引言

油田數(shù)字化是指在油田利用傳感器、儀表，以及PLC、DCS、SCADA 等技術(shù)，對(duì)油井、管道等實(shí)現(xiàn)三維可視化，而且形成完整的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用的油田物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)，如油井功圖傳感器、RTU、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)分析等。油田實(shí)施數(shù)字化建設(shè)管理以來(lái)，無(wú)論是在生產(chǎn)工藝改造、生產(chǎn)組織方式變革、生產(chǎn)效率提高、保障人員、設(shè)備安全等方面都發(fā)揮了巨大作用。只有具備這樣的條件，我們才能開(kāi)啟智能油田，運(yùn)用數(shù)字化在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和智能判識(shí)技術(shù)，建立壓力容器類設(shè)備安全預(yù)警技術(shù)體系，通過(guò)技術(shù)保障，提高設(shè)備的安全運(yùn)行防范水平。

1 油田數(shù)字化管理

油田數(shù)字化管理是指利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、油氣開(kāi)采工藝技術(shù)、油藏管理技術(shù)、數(shù)據(jù)整合技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)警和數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制與管理。壓力容器類設(shè)備是油田生產(chǎn)應(yīng)用的主要設(shè)備之一，其安全預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)了對(duì)重點(diǎn)業(yè)務(wù)、重點(diǎn)環(huán)節(jié)、重點(diǎn)時(shí)段操作的實(shí)時(shí)監(jiān)控和處置能力，建立了生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過(guò)程的預(yù)警機(jī)制，提高了生產(chǎn)效率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字化技術(shù)主要包括遙測(cè)技術(shù)，可視化技術(shù)，智能分析、判斷技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)，數(shù)據(jù)集成、管理與挖掘技術(shù)。在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中大力建設(shè)和推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，特別是數(shù)字化安全預(yù)警管理體系的建設(shè)與應(yīng)用，為各級(jí)生產(chǎn)管理的決策者提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2 數(shù)字化系統(tǒng)軟硬件設(shè)施應(yīng)用

2.1遠(yuǎn)程控制終端PTU

RTU 是一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的檢測(cè)和控制。RTU 是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的電子設(shè)備，是 SCADA 系統(tǒng)的基本組成單元，具有通信距離較長(zhǎng)、模塊化、可編程控制、試用于惡劣現(xiàn)場(chǎng)等特點(diǎn)。RTU 已設(shè)定的速率實(shí)時(shí)采集在線檢測(cè)設(shè)備，如壓力、溫度、流量計(jì)設(shè)備運(yùn)行狀況等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其中，采集器通過(guò) RS232 端口采集流量數(shù)據(jù)；通過(guò)4~20 mA 模擬量輸入端口，或 RS232 端口采集含水率數(shù)據(jù)；通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入端口采集設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。RTU 定時(shí)將以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，定期上傳至上位機(jī)。當(dāng)采集器采集到報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，采集器立即向上位機(jī)報(bào)警，并同時(shí)傳送報(bào)警信息 [1] 。

2.2可編程控制器PLC

可編程控制器 PLC 是一種用于數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)和一種專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它使用可編程存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)用于執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)處理、通信聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)界面互動(dòng)等功能，并通過(guò)數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由硬件和軟件組成。PLC 具有可靠性高、使用方便、編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)構(gòu)成靈活、擴(kuò)展容易等特點(diǎn)。

2.3組態(tài)及組態(tài)軟件

所謂組態(tài)，就是使用應(yīng)用軟件中提供的工具和方法來(lái)完成項(xiàng)目中特定任務(wù)的過(guò)程。組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，即SCADA 軟件，亦稱人機(jī)界面或 HMI/MMI 軟件。組態(tài)軟件的工作過(guò)程由站控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和智能分析于一體的綜合管理系統(tǒng)。站控系統(tǒng)由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的硬件部分和負(fù)責(zé)分析管理的軟件部分構(gòu)成。靈活的組態(tài)方法為用戶提供了通用級(jí)別的軟件工具，可以快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能。組態(tài)軟件具有延續(xù)性、可擴(kuò)充性、封裝性和通用性等特點(diǎn)。

2.4視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)依靠網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲(chǔ)和播放為核心，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)數(shù)分析和處理視頻信號(hào)。通過(guò)自動(dòng)分析序列圖像來(lái)監(jiān)視、識(shí)別和跟蹤場(chǎng)景中的變化，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，它可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括圖像采集部分、輸出控制部分、報(bào)警收集部分、圖像壓縮部分、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、報(bào)警和圖像接收、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。根據(jù)每個(gè)部分的功能，整個(gè)系統(tǒng)分為表示層、控制層、處理層、傳輸層、執(zhí)行層、支持層和獲取層。視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng) （CCTV）、 “模擬 - 數(shù)字”監(jiān)控系統(tǒng)（DVR）、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)（IPVS）。

