油井监控系统解决方案.docx
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油井监控系统解决方案
油田生产信息监控系统
一、概述
油田的一个采油厂由多口油井、计量站、管汇阀组，转油站，联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，那么整个采油厂的各种设施的工作状态及采出油品的数据（主要有温度、压力、流量等）就直接关系到油田生产的稳定及原油质量。
目前大多由人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据。
由于油井数量多且分布范围为几百平方公里，必然使工人劳动强度加重，并且影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。
也同时存在笔误，作假等隐患。
这样会导致上层无法及时了解到现场情况，并且不能根据生产所消耗的实际劳动力、电力及原料消耗等数据，制定较有效、灵活处理方案。
所以提高采油厂的自动化、信息化水平就显得极为突出。
随着网络信息化的飞速发展和生产数据的日积月累，采用传统的管理方式和数据手工记录模式已不能满足现代企业的发展要求。
生产信息的实时采集、数据统计和查询的网络化已成为现代企业提高工作效率，降低生产成本的有效手段。
要实现现场数据和设备信息的实时采集和数据分析，指令的远程下达以及对设备的控制等功能，迫切要求分布广泛的现场生产数据实现网络化。
为了实现油田数据信息化、网络化，实现数据全局共享，厂长、总工等管理人员利用现有的网络系统查看其监控点的数据，打破各个监控现场相互之间长期形成的“信息孤岛”局面，大庆市嘉华科技有限公司油井实时综合监控系统采用目前国际最先进的远程测控技术，实现生产数据的网间共享以及实时监控。
本方案详细的从网络架构、采集原理、记录方式、数据通讯规约、网络安全等多方面，并对油田广泛分布的监控站点的数据信息提出完整的监控解决方案。
二、系统总体架
本系统应分为三层架构，分别是：
系统终端、传输网络、信息中心管理服务器。
2.1系统终端
采油现场应有相对独立的监控系统，现场的操作人员可以随时对采油设备的运转状态、生产数据、工作参数进行监视和设置。
各采油站现场根据其规模和功能，其监控对象的数量会有不同，而且各采油站也从管理的角度可分为有人值守和无人值守两种，本系统架构图中分别就有人值守和无人值守配置不同的解决方案。
2.2传输网络
由于油田的范围很大，各监测点之间以及监测点与中心之间距离很远，难以架设有线网络，即使条件较好的油田架设有线网络其前期投入成本及维护成本都非常高。
所以本方案采用无线组网方式实现监测点之间以及监测点与中心之间的信息及数据传输。
2.3信息中心
信息中心作为收集、分析及处理采油站的数据中心，负责接收全部现场生产数据、设备状态、视频信号等原始数据。
除了远程监视现场的生产情况外，还可以对这个数据做有效的统计、分析。
信息中心通常位于厂区内的有线局域网络内，与办公管理网相连接。
信息中心的管理服务器负责全部数据在网络内的发布。
厂区管理层的相关人员，即可通过办公局域网络直接登录至信息中心的服务器上，进行实时的监视以及各类报表数据的查询。
还可以透过互联网的接口让出差在外地的工程师浏览数据。
2.4系统整体结构图
三、系统总体功能
系统终端负责实时采集系统各项参数，在收到系统中心的指令后，依据指令执行相应的操作功能：
①如指令为控制类命令，终端控制器则依照指令对设备进行相应的控制，并应答中心以确认指令的执行。
②如指令为数据传输命令，终端则将采集的数据传输给中心。
中心对终端采取轮巡的工作方式：
中心按地址1到地址N的次序对终端进行查询，中心在接收到终端的数据后经过计算处理先将数据保存在数据库中，然后分析、显示、并对下一终端进行查询。
完成一轮查询之后进到下一轮查询，循环显示终端的实时监测数据，并根据设定值进行超限报警。
3.1系统监测参数
Ø相电压：
VaVbVcV平均;
Ø线电流:
IaIbIcI平均;
Ø有功功率:
KWaKWbKWcKW总;
Ø无功功率:
KWARaKWARbKWARcKWAR总;
Ø总电度:
KWH总;
Ø功率因数:
COS∮平均;
Ø载荷:
KN;
Ø井口压力:
Mpa;
Ø井口温度:
℃;
Ø示功图:
