平台远程监控系统的设计毕业论文.doc

海上石油平台远程监控系统的设计毕业论文目录第一章绪论11.1课题研究背景及意义11.2远程监控技术概述11.2.1远程监控原理21.2.2远程监控的分类31.2.3远程监控系统的发展31.2.4远程监控技术的研究现状51.3 海上油田监控系统的发展现状61.3.1国外海上油田监控技术71.3.2国内海上油气田监控技术71.4 论文完成的工作8本章小结8第二章课题背景92.1 海上油气集输系统92.2 海上石油平台的组成和运行102.3 现场监控需求分析102.3.1系统监控参数的确定112.3.2系统功能需求112.3.3控制系统操作方式需求132.4 系统通信方式选择142.4.1有线通信方式142.4.2常用无线通信方式152.4.3本文选择的无线通信方式172.4.4微波扩频无线通信协议17本章小结19第三章海上石油平台远程监控系统设计203.1 控制系统的选择203.1.1集散控制系统（DCS）203.1.2现场总线控制系统（FCS）223.1.3PROFIBUS-DP现场总线技术233.1.4本文选择的控制系统243.2 海上石油平台远程监控系统结构设计243.2.1基于PLC网络的集散递阶管控系统的设计25本章小结28第四章监控系统硬件设计294.1 工控机 IPC6908294.2 无线收发设备 SRM6100304.2.1SRM6100的特点及技术指标304.3 PLC的选型与研究304.3.1PLC概述304.3.2PLC的工作原理314.3.3本系统PLC的选型334.4 远程分布式I/O的选择364.5 传感器的选择374.5.1压力变送器的选择384.5.2温度变送器的选择394.5.3液位变送器的选择404.5.4涡轮流量计41本章小结41第五章控制算法设计与研究425.1 控制策略研究425.2 PID控制理论435.3 模糊自适应PID控制算法445.3.1模糊PID控制介绍455.3.2模糊PID控制器原理455.4 模糊自适应PID控制器设计465.4.1确定系统的输入输出变量465.4.2PID参数模糊调整规则475.4.3模糊推理及解模糊化48本章小结52第六章监控系统软件设计536.1 编程软件STEP7536.1.1硬件组态546.2 组态软件设计576.2.1WINCC系统构成及功能介绍586.2.2WINCC与PLC的通信596.3 WINCC监控界面设计606.3.1登录界面的设计606.3.2主界面的设计606.3.3原油处理616.3.4污水处理626.3.5海水处理636.3.6卫星平台监控636.3.7阀门监控646.3.8泵监控646.3.9罐监控656.3.10归档666.3.11报警66本章小结67总结68参考文献69致谢71第一章 绪论第一章 绪论1.1课题研究背景及意义随着全球工业化的发展，能源短缺的问题日益突出。油气作为国家的战略资源，在国民经济中占有重要地位。海底蕴藏着丰富的油气资源，具有重要的开发潜力和战略意义。据统计，世界油气远景面积7746.3万平方米，其中海底约2639.5万平方米，占整体的34%。海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，海洋天然气储量约140万亿立方米。世界各国均十分重视对海洋资源的开发和利用，因此海洋石油钻采技术与设备发展十分迅速。随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台得到了广泛应用。海上石油平台是高出海平面的一种海洋工程结构，是进行海洋油气资源开发的生产基地。它为开发和利用海洋资源提供海上作业与生活的场所。海上油田的采油平台由多口油井、计量站、管汇阀组、转油站、联合站、原油外输系统、油罐以及其它分散设施组成，那么整个采油平台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。目前采油平台日常的生产管理方法是，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广，这种方式必然使工人劳动强度加重，并且影响设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。目前，国外海上油气田和国内油气田大多数都采用有人值守的采油模式，这些平台结构复杂，造价昂贵，而且是相对独立的完整体系，适用于产量集中，海域水深较深的条件。随着技术的不断发展，考虑到海上采油行业环境的恶劣以及油田产量逐渐减少等问题，海上采油平台越来越多的采用无人职守的方式进行生产，一些小平台没有必要用人工进行现场监控和操作。针对海上这一特殊情况，为方便油田管理，准确录取资料，防止出现重大事故，实现无人值守采油模式，海上石油平台的远程监控是实现无人值守模式的技术保障和前提，实现海上石油平台的远程监控系统对于海上石油开发具有重大的现实意义。1.2 远程监控技术概述71.2.1远程监控原理远程监控是建立在现代的计算机技术、通信技术、控制技术以及图形技术上的一个新的应用。从远程监控的字面意思来理解，远程指的不是近距离的，监控指的是监测和控制，监测和控制的对象是一个物理系统，如大型机械、生产线、水电站等等，它们由计算机系统进行控制和管理，因此远程监控是监控计算机系统的运行情况。