3 油田壓力容器類設(shè)備數(shù)字化建設(shè)

本節(jié)以壓力容器中的緩沖罐安全預(yù)警技術(shù)建設(shè)為例介紹建設(shè)思路、內(nèi)容、過(guò)程及實(shí)現(xiàn)的功能 [2] 。

1）安裝一臺(tái)防爆電熱液位計(jì)；

2）安裝一臺(tái)壓力變送器；

3）安裝一臺(tái)溫度變送器；

4）在緩沖罐生產(chǎn)區(qū)域安裝一臺(tái)可燃?xì)怏w報(bào)警測(cè)試儀；

5）安裝一套防爆視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

按照“儀表安裝 + 布線 + 接線 +PLC 編程 + 組態(tài)”的工作流程建設(shè)緩沖罐的數(shù)字化預(yù)警技術(shù)，從安裝在緩沖罐上面的液位計(jì)、壓力變送器采集液位信號(hào)和壓力信號(hào)；從緩沖罐進(jìn)口管線上安裝的溫度變送器，生產(chǎn)區(qū)域安裝的可燃?xì)怏w報(bào)警儀上采集溫度信號(hào)和可燃?xì)怏w濃度信號(hào)；以上信號(hào)經(jīng)過(guò) PLC 處理后以網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的方式傳遞給上位機(jī)顯示，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析判斷、實(shí)時(shí)監(jiān)控，異常情況出現(xiàn)后及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。

1）根據(jù)油田建設(shè)數(shù)字化的設(shè)計(jì)方案，在緩沖罐上規(guī)定位置安裝壓力變送器和防爆電熱液位計(jì)，在緩沖罐附近場(chǎng)地安裝一臺(tái)可燃?xì)怏w報(bào)警儀；

2）在機(jī)房安裝一臺(tái) PLC，PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、通信接口模塊和電源模塊；3）選擇合適位置（能拍攝到緩沖罐生產(chǎn)區(qū)域）安裝一套防爆攝像機(jī)和一臺(tái)視頻服務(wù)器；

4）使用帶屏蔽專用通信電纜從緩沖罐壓力變送器、防爆電熱液位計(jì)、可燃?xì)怏w報(bào)警儀到機(jī)房 PLC機(jī)柜敷設(shè)電纜，為攝像機(jī)敷設(shè) 1 根 220 V 電源線、1根視頻線、1 根 RS485 控制線和 1 根鎧裝屏蔽雙絞線，并把相應(yīng)電纜連接起來(lái)；

5）在中央控制室的電腦上安裝一套組態(tài)軟件，并在監(jiān)控機(jī)上安裝視頻監(jiān)控客戶端軟件；

6）根據(jù)命名規(guī)則設(shè)置變量，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)，監(jiān)測(cè)緩沖罐的壓力和液位數(shù)據(jù)，以及可燃?xì)鈭?bào)警儀數(shù)據(jù)；

7）在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警單位中設(shè)置實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)報(bào)警的上下限，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警；

8）調(diào)試視頻監(jiān)控系統(tǒng)并將視頻畫面顯示在監(jiān)控機(jī)上，進(jìn)行緩沖罐數(shù)字化預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)調(diào) [3] 。

4 油田壓力容器類設(shè)備數(shù)字化應(yīng)用

油田壓力容器類設(shè)備安全預(yù)警技術(shù)主要通過(guò)中控工控系統(tǒng)、數(shù)字化生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和油田應(yīng)急預(yù)警三大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)用。通過(guò)對(duì)緩沖罐安全預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，運(yùn)用的實(shí)際中安全應(yīng)急預(yù)警處置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，即緩沖罐液位超限時(shí)，通過(guò)將緩沖罐采集液位信號(hào)與 PLC 控制輸油泵變頻柜關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)緩沖罐高液位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)輸油，低液位時(shí)自動(dòng)停止輸油泵，確保緩沖罐液位在設(shè)定限值內(nèi)。如果緩沖罐液位超上下限時(shí)，輸油泵未自動(dòng)啟動(dòng)或停止輸油，則需人工緊急干預(yù)，先手動(dòng)進(jìn)行輸油泵啟停操作，再檢查線路、變送器或 PLC 編程器，進(jìn)行維修。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上論述可以看出，數(shù)字化安全生產(chǎn)預(yù)警管理主要通過(guò)數(shù)字化前段生產(chǎn)管理系統(tǒng)、中端生產(chǎn)運(yùn)行指揮系統(tǒng)和后段安全應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)完成。利用預(yù)測(cè)理論，建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)安全生產(chǎn)趨勢(shì)，形成安全生產(chǎn)預(yù)警信息，通過(guò)文字、聲音、圖像向生產(chǎn)操作人員、技術(shù)人員和管理人員警示與報(bào)警。