海上简易平台远程监控数据采集

胡永和

中海油信息科技有限公司天津分公司 天津 300452

引言

海油总提出渤海2019年实现5000～6500万m的宏伟目标，其中开发边际油气田是非常重要的组成部分。为了降低海洋石油工程开发成本，有效开发海洋石油边际油气田，探索低成本的简易设施设计技术是必由之路，这便对边际油气田的总体开发方案优化设计提出了很高的要求。

1 海上油气田监控系统的发展现状

海上油气田自动控制的基本内容一般是采用合适的自动化机械对生产过程进行检测、分析和操纵。包括原油处理终端、油气集输、天然气污水处理、油气储运等项目[1]。这种操作过程首先要安装在油深水井、注水计量站、转运站、脱干站、含油废水站、油稳定站、气溶站、石化站。但是，要有效地执行制造的日常任务，仅靠这种工艺技术可能还不够。必须有各种自动化机械，及其制造方法和管理人员。工业监控系统在海洋石油化工领域的应用具有以下特点：①海上平台之间的距离一般比较大（多少公里到几十公里），所以规定了远距离传输；②井站无人远程作业决策以具备应对极端天气和自然环境的能力；③整个系统庞大，检测井站总数多，通信系统要强，循环响应速度快；④作为我国不可或缺的资源，其所选择的工业系统具有极强先进性以及可靠性的设备，故而为核心部分，确保通信链路稳定性。伴随油气田现代化管理进程不断深入，现阶段继续一种能够实现全天候无人值守的监管方式，从而确保此类复杂工作得以简化，避免不必要的损失[2]。

2 系统需求分析

2.1 系统监控参数的确定

第一是安全生产必备：温度、工作压力、液位计限位报警、潜水泵停机报警、遥控潜水泵启停、遥控紧急停机、火灾事故、易燃气体检测报警、消防安全等。第二类是企业生产管理所必需的：温度、压力、流量、液位、应用程序运行的主要参数、燃气和水计量验证等，以及海底管道的干温、干压、总流量和相对密度[3]。

2.2 控制系统操作方式需求

①全自动步进法。自动步进法是指通过将计算机键盘或鼠标按键置于电子计算机监控屏幕上，自动启动和自动终止步进，它是操作系统的一种特定方法。②现场手工法。该方法是指现场根据现场的电源开关或按钮对设备进行实际操作，关键是用于机器设备的校准和维护，在系统调整和资金投入之前，检查安装设备和接线是否合适，投入运行后，检查仪器的常见故障。

3 油气田的传输系统研究思路

现阶段，随着我国海上油气田开发设计的快速发展，我国深海已基本建成一批智能水油气田，边界油气田散布在这组油气田周围领域，因此，油气田的开发设计可以附加在原有油气田的基础设施建设上[4]。如何在无人井筒平台上采集现场数据和信息，并在中心平台上完成实时监控，对保障生产安全具有重要意义。这就规定了数字通信系统可以具有安全可靠的安全系数。某海上油气田连续多年保持百万吨以上的产量，是一个具有良好开发设计前景的海上油气田。在无人井筒简易设备设计的研究中，应用通信系统，选用新型先进设备和实时设备。在设备规划方案中，不可避免地要考虑监控系统进行合理的数据采集和调整，中心平台进行全自动远程控制生产监控，尤其是无人井平台ESD和PLC系统，安全等级非常高，有数以千计的沟通方式。根据海上油气田的特点，有两种传输技术用于科学研究，一种是无线通信系统的传输技术，另一种是光纤线路系统的传输技术。新建的海上采油厂平台采用无人值守采油厂方式，具有世界其他海上采油厂无可比拟的优势。

4 无线数字传输方式

4.1 基本工作原理

在每个子站（即小型平台或无人专职的简易平台）上配备无线网络数据微波装置，然后按照技术标准配备PLC（可编程控制器）分站和现场信息的需求。并使用标准化的数据信息端口号与PLC连接，然后根据分站内置的发送无线天线，将现场的数据信息以蓝牙传输的形式传输到中心平台。典型的结构体系架构图有两种：一种是点对点通信；另一种是点对多通信。该无线通信数据传输系统易于安装、易于维护、可扩展性好、成本低。点对点通信使互联网传输数据更快更安全，传输的数据量更高；选择这种结构并不容易。使用这种类型的通信并不容易，由于Serve通信板短，网络通信受阻，一对一的通讯方式合理的防止了互联网服务器的宕机。

4.2 主要技术指标

X710系列的主要性能指标如下：发送频率220～240MHz 330～512MHz 800～960MHz信道带宽12.5(X710A) 25kHz(X710C)，步进电机频率6.25KHz，接收频率220～240MHz～123MHz，800～960MHz。信号规格RS～232，api接口DB～25母。数据信息特性：api接口速度（多线程）：110/300hps～38.4kbps，包括1200、2400、4800、9600bps。MODEM传输速度：9600/19200bps传输数据延迟：最大7-10ms。调频发射机部署类型：二进制连续相位差频移键控（CPFSK）载波通信输出功率：0.1～5W（可调）。工作时循环系统：连续输出阻抗：50Ω，频率稳定度：±1.5×10-6。接收机类型：超外差双变频，灵敏度更高；-111/105dBm（BER10-6）。频率稳定性：±1.55×10-6，网络带宽：12.5/25kHz，电源直流工作电压：额定值13.8V（10.5～16V），TX电源系统电流容量：2.5A，RX电源系统电流容量：125mA，储备（睡眠质量法）电流：15mA，保险丝：4A，工作温度范围：-30°～60°（所有特性）-40°～70°（工作条件），环境湿度：40°时95%，物理插座，无线天线插座：N型，母数据信息端口号：DB-25母头连接器，诊断端口号：RJ-11。