载荷曲线、功率曲线；
Ø系统工作状态。
3.2系统控制
Ø星、三角自动节能转换（可选）；
Ø电机过压、过流、缺相自动停机保护；
Ø停电自动延时启动；
Ø故障记忆保存；
Ø手动、自动转换；
Ø功率因数补偿；
Ø实时现场遥控启动、停止，远程遥控启动、停止；
Ø监控终端自动加热、自动降温控制。
3.3视频监视及报警
Ø系统具有自保报警功能；
Ø可远程遥控镜头、云台及灯光等设备，实时监视设备的运行状态和运行环境；
Ø采用H.264视频压缩标准、4CIF视频分辨率；
Ø支持变码64Kbps-8Mbps连续可调，视频帧率根据带宽自动调节；
Ø支持B/S及C/S架构，全面支持以太网监视、配置、升级；
Ø具有抓拍、本地录像等功能；
Ø动态检测功能（可设区域和灵敏度）；
Ø远程配置视频压缩格式、压缩码流大小、网络参数、视频通道参数、串口参数及报警参数；
Ø手动录像、自动录像、报警联动录像；
Ø多鉴探测器入侵检测报警，对非法入侵和可能的破坏提供早期预警，并联动视频进行核实。
3.4实时数据报警
计算机将实时监控采回的各种数据与已经设置的参数上下限进行比较，形成故障列表供查阅，同时对各种故障现象进行声光报警，用户可根据自己需要对上述故障进行选择报警，或者关闭全部声光报警，但故障列表如终保存。
3.5远程控制
操作人员根据故障列表与声光报警种类，通过中心计算机，在室内对设备进行远程控制。
3.6系统技术优势
Ø功能齐全
本系统实现了电力参数检测的同时，扩展了油井的其他参数，如井口温度、压力、电机温度、电流曲线图、示功图等，具备了油井上能够实现的控制功能（报警、空抽控制，定时启停控制、实时节能控制，缺相负荷超限停机控制、启停的远程遥控等）。
生产现场增加了防盗报警及视频复核监控系统，具有传统监测控制系统无法比拟的优势。
Ø准确的电度计量
本系统的电度计量数度能达到0.2级，完全能代替其他的电度计量箱，在中心站软件已实现电度的日报表、月报表的自动统计。
Ø超强的环境适应能力
终端站控制器的核心全部选用优质工业级器件，加上本身完善的自保护功能。
另外在产品设计时充分考虑到北方天气寒冷及风沙大的特点，内部增加了恒温及散热装置，从而确保终端站工作稳定可靠。
Ø系统的可扩展性强
本系统设有2个独立标准的485接口，供模拟量输入和开关量的接入，能按照用户的实际需要任意组合和命名，而中心站软件不需做任何修改。
Ø实用的节能功能
终端站设备能根据电机的负荷大小自动实现星三角转换及功率因素补偿，采油厂不需要配备节能电机。
平均节能达到10%左右。
Ø示功图分析准确可靠
本系统能根据抽油机的冲程冲次自动变化数据采样率，绘出的功图能准确反映油井的工作状况，在监控终端能实时采集及显示示功图和电流曲线图。
Ø系统维护简便
该监控系统中心站及终端站全部采用模块式组合方式，全部采用拔插式安装，维护安装十分方便；充分的可靠性设计，严格的质量检验，同时加上对电源、信号输入、输出口等完备的保护措施，为用户使用提供了可靠的保障。
Ø系统自动化程度高
使用该监控系统后，可以实现对终端站各种参数的监测及设备的自动控制，这样会节省大量的人力及物力，减轻人员的工作量，避免设备损坏。
根据设备工作状况及各种有效数据，从而为指导基层单位的工作提供了有效的保证。
油井综合节能实时监控系统通过对油井各种参数的实时监测及对设备的自动节能控制，不但保证了设备的正常运行，同时减少电机的电能损耗，既提高了油田原油的生产效率，降低了原油的生产费用，又节省了大量的人力物力，减轻了工人的劳动强度，为油田的科学化管理提供一个全新的途径。
四、系统终端
采油站终端设备包括视频采集编码模块、数据采集模块、集中采集控制器、监控主机三个部分，中间层数据采集控制器采用嵌入式数字控制器实现收集整理下层设备采集的数据，并由它向上传输到监控主机。
终端数据采I/O集模块支持多种形式的接口连接方式，与底层的现场设备进行连接。
本系统采集模块及控制器采用独特的架构设计及高性能的技术指标，可以在恶劣的环境下正常工作，同时面板安装简单、灵活等特点。
视频采集编码模块由视频摄像机及编码器组成，摄像机实现光信号到电信号的转变并送到编码器进行数字化编码，再接入无线网桥实现与系统服务器联网。
编码器采用嵌入式结构，运行稳定可靠。
数据采集模块采用实时OS技术，提供一套WindowsCE.net解决方案，支持多种标准的网络接口，两个以太网、一个RS-232和两个RS-232/485串行等通讯接口用于通讯。