确切的理解，远程监控是指本地计算机系统通过网络系统对远端的控制系统进行监测与控制，如基于Internet的远程监控系统是指以Internet作为通信平台的监控系统。远程监控是指利用计算机通过网络系统实现对远程工业生产过程控制系统的监视和控制，能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。远程监控技术是远程监测与控制技术的结合，是本地计算机系统通过网络系统对远端的控制系统进行监测与控制1。远程监控系统可以划分为：远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现场设备监测与控制系统三部分2。各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制。其运作过程如图1.1所示：远距离数据传输系统现场设备监测控制远程监控终端系统控制数据流状态数据流 图1.1 远程监控系统模型（1）远程监控终端系统远程监控终端系统是用以与现场设备进行交互的远程接口。从功能角度来看，主要包括远程设备状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参数和状态数据进行必要的处理，以及其他操作。目前，由于PC机的广泛应用和价格越来越低廉，并且用于远程监控的PC机远离工业现场，所以基于PC机的远程控制端软件技术发展迅速，PC机成为远程监控终端系统的主要操作平台。（2）远距离数据传输系统远距离数据传输系统作为远程控制的信息的传输通道，进行各类控制数据、监测数据和图像的传输。传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的操作措施;另一方面传输系统将监控端的控制信息反馈到现场的控制主机，使主机能对设备进行实际的控制。（3）现场监测与控制系统现场监控系统是直接对现场设备进行监测控制的系统。在整个远程监控系统中，现场监控系统根据远程监控终端的控制数据对设备进行控制，实时监测设备的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到远程监控端。1.2.2远程监控的分类假设下面各种类型的监控方式中的被控对象是设备，则根据其控制方式可以将远程监控进行如下分类3：（1）保持型的远程监控方式远程监控仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这样就要求设备不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。这种模式可实现远程设备的无人控制，可应用于危险环境和人力不能到达的地方等。（2）完成型的远程监控方式远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程监控系统报告。设备的操作控制完全在本地进行，设备在本地操作人员的监控下完成任务。（3）完全型的远程控制方式设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控系统完成。在这种方式中，设备控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内信号的传递速度要求很高，要求系统能够立刻对现场做出反应。这种控制方式用在一些特殊的行业。（4）人机交互式远程监控方式设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，即设备在远程监控系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务执行过程中，可随时建立连接进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在远程监控端采集。这是目前使用比较多的一种监控方式。1.2.3远程监控系统的发展（1）集中式控制(Direct Digital Control，DDC)系统六十年代至八十年代初是集中式监控发展的应用时期，实现从传统模拟仪表控制向数字控制的转变。在这个系统中，几十个甚至几百个控制回路和上千个过程变量的显示、操作和控制都由一台计算机完成。这种集中式控制系统比传统的模拟仪表控制优越，其控制功能齐全，而且可以实现模拟仪表难以实现的功能。但是存在两个突出的问题，第一是可靠性问题，由于所有被控设备的过程监测、数据采集、报错记录和过程控制等功能都由一台计算机完成，故障的危险就都集中到这一台计算机上了，这一台计算机一旦出现故障，将导致整个系统瘫痪。第二是处理速度问题，计算机的处理速度越快，在一定时间内管理的设备越多，然而任何计算机的处理速度都是有一定限度的，当控制系统过大、被控设备和测点太多时，一台计算机往往不能满足要求1。为了满足工业控制的要求，通过选用高可靠性计算机、采用计算机系统结构模块化和冗余计算机等有效措施，集中式监控系统的可靠性有了很大的提高，因此获得了广泛的应用。特别适用于小型工厂或被控设备不太多的生产装置，至今仍有应用。