通用并行輸入/輸出口和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9相連，鍵盤(pán)模塊15和液晶顯示模塊14分別經(jīng)磁耦合器(12、11)隔離后與CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9相連，串行通信模塊13經(jīng)磁耦合器10隔離后同時(shí)與單片機(jī)系統(tǒng)模塊8和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9相連。

井場(chǎng)參量及信號(hào)量采集單元(B)由三相電流電壓檢測(cè)模塊1、井口油壓和平衡度檢測(cè)模塊2、位移/游梁傾角檢測(cè)模塊3、開(kāi)關(guān)量檢測(cè)模塊4組成。三相電流電壓檢測(cè)模塊1、井口油壓和平衡度檢測(cè)模塊2、位移/游梁傾角檢測(cè)模塊3的輸出端分別與模擬信號(hào)調(diào)理電路模塊5的輸入端相連，經(jīng)DSP系統(tǒng)計(jì)算后接入單片機(jī)系統(tǒng)8或CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9的輸入端；開(kāi)關(guān)量檢測(cè)模塊4的輸出端經(jīng)數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路模塊6處理與隔離后接至CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9的輸入端。

輸出執(zhí)行單元(C)由3個(gè)開(kāi)出回路(17、19、21)組成，它們分別通過(guò)功率光電耦合器(16、18、20)隔離、驅(qū)動(dòng)后與CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊9的輸出端相連。

工作時(shí)，井場(chǎng)參量和信號(hào)量采集單元采集的各種參數(shù)信號(hào)經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理電路模塊5放大、濾波后輸入DSP系統(tǒng)模塊7(內(nèi)置多路二階sigma-delta ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化并完成算法與數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果傳至單片機(jī)系統(tǒng)模塊8，由單片機(jī)系統(tǒng)模塊8進(jìn)行顯示、進(jìn)一步邏輯判斷，通過(guò)CPLD邏輯與組合系統(tǒng)9輸出；輸出執(zhí)行單元(C)根據(jù)CPLD邏輯與組合系統(tǒng)9輸出結(jié)果形成相應(yīng)分/合動(dòng)作。

3.1.2 采油井場(chǎng)RTU控制終端軟件設(shè)計(jì)

采油井場(chǎng)RTU控制終端軟件部分主要包括主程序設(shè)計(jì)、各參量處理子程序、啟?？刂谱映绦蚝捅Ｗo(hù)子程序設(shè)計(jì)等。圖13為采油井場(chǎng)RTU井場(chǎng)控制終端主程序流程，圖14為采油井場(chǎng)RTU井場(chǎng)控制終端利用電動(dòng)機(jī)輸入電參數(shù)實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷軟測(cè)量的子程序流程圖，式(1)為具體計(jì)算公式。其余流程圖不再贅述。

圖13 井場(chǎng)控制終端主流程圖

圖14 懸點(diǎn)載荷軟測(cè)量流程圖

(1)

3.2 HPLC通信模塊軟硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 HPLC通信模塊硬件設(shè)計(jì)

圖15為HPLC通信模塊硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。包括前端驅(qū)動(dòng)放大器和調(diào)制解調(diào)器、HPLC載波ES1667-NC芯片和STM32F103RCT6單片機(jī)主控單元、后端RS485收發(fā)電路。其中，HPLC模塊的前端驅(qū)動(dòng)放大器和調(diào)制解調(diào)器與電力線(xiàn)連接，后端與HPLC載波芯片相連接，用于接收電力線(xiàn)路的載波信號(hào)，并以一定接收增益將載波信號(hào)發(fā)送給HPLC載波芯片，載波芯片從獲取的載波信號(hào)中提取所需的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103RCT6單片機(jī)主控單元；HPLC載波模塊RS485收發(fā)電路與從機(jī)連接，另一端與STM32F103RCT6單片機(jī)主控單元連接，用于從STM32F103RCT6單片機(jī)主控單元接受數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口上傳至從機(jī)。載波芯片檢測(cè)載波信號(hào)的幅度，根據(jù)載波信號(hào)的幅度控制接收增益和發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)電力載波通信的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖15 HPLC通信模塊硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)，生產(chǎn)管理子系統(tǒng)通過(guò)多井集聯(lián)控制器對(duì)井場(chǎng)每個(gè)環(huán)節(jié)的RTU控制終端按照地址編碼逐個(gè)發(fā)送命令幀，RTU控制終端定點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后自行解析；當(dāng)分析到幀中的地址與本機(jī)相同時(shí)，對(duì)消息幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)并執(zhí)行；若驗(yàn)證通過(guò)則按照預(yù)先約定的功能碼生成應(yīng)答數(shù)據(jù)幀發(fā)送至多井集聯(lián)控制器，從第1個(gè)井場(chǎng)RTU控制終端到最后一個(gè)依次輪詢(xún)；反之井場(chǎng)RTU控制終端實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并經(jīng)多井集聯(lián)控制器傳送至生產(chǎn)管理子系統(tǒng)。

3.2.2 HPLC通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

圖16為HPLC通信模塊軟件部分的程序主流程，主要實(shí)現(xiàn)模塊定點(diǎn)傳輸、自組網(wǎng)和參數(shù)配置等功能。

圖16 HPLC通信模塊軟件主流程圖

4 工程應(yīng)用

在長(zhǎng)慶油田第十一采油廠(chǎng)新集作業(yè)區(qū)，對(duì)設(shè)計(jì)的基于HPLC技術(shù)的油田井場(chǎng)管控系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用，油田井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖如圖17所示。生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景如圖18所示，完成了對(duì)井場(chǎng)各環(huán)節(jié)的全面管控，可對(duì)采油井與注水井進(jìn)行遠(yuǎn)程啟?？刂?、對(duì)臺(tái)區(qū)變壓器進(jìn)行分合閘控制等，使管理人員實(shí)時(shí)了解油田的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃決策。經(jīng)過(guò)近一年的試驗(yàn)運(yùn)行，證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)全面管控，井場(chǎng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)施工維護(hù)工作量小、通信可靠穩(wěn)定、工程實(shí)用性好。

圖17 油田井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

圖18 長(zhǎng)慶油田數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的管控系統(tǒng)以油田井場(chǎng)中既有的基礎(chǔ)電力線(xiàn)纜作為通信媒介，采用HPLC技術(shù)，完成井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)鏈路鏈接的信息傳輸，傳輸穩(wěn)定性好、施工維護(hù)工作量小、工程實(shí)用性強(qiáng)；同時(shí)在井場(chǎng)常規(guī)管控系統(tǒng)尚未涉及的井場(chǎng)配電臺(tái)區(qū)、或較少涉及的集輸站與計(jì)量接轉(zhuǎn)站等環(huán)節(jié)中裝設(shè)RTU控制終端，能實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)的全面管控、有效滿(mǎn)足了井場(chǎng)生產(chǎn)需求。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)所采集的井場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理、分析，為科學(xué)制定油田開(kāi)發(fā)方案提供數(shù)據(jù)支持。