具有开放、可扩展以及无风扇无磁盘的设计优势。
自带I/O，并且可以通过串口扩展远端I/O。
强大的图形化编程工具（FAS-pro）支持对采集模块的控制逻辑开发。
集中采集控制器是通用传感器到计算机的便卸式接口模块，内置微处理器使其可以独立提供智能信号调理，模拟量I/O，数字量I/O数据显示和RS-485通讯等功能。
集中采集控制器采用分布式结构，体积紧凑，符合现场总线的趋势，对于RS-485和Modbus等流行的现场总线架构，提供多种不同的数据采集系统，内置的可编程I/O范围及报警输出增强了系统设计的灵活性。
它支持各种通讯介质，如双绞线、无线调制解调器及光纤等。
根据现场情况可配置工控机作为现场监控主机，整个监控主机的监控内容全部由控制系统软件的监控节点（SCADA）完成。
监控节点能通过串口或以太网等通讯方式与下层的数据采集控制器进行数据的传送，即可以从控制器上抓取现场的各项数据，同时也可以向下发指令通过控制器来控制底层设备的运行操作变化。
4.1视频监控
摄像机将现场的采油井工作状态及采油井工作环境视频采集到编码器进行数字化压缩和编码，并通过网络上传到视频管理服务器，经流媒体转发服务来响应客户端的监视申请。
这样的流媒体机制可以满足大量用户同时对某一终端的同时浏览而不致产生网络阻塞。
视频监控画面：
4.2实时数据监控
监控节点将实时采集从现场层送上来的现场重要数据（如：
电压、电流、含水率、含油率、压力、温度等），并将数据以图文形式显示于监控页面中，监控人员可以根据屏幕显示对现场的情况进行实时监视，掌握现在设备的运行情况，当现场发生变化（如有报警信息产生）时监控节点将随之变化并发出警报信息。
数据监控界面
在监控层的操作人员将第一时间内得到现场的警报信息，警报信息的表现方式除可以在屏幕上会有动画/闪烁/列表等提示外，还可以以声音/网络E-MAIL/短信等方式通知不在现场的管理人员。
4.2实时和历史曲线
每一个点的秒、分、时、日历史数据都可以被记录在监控节点中单独的文件中。
从而可以更加迅速的查看历史曲线，点的历史和实时数据可以同时在数据记录曲线中浏览。
历史记录的最小间隔单位是秒，且根据不同的显示方式进行统计分类存储，保证在查看年度报表时无需重新计算，显示速度快。
4.3数据记录显示
系统提供实时曲线、历史曲线对数据进行显示记录，以方便用户根据曲线走势进行系统分析；还提供报表查询、打印功能，有值班报、日报、月报，同时也可以根据需要，输入起始时间、终止时间和采集频率的不同而来查询相应时间段的数据报表。
还可以通过高级选项设定查询数据的显示类型，如最大值、最小值、平均值等。
用户可以直接将报表输出打印或发送E-MAIL到指定邮箱。
发送报表格式为HTML格式，可以轻松将报表导出到EXCEL等工具软件进行处理加工。
报表数据效果图
所有的数据都将存储于本地硬盘，以便随时查询历史记录。
由于现场采集站根据其管理方式不同，而分为有人值守和无人值守，以上所介绍的是有人值守。
相对于有人值守，无人值守的数据采集方式与有人值守完全相同，仅仅只是因为现场无操作人员，不需要配置监控主机，而是由数据采集控制器直接将现场信息透过网络向上传送，并直接接受上级下达的控制指令。
五、通讯网络
现在无线设备支持10、20、45Mbps及更高的网络带宽，完全能够保证采用H.264格式的数字视频流及工业监控数据流稳定可靠地进行传输，达到无线视频监控的目的。
使用无线网桥，没有布线的烦恼，不破坏原有环境设施，施工周期短，性价比高，且扩充性强，只要增加或减少被监控点的无线桥接器，就可以完成被监控点的增加或减少。
在条件许可的情况下，利用点对点无线网桥最远可以支持30公里无中继的传输距离。
从采油厂所处的地理环境和各个油井的分布来看，如果采用传统的铺设电缆方法，一是需要接入的信息点多且分散，使的建设成本过高且不实用，而且施工周期太长，二是各油井终端需要处理的数据不是很多，对网络的带宽需求不是非常的高。
根据各个油井的实际位置，考虑到将来各个信息点管理的便捷性，并且结合无线网络的特点，网络拓扑采用多层星型结构，将信息中心的铁塔设为无线网络的中心点，在各采油队油区选择建立二级中心点。
塔和各二级中心之间的连接采用定向天线进行连接，这样可以保证从中心点到二级中心有足够的稳定性和安全性，二级中心则使用全向天线，采用多基站覆盖的方法，将每个油井信息点连接到系统的局域网中。
