基于DCS原理設(shè)計(jì)的抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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油井的抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸管理是油田生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，生產(chǎn)計(jì)劃的決策依賴于大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的及時(shí)正確的采集。由于資金的制約和傳統(tǒng)管理方式等因素，我國石油企業(yè)在生產(chǎn)作業(yè)上自動化的應(yīng)用程度還很低。例如抽油機(jī)的井口回壓、出油溫度、套壓、油壓等資料均靠人工巡井獲得。我國的油田大部分油井分布較分散，這就造成數(shù)據(jù)采集工作量大，采用傳統(tǒng)的人工巡檢方法對油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集錄入，效率是非常低下，精確度不高受天氣影響大的特點(diǎn)，對油井的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)掌握不及時(shí)，不能做到在線管理。各項(xiàng)數(shù)據(jù)靠人員匯總錄入分析，也不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的要求。為了準(zhǔn)確且迅速地掌握并利用采油現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，對生產(chǎn)狀況進(jìn)行有效地統(tǒng)籌平衡管理，優(yōu)化資源配置，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，打造數(shù)字化油田，應(yīng)著手建立一套抽油機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集DCS自控系統(tǒng)。
1 DCS系統(tǒng)概述與系統(tǒng)原理
1．1 DCS簡介
DCS(Total Distributed Control System)是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)。自20世紀(jì)70年代中期首次推出后，就一直占主導(dǎo)地位的控制系統(tǒng)框架。它的主要特征是集中管理和分散控制相結(jié)合，與模擬電動儀表較，具有連接方便、數(shù)據(jù)存儲量大等優(yōu)點(diǎn)；與計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)比較，它具有操作監(jiān)督方便、危險(xiǎn)分散、功能分散等優(yōu)點(diǎn)，但其信號傳送一般采用4～20 mA的電流信號形式，一個(gè)變送器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一對傳輸線來單向傳送一個(gè)模擬信號。抽油機(jī)工作看似簡單，實(shí)際由于油井分布的面積大分散性等特點(diǎn)，對于油田企業(yè)來講，對其采油生產(chǎn)過程進(jìn)行自動檢測、順序控制就是一個(gè)很龐大的工作。應(yīng)用自動數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，可以對單井抽油機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自我保護(hù)與自我控制，可以大大提高其運(yùn)行效率。
1．2 結(jié)合DCS模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)原理
1．2．1 抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集的三層功能概述
傳統(tǒng)的DCS分三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：生產(chǎn)管理級，監(jiān)控級和過程控制級等。在油井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，過程控制級是整個(gè)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其性能影響著油井抽油機(jī)各種參數(shù)信息的實(shí)時(shí)性、抽油機(jī)狀態(tài)的運(yùn)行判斷以及管理決策的正確性。該系統(tǒng)中的過程控制級完成抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的檢測任務(wù)。監(jiān)控級則通過協(xié)調(diào)過程控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)工作過程的動態(tài)管理及停開操作。生產(chǎn)管理級完成制定生產(chǎn)計(jì)劃和工藝流程。DCS使用相對集中的控制站，完成生產(chǎn)過程中各個(gè)局部的控制作用，實(shí)現(xiàn)分散、數(shù)字化的控制過程。
1．2．2 采集數(shù)據(jù)信息的分類
根據(jù)控制理論可知，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息可以劃分為設(shè)定量、擾動量、反饋量及輸出量。在抽油機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，也可以分為這四類相對應(yīng)的因素：設(shè)定量是依據(jù)當(dāng)前抽油機(jī)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如井口回壓、出油溫度、套壓等；擾動量是外界人為因素和各項(xiàng)干擾影響因素，即各種設(shè)備的誤差及其后對現(xiàn)場環(huán)境的影響等要素；輸出量是經(jīng)過測量的各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)量；反饋量是對輸出量進(jìn)行信息采集處理后，將參與和設(shè)定量比較的量。同樣將油田抽油機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用同樣的工作原理，設(shè)定量輸入系統(tǒng)并受擾動量作用后，經(jīng)系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生目標(biāo)近似輸出量，然后對輸出量進(jìn)行信息采集處理并反饋到設(shè)定量，從而形成新的設(shè)定量，同時(shí)進(jìn)一步修改并精確設(shè)定當(dāng)前抽油機(jī)效率最優(yōu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，從而達(dá)到控制原油開采的目的。當(dāng)抽油機(jī)發(fā)生器械故障導(dǎo)致停井時(shí)，工作人員可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，并且根據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)分析故障原因，迅速派出維修人員抵達(dá)現(xiàn)場，進(jìn)行設(shè)備的維修，最大限度降低了因抽油機(jī)故障造成的原有生產(chǎn)損失。