4.3 PLC数据采集控制

生产监控生产调度系统由三个关键部分组成；通信部分、数据采集与操作部分（RTU）、上位机软件部分，数据采集与运行部分（RTU）可根据油气田的具体信息量进行配置，选择适合室外厂区安装水平标准的设备。中央平台主控室与简易无人平台之间，可采用数传电台完成无人平台的测控技术数据信息、工作电压、电流、运行、终止及常见故障信号井筒电潜泵和输油管道的工作压力根据PLC（RTU）采集温度、温度等信息，根据RS-232接口与数据广播站相连，传输至中央平台主控室，主控室显示、报警、打印；主控室对井筒平台的控制信号也将通过数据广播站传输给PLC控制潜水电泵和阀门；同时，PLC还可以按照相应的标准对潜水电泵和阀门进行自动控制。中央平台主控室和简易无人平台还可根据数据传输站完成对讲系统的语音通信，配置多路复用器和多串口卡，完成数据、电话、图像综合传输。

4.4 太阳能供电方案

对于简易无人平台设备供电方供电系统形式，可采用海底电缆输送220V50Hz交流电源。如果没有开关电源，可以采用光伏供电系统的方法。太阳能供电系统利用太阳能发电技术，将太阳光能直接转化为电磁能，可以说是取之不尽，用之不竭。一方面，采用该技术制造的太阳能电池（太阳能电池板）使用方便，尤其是近年来微型半导体逆变电源的超速发展趋势，促进了太阳能供电系统的简单化和应用的便利性。太阳能电源开关电源提供全天候UPS电源，可为输电系统提供稳定、优质的开关电源。在简单的无人平台上，为了更好地降低风险，减少资金投入。可以考虑选择太阳能作为通信和传输数据系统的供电系统，并选择一组最重要的设备——太阳能光伏发电板、蓄电池充电控制板、逆变电源和蓄电池。即使在连续多日阴雨天气的情况下，太阳能发电系统仍能维持设施的正常运行。对于简单的无人平台，如果发射数据电台的功能是30W，数据采集PLC的功能是100W，那么12V50W和24V100W的太阳能电池板就可以满足要求。

5 实例分析

海上平台明确提出了非常高的安全生产规定。也就是说，对机械设备稳定性的要求非常高，不能有误操作，否则会影响生产，甚至导致油田停产。现阶段，绝大多数中海油海上油田采用深海复合电缆（电力电缆和光缆）配置光端机械设备，传输制造、应急等数据信息操纵信号。在新建的水上平台上最常见的用途是配备SDH同步数字通信系统设备的深海复合电缆，用于传输制造控制信号、视频监控信号、电话、广播节目等通信信号。紧急停机是作为干接点信号传输的，它规定了SDH专用卡供电电路中的各个电路必须完全隔离和保护。DTT卡中传输干接点信号的4种电路原理必须完全隔离和保护，协调器只有在收到完全合理的96位帧时才会发出预定的姿势信号。正常传输下，误操作的概率优于10-72，这也是具体应用中的最低值。同时，即使连续0.1的误差（最坏情况），误操作的概率也只有10-16，也就是每30000年一次。一般来说，A平台向B平台传输合闸信号的关键延迟来自机械设备本身的延迟（海底光缆上的信号传输速率为5μs/km，可以忽略不计），以及专业设备卡的端到端延迟为3ms，可以满足最严格的关机信号延迟规定。项目为例，该项目有7个简易平台，于2017年建成投产，使用专用的DTT设备，以及FPSO应急柴油发电机，运行时，需在10ms内断开超载（甩负荷，即发射干接点信号），并保证电潜泵的正常运行。原因是因其开关电源是50Hz，一个周期是20ms，在负载较大之前，即半个周期以上，从A平台到B平台的信号需要在10ms内完成。现阶段，多个海上油田已经使用该系统进行远距离传输和监管，例如； BZ28-2S油田、JZ21-1油田、JZ9-3油田及东海部分海上油气田群。

6 结束语

①从系统的需求分析报告考虑，为实现中心平台对无人平台的监控，应明确系统作用，将中心平台采油技术及其无线网络实时化在监控系统的基本概念上，明确提出了基于无线网络数据传输模块技术的监控系统的系统架构。②利用无线网络微波加热数据传输模块技术，制定海上采油平台监控系统设计方案。选择工业控制计算机和可编程控制器作为监管系统的所有关键设备，构建监管系统的硬件配置互联网。③针对海上采油平台周边环境的特点和监管系统的一些独特规定，系统分析了系统可能存在的弱点，并在系统软硬件设计中采取了相关的抗干扰对策方案。④监控系统软硬件配置创建后，对系统进行组装和调整，对数据监控和报警显示功能进行了全方位的实验考察。