并且以后只要增加远端无线设备，就可以随时增加监控点，具有优秀的可扩展性。
六、信息中心管理服务器
信息中心通过路由器从传输网络将全部现场信号收集上来，汇总至管理服务器。
管理服务器安装系统管理软件负责接收数据、数据管理、数据存储、视频流转发、客户端及设备安全认证等功能。
6.1视频监控及入侵报警
视频管理服务器实现视频流的转发、存储，设备及客户端的认证、管理等功能。
系统用户可通过服务器实现实时视频流的浏览监控及历史图像的检索，终端设备的实时控制，油井工作区的非法入侵报警核实等。
6.2信息中心数据监控效果
数据管理服务器即可以看到单独的某个采油站的全部数据和监控画面外，还可以在一幅画面中按照地理位置显示的全部采油站的综合数据。
其中包括曲线、报表、报警状态、打印等等。
数据监控效果图
6.3双机热备的安全架构
由于考虑到系统的安全和稳定性，数据服务器配置两台，采用互为冗余和热备的功能。
正常情况下，由主机服务器负责与现场通讯，而热备服务器从主机服务器抓取当前数据同步监视，并监听主机正常状态。
当主机服务器出现故障时，热备服务器会自动启动，接管主机的全部工作以及与现场数据的接收和发送功能。
当主机服务器恢复后，热备服务器会自动将全部任务交回，并这段时间的数据传回主机服务器，保证数据的连续性和完整性。
整个过程全部自动完成，无需人为干预。
6.4历史数据库
由现场传上来的数据将按照指定的时间刻度存入关系型历史数据库SQL中，存储周期的定制可以是任意的秒、分、时单位，可自定义每一个监测源的记录间距，将自动生成间隔区间的统计值到数据库中。
SQL数据库可开放予第三方软件提取，便于生产分析等其它应用。
6.5数据报警处理
当系统有报警产生时，操作员可以根据上图中在线报警栏中的信息提示得知警报，同时，“在线警报”按钮也会呈现红色闪烁状态，点击进入“报警摘要”画面中。
在主画面中，不同的报警信息也会有不同的报警显示形式，系统提供多媒体语音报警、动画闪烁报警，弹出窗口报警、发送E-MAIL报警等，可以实现全方位的报警信息通报。
在线报警栏中的报警信息，在每一个监控页面都是相同的，无论在中心还是办公网络内的客户端，可以让操作人员最短时间内发现报警信息，解决故障。
6.6数据报表样式
系统提供报表格式有日报、月报、年报和值班报表，对生产车间中需要进行统计记录的数据，可以将其加入到报表中，可以对统计时间段内的数据自动生成最大值、最小值、平均值和总计值。
用户可以自定义值班报表，在每班结束后由系统直接将报表输出打印或发送E-MAIL到指定邮箱。
发送报表格式为HTML格式，可以轻松将报表粘贴到EXCEL等工具软件进行处理加工。
而且所有的报表都是网页的形式表现，也全部支持IE的访问方式。
七、网络信息发布及资源共享
位于信息中心的两台监控服务器与厂区内的局域网络连接，在局域网内进行信息发布，这样厂区管理层的人员都可以在它自己办公室里的计算里随时通过IE的方式访问主机服务器内的全部数据和画面。
每位浏览者都将拥有唯一的用户名和密码的身份验证，它的用户名决定它的监控范围。
虽然是采用IE的方式访问现场数据，但所看到的全部数据及画面与信息中心服务器的内容完全相同、效果也完全一样。
速度方面也不会任何的延时。
现场数据监控界面远程数据监控界面
通常厂区内的办公管理网络允许被连接到互联网，这样即使出差在外地的领导也同样可以连回厂内访问现场的数据。
信息中心的服务器提供多种接口技术与外界连接，支持ODBC、DDE、XML等多种国际标准的连接技术，可以方便的与厂内的MIS或ERP这类管理软件相结合使用，为采油厂生产分析，成本核算提供原始数据。
由于油田工程分散性，传统的监控方式的工程维护非常不方便，本方案的监控软件支持远程维护功能，即维护工程师在任何地方都可以接入系统内部，查看系统故障、调整系统参数及画面，提高维护的工作效率。
工作原理架构图
八、总结
本方案已经成功的运用在油田的监控上，并且取得了不错得成绩，受到了各方面的认可。
成功的运用经验，会让油田管理更加得心应手。
该方案可以实现油田的各个监控站点的数据网络共享，大大地提高生产管理效率，降低生产成本，方便管理，为实现油田数字化建设和先进管理打下了坚实基础。
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