（2）集散式控制(Distributed Control System，DCS)系统集中式监控系统毕竟存在重大缺陷，必须寻求一种更为可靠有效的控制系统。20世纪70年代中期，随着电子技术的发展和提高，工业控制从早期的本地控制、集中控制发展成为目前应用广泛的集散控制系统(DCS)1。DCS是一种控制系统结构形式，其核心思想是分散采集和控制，集中监视操作。早期各DCS厂家自己开发操作站的硬件、操作系统、监视软件，通信网络基本上都是轮询方式的；80年代通信网络较多使用令牌方式；90年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有的部分遵循TCP/IP协议，有的开始采用以太网。20多年来，DCS己经广泛应用于各工业领域，成为工业控制系统的主流。目前我国市场上主要有三种类型的DCS产品，它们是仪表型分散控制系统、以可编程控制器PLC为基础的分散控制系统和以PC总线为基础的分散控制系统。虽然DCS技术已经发展到相当成熟的地步，但它仍存在一定的缺陷。（3）现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)随着计算机和网络技术的发展，控制领域出现了一种新型控制系统体系结构现场总线。现场总线是对DCS的拓展，突破了DCS相对封闭的限制。较之传统的DCS，它具有总线式结构、开放互操作性、彻底的分散控制、可靠性高以及信息综合，组态灵活等突出的优点1。现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。但是，目前的现场总线技术仍具有很大的局限性，在全开放、全分散控制等方面，仍存在许多需要解决的问题。首先，在目前的现场总线控制系统中，大多数是低速现场总线，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，主要用于数据采集和控制信号的输出，并实现PID控制等一些简单的控制算法。复杂的控制功能，如预测控制、神经网络控制、系统优化等，仍需要在PC机或工作站上实现。其次，由于现场总线位于整个系统的最低层，只是系统的组成部分，仅用现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。同时，市场上已经出现了几十种现场总线。由于每种现场总线代表着不同厂商的利益，各大厂商进行了激烈的市场竞争，这些现场总线很难实现统一。由于竞争激烈，有八种总线成为国际电工委员会现行的现场总线技术标准。这表明了在现有的产品结构和应用水平上，现场总线领域已经很难统一，导致其不易广泛应用。人们期望的一种现场总线一统天下的局面并没发生，这让许多用户感到失望。（4）工业以太网控制系统以太网进入工业控制领域可以带来很多好处，尤其具有相当高的数据传输速率，能提供足够的带宽;因具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易与互联网或者信息网络集成；能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网平台或基础构架;沿用多年，己为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。以太网络作为控制网络的发展趋势，其最大的优势还在于它应用的广泛性。作为控制领域主流网络技术的以太网，经过十几年的发展，己经形成了十分巨大的硬件、软件资源，很多成熟的技术和产品都可以在工业以太网上直接加以借鉴或移植。另一方面，从事该领域研发和应用的人员与从事现场总线领域的技术人员比起来要多得多，这就为工业以太网络的研究、开发、设计、运行和维护以及它的日益广泛的普及提供了非常坚实的基础。1.2.4远程监控技术的研究现状随着经济的全球化和信息技术的广泛应用，计算机网络得到飞速的发展，网络技也得到广泛的应用，建立远程监控系统己是一个必然趋势。远程监控技术是计算机网络技术和监控技术的结合。目前，远程监控技术在医疗诊断中的应用、发展较为完善，但在工业控制、设计行业的发展和应用则较为缓慢。监控技术经历了三个发展阶段：单机监控系统，即用单台计算机进行设备的监控集中式监控系统；由多台计算机组成，由其中一台计算机对其他多台计算机进行监控集散型监控系统；网络范围内的远程监控。现在，远程监控技术正处于积极研究发展、应用的探索中，并且己有相应的应用系统使用。对于远程监控技术，国内外都展开了积极的研究。国外对远程监控技术的研究起步较早，1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，这次会议得到了制造业、计算机厂商、网络行业和仪表行业等许多大公司的热情支持，如Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等。随后，由这些公司合作共同推出了一个实验性的系统TESTBED，该系统可以初步在Internet网络中实现信息监控和故障会诊，但该系统实验结果与设计目标相去甚远，只是起到了一种研究的作用。在国外，对远程监控技术的研究已从理论研究阶段过渡到开发应用阶段，如已成功地应用在输油管线的远程监控、工业过程远程监控以及楼宇的智能化监控等系统中。目前，我国正处于Internet发展的初级阶段，对于远程监控技术也展开了积极的研究，主要集中于各大学。