海上油田电潜泵工况远程监控系统设计

李志鹏

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452)

海上油田电潜泵工况远程监控系统以海洋石油内部以太网作为媒介进行数据远程传输，并在中心平台或陆地设置数据监控服务器，从而实现对海洋石油平台生产现场的机采井电潜泵及井下泵工况数据进行实时采集、动态监控及数据管理分析。该系统的应用能够有效减少油井生产故障应急处理时间，降低电潜泵故障率；并且根据数据分析，实时调整生产状态，不但能够提高油田生产效率、降低劳动强度、节约成本，而且能够提高决策的科学性，从而为企业增强了核心竞争力，实现了对现有人力资源的合理调配和对整个生产过程的自动化管理，最大限度地开发利用了油气田的各种资源，达到集约化经营与决策的管理目的。系统监控软件可为用户提供监控操作界面，所有系统功能将通过操作界面完成。

1 海上油田电潜泵工况远程监控系统架构设计

远程监控系统主要由以下四部分组成： 现场数据采集、数据通信、陆地或中心平台数据处理、客户端数据访问，海上油田电潜泵数据传输系统架构如图1所示。

图1 海上油田电潜泵工况远程传输系统架构示意

通过对平台机采井电潜泵控制系统相关设备的数据采集，远程监控系统利用平台局域网络将数据传输至中心平台或陆地服务器，再通过Web方式发布页面，各用户访问终端通过IE浏览器可对监控系统进行访问。

2 系统硬件及软件选型设计

2.1 硬件选型设计

2.1.1数据采集模块选型

数据采集模块采用西门子S7-300可编程序控制器(PLC)，S7-300具有多种通信处理器，用来连接AS-i接口，Profibus，工业以太网总线系统，点到点的通信系统；多点接口(MPI)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

2.1.2网络通信模块选型

网络通信模块采用西门子CP343-1Lean通信模块，CP343-1Lean适用于可接入工业以太网的SIMATIC S7-300。由于其自身备有处理器，从而解除了CPU的通信任务并有助于根据需要添加新的通信设备。

2.1.3监控服务器选型

监控服务器采用联想的ThinkStation E系列工作站，ThinkStation工作站拥有卓越的可靠性，该机型采用创新的散热设计以及经过优化的风扇部署技术，可大幅提高系统的散热能力，并减少硬件出现故障的风险，确保24 h高强度不间断工作。

2.2 软件选型设计

2.2.1数据采集及通信程序设计软件

数据采集及通信程序设计软件采用西门子STEP7 5.4编程软件，STEP 7具有硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等功能。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，可以方便地浏览SIMATIC S7的数据，实现各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。

2.2.2监控系统程序设计软件

监控系统程序设计软件采用西门子WINCC 7.0组态软件，WINCC是使用32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。通用的应用程序，内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便。

3 系统数据采集及网络通信设计

系统通信网络采用工业以太网，以太网较之其他类型网络技术具有明显的优势。另外，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、Internet的联系更为密切。控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，对现场设备通信能力的要求越来越高，这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。

在PLC中对以太网模块的硬件进行组态并做相应设置后，PLC中的现场数据将利用以太网模块构建的网络远程传输到陆地服务器，系统采集及网络通信结构如图2所示。

图2 系统采集及网络通信结构示意

陆地服务器通过直接访问平台上网络模块所设置的IP地址，可实现“一对一”的数据传输，保证了数据的安全性。

陆地服务器通过WINCC变量管理器与现场PLC数据地址连接，并利用Web服务器组件及TCP/IP协议将数据发布到局域网内，并可设置相应的用户权限，限制特定用户的访问，保障数据安全。客户端用户通过系统内的IE浏览器可实时访问平台油井的状态数据；并且服务器端可按用户需求对相关数据进行曲线显示或数学计算等处理，方便用户对数据进行分析。

4 系统软件监控界面功能设计

为了给系统最终用户提供更好的监控服务，系统软件将针对以下功能进行设计：

1)电潜泵运行状态显示及数据实时传输。运行、停机、故障状态显示；运行电流、电压、频率、电流不平衡度显示。

2)电机保护参数远程传输。过载、欠载设置；过压、欠压设置；电流不平衡度设置；短路电流设置。

3)数据曲线分析。电流曲线显示、电压曲线显示、频率曲线显示、数据曲线分时查看、曲线数据报表。

4)故障记录。电潜泵运行故障即时显示、历史故障数据记录。

5)单井数据远程监控。单井所有相关数据显示；单井控制，启/停、频率调节、参数设置。

6)本地限值参数设置。电流本地上、下限报警值设置。

7)井下泵工况数据实时传输及记录、泵吸入口温度、电机温度、泵吸入口压力、泵出口压力、电机振动、井底流量。

8)井口控制盘数据采集及记录。主阀、翼阀状态；井下安全阀状态；安全阀压力数据显示。

根据系统监控软件开发平台要求，系统监控服务器将采用WindowsServer操作系统，采用SQL Server 2008作为背景数据库，监控客户端为IE浏览器。利用WINCC开发平台实现系统监控界面的各项功能设计。并将所要设计的功能进行模块化。系统主要包括四个模块设计： 系统界面、系统硬件驱动及网络参数设置、系统变量分类统计、数据库及变量记录。