2 抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
油井?dāng)?shù)據(jù)采集管控系統(tǒng)，是集抽油機(jī)生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理于一體的生產(chǎn)過程自動化控制體系。該系統(tǒng)以油田作業(yè)的抽油機(jī)運(yùn)行管理為對象，以智能測控儀器儀表為窗口，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)延伸到油井的井口，形成了油井?dāng)?shù)據(jù)采集自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油井信息的快速獲取、信息集中處理、分析、診斷和反饋控制。具體實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)功能，是由系統(tǒng)主機(jī)、過程機(jī)和直接數(shù)字控制分別完成統(tǒng)一組成的。在計(jì)劃系統(tǒng)里，各種傳感器和智能儀表為測量控制級，以控制器或PLC為核心的下位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)油田的生產(chǎn)系統(tǒng)的操作級，用具有網(wǎng)絡(luò)功能的控制主機(jī)為上位機(jī)構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的監(jiān)控級。各子系統(tǒng)之間具有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和布線系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)與公司其他生產(chǎn)單元監(jiān)控操作站相連，同時(shí)監(jiān)控操作站又與企業(yè)信息網(wǎng)相連，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到公司管理部門。
2．1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)功能
油井生產(chǎn)管理自動化控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)。形成以多臺計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的分散型控制系統(tǒng)。采用過程裝置控制設(shè)備和多個(gè)控制卡及I／O子系統(tǒng)模板組成過程裝置控制級，通過通信網(wǎng)絡(luò)將過程信息傳送到上、下級。抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集的功能分層是根據(jù)集散控制系統(tǒng)的體系特征而設(shè)計(jì)，它充分反映集散控制系統(tǒng)的分散控制、集中管理的特點(diǎn)。抽油機(jī)運(yùn)行信息自下向上到管理層逐漸集中，同時(shí)，它又自管理層向下至生產(chǎn)一線逐漸分散。其簡單系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2．1．1 生產(chǎn)管理級功能介紹
系統(tǒng)生產(chǎn)管理級(中心控制室)主要用于完成對整個(gè)系統(tǒng)各子功能的控制及調(diào)度。流程圖顯示功能模塊完成各個(gè)工作區(qū)域的流程圖和相應(yīng)參數(shù)變化情況的顯示。歷史趨勢及棒形圖顯示模塊：實(shí)現(xiàn)歷史生產(chǎn)狀況的趨勢再現(xiàn)和與之對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的棒形圖及數(shù)據(jù)表格顯示?？刂浦鳈C(jī)系統(tǒng)軟件的主要功能是通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，以及將下位機(jī)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括存入數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行流圖顯示，還有數(shù)據(jù)表的顯示及各種要求的報(bào)表打印輸出?？刂浦鳈C(jī)LED顯示大屏幕可以顯示油井分布圖并且定義多個(gè)測控畫面，每個(gè)測控畫面上可以顯示多個(gè)測控參數(shù)，比如可以實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、溫度、油壓等參數(shù)。通過控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的停開機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制；油井故障實(shí)時(shí)顯示報(bào)警，包括故障發(fā)生時(shí)間和故障原因；基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線分析診斷，具有計(jì)算流壓、系統(tǒng)效率、抽油桿、抽油泵、抽油機(jī)分析，功圖量油比較，智能診斷等功能。
2．1．2 監(jiān)控級是功能介紹
系統(tǒng)的控監(jiān)控級(油井工作站)主要完成系統(tǒng)內(nèi)部通信鏈路的建立及數(shù)據(jù)信息流的傳輸。油井工作站既是中心控制室與智能測控終端的中間站，又可獨(dú)立運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)內(nèi)部通信是該系統(tǒng)的核心。可以完成功能包括：初始化系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、修改及對所有智能測控終端進(jìn)行各類參數(shù)范圍和功能的設(shè)置；對所有智能測控終端定時(shí)校對；定檢、自動巡檢(自動校對、通信、測量等)；故障處理(日志、實(shí)時(shí)響應(yīng))；功圖管理(比較、備份、分析)；對終端檢測的抽油井故障進(jìn)行報(bào)警和顯示。
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