如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统(RMMD)”，华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统(KBGMD)”，哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统(MMMDES)”，合肥工业大学的“全球范围的智能网络数控系统(INET-CNC)”等。当前远程监控技术的发展有如下特点:（1）硬件、软件采用模块式、分布式结构性能良好的操作系统、数据库管理系统以及成套的软件开发包为用户的开发和使用带来了极大的便利，并逐渐走向开放化、标准化。（2）通信网络化和通信网络技术的应用使得设备之间及设备与监控计算机之间的信息交换更方便。（3）通信质量的提高对远程监控系统有重大影响，目前许多单位都在对如何提高通信质量问题进行研究。（4）工作站采用高性能的微机，高性能微机处理能力强、速度快、容量大而且有支持多网络的特点，为提高系统运行和联网性能奠定了基础。远程监控能够实现信息的快速采集、综合处理，利用及时的信息提高管理决策水平。随着社会生活的自动化，特别是一大批智能设备的出现，远程监控的应用领域将越来越广。1.3海上油田监控系统的发展现状油气田自动化技术的基本内容，一般来说就是采用合适的自动化设备对生产过程进行监测、分析和控制。它包括采油、注水、集输、油气水处理和油气储运这几个过程，这些过程的完成首先需要借助于安装在油水井、采注计量站、接转站、脱水站、含油污水站、原油稳定站、天然气处理站、注水站、油库中的工艺设备，以及连接这些站间的管线来实现，但要很好地完成生产任务，仅靠这些工艺设备还是不够的，还需要有各种自动化设备以及生产的操作和管理人员。海上石油天然气行业工业监控系统应用具有以下特点：（1）采油平台之间距离一般比较大（几公里至几十公里），因此要求长距离传输；（2）井站的无人值守远程控制决定了要具备能抵抗恶劣天气环境的能力；（3）整个系统庞大，监测井站数量多，要求通信系统速率要高，轮询响应时间快；（4）石油天然气行业为国家的能源基础，其所采用工控系统都是最先进可靠的设备，所以作为整个系统的关键部分，通信链路也必须要可靠稳定且性能优异。随着油田现代化管理进程的不断加快，迫切需要一种全天候、24小时无人值守的监控方式，以保证采油井、输油管和储油罐不会因为复杂的工作状况、工作人员的违章操作等的影响，造成不必要甚至是巨大的损失。油田生产过程自动化系统可分为两大组成部分：一部分是SCADA（过程监控与数据采集系统）或DCS（分布式控制系统），这也是石油行业自动化生产的两种基本模式；另一部分是用来保护工艺设备、人身安全、保护环境、减少和避免事故发生的ESD（紧急关断）系统，以及满足油田生产需要的变配电和通讯系统的自动化。油田自动化中多年来一直由分散控制系统（Distributed control system,DCS）占主导地位。1.3.1国外海上油田监控技术国外从事海上石油开发以近百年，迄今积累了丰富的经验。他们在各种设施、装备上广泛地应用了自动化仪器仪表，生产和管理的自动化程度很高，他们不是盲目追求先进的技术，而是在保证安全、可靠、经济合理的前提下，采用先进的设备4。80年代的滩海大型平台自动化系统由过程控制、紧急停车、火灾可燃气体检测、海底控制、流量计量和监控（SCADA）系统构成。90年代以来，显著变化是3个主要的子系统（紧急停车、火灾可燃气体检测和海底控制）均集成于平台控制系统（DCS）之内，而并非直接集成于监控系统。这种做法，可使关键的数据在“单窗口”操作员工作上显示和控制，提高了工作效率。90年代另一增长趋势，是通过以太网联络联结监控计算机和DCS，陆上和海上网络间采用无线通讯。日趋成熟的“现场总线技术”可望取代长期为人所接受的420mA类标准5。东南亚D35海上油气田是壳牌（SSB）首次将油和气进行整体开发的项目，水深约45m,由数座生活平台、一座油气处理主平台、一座钻井、和一座立管平台组成。它采用Fisher-Rosmount提供和安装的海上DCS系统，配套包括智能仪表和一整套的RS3在内的先进设备。这套DCS系统作为全站和过程自动化的中枢核心，由下面3部分组成：各I/O模块，它们与模拟、离散和智能三者的就地摸件连接；各控制器，提供算法和实施控制策略；以CRT为基础的窗口，用于操作员。它还可对上开放，与站内的管理信息系统联接。整个系统硬件连接点和系列I/O点总数约10000个。RS3有200多个过程图形和系统功能帮助操作员进行管理，为整个D35的生产提供了大信息量的高效型控制和监测。另外，北海北部的海上平台、波斯湾南岸的迪拜海上油气田、美国普鲁德霍湾油田这些平台结构很复杂、是相对独立的完整体系。平台上装有油气水处理设置、钻井设备、油气存储、水和天然气的回注装置及发电机等所有设备都安全置于海上的钢结构平台上，这些平台都实施了自动化程度较高的管理。1.3.2国内海上油气田监控技术国内海上油气田处于开发初期，在中国的大陆架上发现了大量的石油资源。现在开发的仅有渤海、南海的油田。在已开发的渤海、南海等大油田的采油平台，由于其水深、离陆地较远的原因，全部采用的是国外的采油模式进行采油，有人值守，平台面积较大，设备多而复杂，自控程度较高6。