4.1 监控平台选择界面

监控平台选择界面为多平台界面显示设计，包括各平台油井生产运行情况统计信息。其中FPSO112是浮式生产储油卸油装置，可对原油进行初步加工并存储，被称为“海上石油工厂”。WGPA， WHPA， WHPD是海上石油生产作业平台，WHPC， WHPE， WHPF是海上石油生产无人值守平台。用户可根据具体情况，选择所要监控的平台。

4.2 运行数据监视界面

运行数据界面可监控电潜泵电机的运行状态、电机运行电流、电机运行电压、频率等数据。“红灯”为正在运行、“绿灯”为停机、“黄灯”闪烁为报警。该页面中还可查看各井电潜泵保护参数设置值，可针对油井当前运行状态指导现场保护参数的设置。

4.3 数据曲线趋势显示界面

运行数据曲线界面可查看所有井电潜泵的运行电流及电压曲线，记录时间间隔设置为1 min。界面顶端左侧可选择相应井号，右侧为标尺所在位置的曲线数据显示；界面底端可选择曲线显示时间段。曲线数据最长可记录1 a数据，数据超过1 a将滚动刷新，曲线数据可按表格形式分时间段进行存储。曲线底端工具栏从左至右功能依次为： 使用帮助，属性设置，向左移动x轴至顶端，向左移动x轴，向右移动x轴，向右移动x轴至尾端，曲线区域放大，移动曲线在坐标轴中的位置，移动y轴标尺刻度位置，还原曲线原始显示比例，选择曲线变量连接，选择所要显示的曲线，显示时间范围选择，顺序移动曲线显示位置，逆序移动曲线显示位置，暂停/开始曲线记录滚动，打印曲线，生成数据表，显示/关闭标尺等。

4.4 故障记录界面

该界面可查询当前电潜泵运行故障及历史故障，默认显示为查询当前故障。故障内容包括： 过载、欠载、过压、欠压、电流不平衡、短路、关断，显示故障的同时记录发生故障的时间及电潜泵运行数据；通过屏幕底端“历史故障查询”按钮，可查看曾经发生过的所有故障，最大可记录1 000条故障，超过则滚动刷新。

4.5 单井监视界面

通过井号选择，对单井所有采集数据及设备运行状态进行监控，并可进行启动/停机、频率调节、保护参数设置等操作。

4.6 本地阈值界面

通过本地阈值界面可在本地(服务器端)设置电流上、下限阈值，若电流超过上限或低于下限电流设置，系统将产生“本地过载”或“本地欠载”报警。该设置不影响现场保护参数设置值，报警也不会影响现场设备的运行状态。本地限值常用于本地监控人员对电潜泵运行电流的波动监控，可将本地限值设置更接近于实际运行电流，缩小报警范围。当电流有波动的情况下，系统可及时报警并提醒监控人员在最短时间内了解井下状况，跟踪监视并尽快做出指导处理。

4.7 报警提示功能

当发生故障报警时，无论是本地限值还是现场实际故障，都会在屏幕底部弹出报警确认窗口，并发出间断的“滴滴”声音，在底部滚动条上会显示当前哪口井发生了故障，提醒监控人员查看故障原因，当点击“报警确认”可消除报警音，在故障记录界面中可查看当前故障原因。

4.8 工况总览及工况记录

系统设计提供了泵工况等设备通信接口及组态界面，可查看所有油井泵工况实时数据及历史记录。

5 客户端监控功能设计

为了满足远程客户端的访问需求，系统设计可在任意一台海洋石油内部网络终端计算机上访问服务器数据，服务器将通过Web方式发布页面，用户可通过“IE浏览器”访问系统所有的监控界面。

6 结束语

数据远程传输技术满足了海洋石油中心平台对卫星平台的实时监控，也满足了陆地相关人员对海上数据的实时观测及分析。通过所得数据，能够更迅速地发现问题，并将分析结果及解决方案及时地反馈给相应平台管理者，对油井生产问题进行及时处理。