在埕岛油田，提出了一套全新的卫星平台无人值守、中心平台少人值守的生产模式，为达到这个目的，先进的自动化系统是保证。1.4论文完成的工作本论文主要完成了以下几方面工作：（1）通过分析油井平台的工艺流程，建立完整和实用的采油平台的监控需求。（2）深入分析了国内外油田的监控系统现状，应用PLC与微机相结合的方法，采用以PLC为核心的远程终端（RTU）的设计，完成DCS系统模型设计。（3）选用西门子公司的STEP7对中心平台和卫星平台的PLC进行编程设计。（4）采用模糊PID控制理论，设计控制算法，实现液位、温度等的高效、准确控制。（5）介绍整个监控系统需要的硬件设备，包括无线电台、传感器等。（6）选用WinCC组态软件设计平台监控组态画面。本论文首先对课题背景进行了阐述，结合无线通信技术，采用PLC与微机结合的方式设计了海上采油平台无线监控系统。本章小结本章节首先阐述了本课题研究的背景及意义，然后说明了远程监控技术的原理、分类、发展史及国内外的研究现状，同时也分析了目前国内外海上油田监控技术的发展现状，最后，对本论文即将要完成的工作给予了说明。第二章 课题背景第二章 课题背景2.1海上油气集输系统海上油气田的集输系统要根据采油方式、油品性质以及投资回收等问题进行确定，下面仅介绍一种典型的原油集输系统7。（1）油气的开采和汇集海上油气的开采方式与陆上基本相同，分为自喷和人工举升两种。目前国内海上常用人工举升方式为电潜泵采油。由于电潜泵井需进行检泵作业，因此平台上需设置可移动式修井机进行修井作业，或用自升式钻井船进行修井。采出的井液经采油树输送到管汇中，管汇分为生产管汇和测试管汇。测试管汇分别将每口井的产出井液输送到计量分离器中进行分离并计量。一般情况下，在计量分离器中进行气液两相分离，分出的天然气和液体分别进行计量。液相采用油水分析仪测量含水率，从而测算出单井油气水产量。生产管汇是将每口油井的液体汇集起来，并输送到油气分离系统中去。（2）油气处理系统从生产管汇汇集的井液输送至三相分离器中，三相分离器将油、气、水进行初步分离。分离出的原油因还含有乳化水，往往需要进入电脱水器进一步破乳、脱水，才能使处理后的原油达到合格的外输要求。分离出的原油如果含盐量比较高，会对炼厂加工带来危害，影响原油的售价，因此有些油田还要增加脱盐设备进行脱盐处理。为了将原油中的轻烃组分脱离出来，降低原油在储存和运输过程中的蒸发损耗，需要进行原油稳定，海上油田原油稳定的方法采用级次分离工艺，最多级数不超过三级。处理合格的原油需要储存。储存的方法一般有两种：一是在平台建原油储罐，另一种是在浮式生产储油轮的油舱中储存。一般情况下，海上原油的储存周期为 710天。储存的合格原油经计量后可以用穿梭油轮输送走，也可以建长距离海底管线直接输送到陆上。分离器分离出的天然气进入燃料气系统中，燃料气系统将天然气脱水后分配到各个用户。平台上的用户一般为：燃气透平发电机、热介质加热炉、蒸气炉等。对于某些油田来说，天然气经压缩可供注气或气举使用。低压天然气可以作为密封气使用，也可以用做仪表气。多余的天然气可通过火炬臂上的火炬头烧掉。分离器分离出的含油污水进入含油污水处理系统中进行处理。（3）水处理系统水处理系统包括含油污水处理系统和注水系统。常规的含油污水处理流程为：从分离器分离出来的含油污水首先进入斜板隔油器中进行油水分离，然后进入气浮选器进行分离，如果二级处理后仍达不到规定的含油指标时，可增设砂滤器进行三级处理，处理合格后的污水排海。近年来发展了水力旋流器处理含油污水。水力旋流器处理量大，占地面积小而得到广泛使用，但对于高密度稠油油田的含油污水处理效果不好。注水系统从注水的来源不同而分为三类：注海水、注地层水和污水回注。海水注水系统是海洋石油生产的一大特色。海水通过海水提升泵抽到平台甲板上，经粗、细过滤器过滤掉悬浮固体，再进入脱氧塔中脱去海水中的氧，脱氧后的海水经增压泵，注水泵注入到地层中去。近年来由于环境保护的要求，经处理后的含油污水也回注到地层中去。水源井注水是从采水地层，利用深井泵将地层水抽出，经粗、细过滤器滤掉悬浮颗粒达要求后，经注水泵将地层水注入到油层中。2.2海上石油平台的组成和运行埕岛油田海域水深10m左右，年产油200万吨。整个埕岛油田由两座中心平台和36座卫星平台构成。卫星平台无人值守，中心平台少人值守。卫星平台之间和卫星平台到中心平台之间供电采用海底电缆，油气输送采用海底管道来完成。卫星平台上有采油树、配电室、加热设备、计量设备、安全检测设备等，完成油气的开采、计量、加热、输送等过程。在这些设备上分布着众多的检测和控制点，如计量分离器液位、液位开关，加热器温度检测、调节、开关控制，采油电泵的电流、电压检测，缺相、短路检测，遥控开关井等6。中心平台接收卫星平台来油，在中心平台完成油气水分离、天然气发电、原油外输、注水水质处理等过程。 在中心平台上监控系统要求的功能较强，逻辑关系较复杂。2.3现场监控需求分析根据采油平台的生产工艺，控制系统的预期设计应实现对以下监控参数的监控，实现完善的系统功能，同时具备三种操作方式：自动、软手动、现场手动。2.3.1系统监控参数的确定第一类是安全生产必须的：温度、压力、液位高低限报警，电泵停泵报警、遥控电泵启停，遥控关闭井上井下安全阀及遥控紧急关断，火灾、可燃气体检测报警，消防等。这类参数对安全生产至关重要，一旦发生异常应及时处理，否则，将造成油井停产和重大事故的发生，必须进行监测控制。第二类是生产管理需要的：油温、油压、回压、套压、井下压力和温度、注水压力、电泵运行参数、油气水计量、注水计量等、海管干温、干压、流量、密度。这类参数对生产管理和地质研究是必需的，需要进行测控。由于卫星平台数量多且分散，耗费大量的工程投资，又难以管理，因此，测控的主要对象是卫星平台，卫星平台的测控参数为：井口：油温、油压、套压、安全阀压力检测，观察井的井下压力、井下温度检测，遥控关闭井口、井下安全阀，电泵或螺杆泵的电流、电压、运行状态监测、停泵报警、遥控启停。分离器：液位检测、液位高低限报警，压力检测、压力高低限报警。汇管油温检测，汇管压力检测及高低限报警，海管流量及密度。注水压力检测，水量计量。油、气、水自动计量。电加热器出入口温度检测、报警、控制。 平台汇管出口紧急关断。可燃气体检测、报警。火灾检测、报警。2.3.2系统功能需求1、数据采集及归档功能目前，海上生产以电潜泵和螺杆泵井为主，因此，机采井的管理是油田生产管理最为关键的环节。海上自动化系统应充分考虑到这个因素，每口电泵井都安装三相电流传感器、电压传感器、运行状态监测、油压、套压、回压压力变送器、油温变送器、启停控制装置，以及保护中心装置；每口螺杆泵井安装电流传感器、电压传感器、启停控制装置。实现机采井泵的远程启停、超限报警停机和油井的油压、套压、回压、温度数据实时检测，使管理人员能及时了解电泵、螺杆泵的生产状态，包括电泵井的缺相、短路、过载、欠载以及螺杆泵井供液情况，为机采井的优化管理提供可靠的技术支持。还可采集海底管线压力、温度、流量、密度、电加热器进、出口温度、分离器压力、井下压力等生产参数。2、视频图象采集要求每座井组卫星平台设置有4台摄像机，其中2台防爆摄像机分别安装在计量平台设备间顶上和井口平台，用于室外监控，2台室内快球分别安装在高压和低压设备间，采用吸顶式安装，这样可覆盖整个卫星平台。要求视频图象能够传输到中心平台监控中心。3、对采油平台工艺流程的控制功能（1） 计量分离器控制计量分离器的压力、油水室液位维持在一定的值，分离效果最佳。在计量分离器上装有一体化压力变送器、液位传感器以及相应的调节阀。（2） 开关井控制每口电泵井都安装了三相电流传感器、电压变送器、运行状态检测、油温传感器、启停控制装置，以及保护中心装置；每口螺杆泵井安装了电流传感器、电压变送器、启停控制装置。可实现机采井泵的远程启停。（3） 三通阀选井控制通过控制三通阀的旋转方向，确定走计量流程的油井，对油井进行计量。（4） 紧急切断阀控制在平台原油汇管入海管处设紧急关断阀，能达到平台与海管隔离的目的，将可能出现的污染降低到最低程度，保证平台安全生产。（5） 安全阀的监测及关断控制在井口井下安全阀控制柜上装有压阻压力变送器和紧急关断阀，实现对油井安全阀压力的检测（设定上限5500PSI，下限3000PSI报警）和安全阀的摇控紧急关断。平台油井的安全阀系统不能通过平台可编程控制器自行关断，只有在非常紧急的情况下， 由陆地站或中心平台站向平台RTU发出关断命令并确认后而关断，排除了可能的误报警自动关断。安全阀关断控制是一种人为参与综合分析处理的结果。安全阀关断的程序：对机采井先自动停泵，再控制关闭井口井下安全阀；对自喷井，直接控制安全阀关闭。安全阀释放或紧急切断阀关断相当于卫星平台紧急停车，为防止误动作，因此要求操作员在180s内连续发3次命令确认。（6） 电加热器的控制对电加热器进行控制，以保证电加热器出口的原油维持在一定的温度。4、安全监测主要是可燃气体监测、火灾报警监测、井下安全阀状态监测等。5、报警功能电流异常趋势报警通过机泵（电泵或螺杆泵）电流可以判断其状态，在出现故障时，通过分析电流曲线，工作人员可以判断机泵的故障原因，便于快速处理，减少事故停产时间。电泵、螺杆泵电流异常趋势软件就是专为分析电泵、螺杆泵运行状态开发的。状态报警：包括电泵缺相、短路报警，分离器高、低液位报警，三通阀状态报警等。6、单井液、气量计量功能在采油平台安装井口电动三通阀、液气两相分离器（通过浮球控制的三通调节阀实现气液分流，实现分离）、质量流量计、旋进旋涡流量计，实现遥控自动选井计量。计量时，质量流量计计量液体，旋进旋涡流量计计量气体，并且将检测采集到的数据发往中心平台和陆地站。对油井含水问题的处理，由平台巡井人员定期取油样化验，并将化验结果定期存入计算机处理，从而实现油气水三相计量的目的。在操作站上发计量开始命令，通过对液量、密度、温度、气量进行数据采集，并对液量和气量进行累计得出液量、气量累计值。7、有为油田开发数据库提供数据的功能陆地中心站计算机通过无线信道调取各中心平台站及卫星平台站的信息。通过接口软件为油藏描述、数值模拟和管理信息系统提供实时数据。2.3.3控制系统操作方式需求1、自动流程方式自动流程方式指在计算机监控画面上用键盘或鼠标操作流程的自动启动和自动停止，它是控制系统工作的主要方式。主控室控制柜面板上“计算机自动现场手动”操作开关打向计算机自动方式，系统受自动控制装置监视控制。监控程序进入自动流程操作画面，操作员在工控机的CRT画面上进行流程操作。用键盘或鼠标选择工艺流程控制参数后，连同启动或停止流程命令传送给下位PLC，PLC运行梯形图程序，选择流程路径，控制系统自动启动流程或停止流程。在流程的各个运行阶段，系统随时检测流程故障，有故障发生时，进行报警，并根据故障种类进行相应的故障处理。另外在自动流程画面上有紧急停止按钮，在系统出现重大险情时，按此按钮，可使所有运行设备立即停止。2、软手动方式软手动方式指在计算机监控画面选中单台设备进行点动操作。软手动方式用于检测设备起停是否正常，为系统为维护和调试提供方便的手段。计算机监控制方式下，上位机监控程序进入点动画面进行点动操作。操作员在上位机CRT上，利用鼠标对选择设备，在弹出的对话框中选自动或停止。上位机即将命令传送给下位PLC，启动或停止设备。3、现场手动方式此方式指在设备现场通过现场开关或按钮直接操作设备。此方式用设备调试和维修，在系统调试和投入运行之前，检验设备安装和接线是否正确，投入运行之后，检测设备故障。设备现场(现场控制箱)的“自动手动”选择开关打向现场手动，现场设备线路和PLC控制系统断开，不受PLC控制，直接由接线控制，由现场开关控制启动及停止。另外某些特殊设备有紧急停止开关，在紧急情况下，拉动急停开关，设备立即停止，PLC检测到此信号后，按设备故障处理。4、报警联动方式图象传输系统和SCADA系统紧密结合，当现场有事故即将发生时，必然在工艺系统有所反应，将这些工艺参数的报带与图像报警捆绑，这样在事故发生时，可迅速触发图像报警，现场摄像机会自动对准出事地点，并自动调焦进行录像。2.4系统通信方式选择目前国内监测系统产品有多种，其本质上的差异是由它们所采取的不同通信方式决定的。随着电信技术的迅猛发展，可用于监控管理的通信方式有多种，一般可分为有线通信和无线通信方式，无线通信方式中可以分为专用网络和共用网络，常用到的有微波、无线集群、GSM 短消息、CDMA 和 GPRS 通信方式8。2.4.1有线通信方式有线通信方式只适应于小范围的监控系统，连接对象位置固定。分散的大范围的监控管理采用有线通信方式比较困难，其通信位置的固定性无法解决采油平台布局随着产量变化而变化的要求。在海上油气作业，有线通信主要存在以下不足：（1） 有线通信的开通必须架设电缆，如果铺设海底电缆将会花费一笔很大的费用，也会为将来维修工作带来很大的麻烦；而无线链路则可以随时架设，随时增加链路，安装方便，线路开通速度快。（2） 一般有线通信的质量会随着线路的扩展而急剧下降，到四公里左右已经无法传输高速率数据，或者会产生很高的误码率；（3） 有线数据传输网络的系统扩充性较差，原有布线所预留的端口不够用时，再增加新的监测分站就会遇到重新布置线缆繁琐、施工周期长等麻烦；无线网络扩充性较强，可以迅速组建起通信链路，如果增加智能监测分站无需重新铺设电缆。（4） 有线链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而无线通信只需维护扩频设备，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。正因为上述有线通信与无线通信的比较，我们可以得知，在海上石油平台间利用无线通信方式实现平台间的数据传输比有线通信安全、方便、稳定和快捷。下表为监控系统有线通信与无线通信方式的区别对照表。表2-1 监控系统通信方式性能对比表通信方式可靠性可移动性运行成本维护成本通信延时覆盖范围有线通信高差低高短小无线通信低好高低长大2.4.2常用无线通信方式无线网络是利用无线电波来实现计算机设备网络数据传送的系统。它是一种灵巧的数据传输系统，是从有线网络系统自然延伸出来的技术，使用无线射（RF）技术通过电波收发数据。最新的无线技术的应用使得高性能、低价格的无线网络应用成为可能，给人们的工作、学习和生活带来很多便利。现在无线通信已经在全球范围得到了迅猛发展，采用无线手段提供数据业务的应用成为新的通信热点。下面对几种无线通信方式作简要描述，结合本设计情况，选择最适合系统的无线数据通信技术。常用无线通信方式分为专用网络和公用网络。1、公用通信网络（1） GSM 接入技术GSM 的英文全称为 Global system for Mobile Communications，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术。该技术已成为全球最大的移动通信系统，是目前个人通信的一种常见技术代表。GSM 数字网具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准8。SMS（Short Messaging Service，短消息服务）是一种使得移动设备可以发送和接收文本信息的技术。短消息传输仅限于一个消息，一个消息的传输就构成了一次通信。GSM 适合于话音通信，虽然通过 SMS 短信也能实现信息传递，但这种通信方式只适合用于数据流量小，即实时性要求不高的场合。（2） GPRS 技术GPRS 的英文全称为General Packet Radio Service，中文是通用分组无线业务的意思，这种无线业务是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务，它是利用了“分封交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。GPRS 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。GPRS 技术能让通信永远在线，GPRS 的实时功能可以使诸如新闻标题、比赛成绩、交通路况和参数信息等重要数据均可在语音呼叫之外的一个独立的信道自由进出而不影响正常的通话，GPRS网络的传输速度最快将达到115K，其上网速度比家用电脑使用的56.6kbps 调制解调器上网速率还要快；其收费方式是以流量的多少计算费用，用户只需按实际传送的数据量付费9。（3） CDMA技术码分多址（Code-Division Multiple Access）是数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术，它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA 网络在我国建设较晚，始于 2002年，发展迅速，目前正由大中城市向周边覆盖，但在偏远地区还没有覆盖8。2、专用网络通信（1） 无线数传电台数传电台（data radio）是数字式无线数据传输电台的简称。即采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错等功能的无线数据传输电台，可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务，是一种在工业测控中常用的无线通信方式，但其通信范围与设备功率有关，有一定的适用范围，无法满足大范围通信距离不等的数据传输要求。此外需要每年向无线电管理部门交纳一定金额的无线电管理费用。（2） 无线集群通信方式无线集群通信需要较大规模的投资建设，与公用通信网络相比，存在几个致命缺点：集群移动通信系统属于专用移动通信网，需要大量的建设资金投入，建设周期较长，保养与维护不便。由于专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制。（3） 无线微波设备微波扩频通信技术特点是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理，然后在某个载频进行调制以便传输，其传输距离及范围与设备的功率有关1011。微波通信可用于点对点或点对多点的工作环境，提供标准接口，可以直接和计算机连接，实现数据的透明传输。采用 2.4GHz 工业频段，接收灵敏度高，技术成熟，组网时根据实际情况架设天线，根据规模大小，可以按实际情况配置微波设备的数量。下面是几种无线通信方式的性能对比，见表 2-2。表2-2 无线通信方式性能对比表通信方式可靠性覆盖范围传输距离通信延迟运维成本微波好小近低高数传电台较差小近低高无线集群一般较大中低高CAMA好较广远高低GPRS好广远较低低SMS好广远低低以微波作为采油平台实时监测系统中的通信信道，其优点是：覆盖范围大，易组成网络；传输容量大、质量好；通信速率高，实时性好；通信稳定可靠，抗干扰能力强，不受地形和地域的限制；无需交无线电管理费。考虑到现场周围环境的特点，GPRS在海上覆盖范围不够广泛，常年的使用费用较高，系统方案确定采用微波通信，通过在无人值守采油平台和采油中心平台之间架设微波网络，实现大容量的数据传输。2.4.3本文选择的无线通信方式综合上述分析，本文采用的是微波通信。本系统包括一个主站（中心采油平台）和2个子站（卫星采油平台），通过无线调制解调器构成一个无线通信网络，对两个卫星平台的数据信息进行采集、传输、处理和控制。卫星平台的各个数值经PLC采集后，传至无线调制解调器。然后经过无线传输将数据传给中心采油平台，中心平台可分别与不同的卫星平台建立联系，查询各测点的数据12。无线监控系统结构图如图2.1。图2.1 无线数传系统结构图无线通信选用工作在2.4/5.8GHz频段的扩频微波技术。基站总线传输速率为3MbPs，适合于任何流行的网络操作系统，并可以承载多媒体传输的高速率要求，无轮询系统的等待时间，采用点对点的通信模式，适用于实时数据传输保密性和抗干扰性强的场合，无须申请专用频点，设计传输距离大于100Km。2.4.4微波扩频无线通信协议微波扩频技术是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式，即将传输信息所使用的射频带宽扩展为原始带宽的10倍至1000倍以上，发端通过扩频技术将频谱展宽，收端通过解扩技术还原成相应带宽的信号。在远程监控传输系统中使用最多的是直接序列方式。所谓直接序列( DS) 调制扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱。扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去。在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原来的窄频谱信号。利用该技术能够非常容易地实现高频远距离传送13。本系统要实现卫星平台与中心平台和中心平台与陆地中心站之间的数据传输，就要解决目标站点的识别和终止的问题。同时，为了保证数据高效正确的传输，还要进行流量控制和纠错控制。这里将介绍本系统