本項(xiàng)目根據(jù)氣井生產(chǎn)能力，選取8口氣井作為改造對象，使用先進(jìn)的WirelessHART智能無線技術(shù)，采集井口的工藝參數(shù)，并通過無線電通訊的方式，將井口監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送至位于集氣站的上位控制系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)了對井口的遠(yuǎn)程監(jiān)測,降低了人工巡檢的勞動強(qiáng)度,提高了井口生產(chǎn)的可靠性。

本項(xiàng)目在實(shí)現(xiàn)滴西18井區(qū)生產(chǎn)氣井的全面監(jiān)控的同時(shí)，也為克拉美麗氣田整體數(shù)字化建設(shè)提供了技術(shù)支撐。未來可以方便地通過智能化的井口監(jiān)測、RTU、SCADA系統(tǒng)以及分布式RTU網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)氣田的整體數(shù)字化。

一、項(xiàng)目概述

克拉美麗氣田位于古爾班通古特沙漠，是新疆油田公司發(fā)現(xiàn)的首個(gè)千億方儲量規(guī)模的火山巖氣田，針對氣田各井區(qū)井?dāng)?shù)多、井距遠(yuǎn)、冬季環(huán)境溫度低的特點(diǎn)，集輸系統(tǒng)布站采用“單井→集氣站→處理廠”的模式，以減少管道投資并保障單井在低溫環(huán)境下長距離集輸。

為提高克拉美麗氣田井口地面工程管理效率，全面實(shí)現(xiàn)對氣井生產(chǎn)動態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，本工程項(xiàng)目以克拉美麗氣田滴西18井區(qū)單井為試點(diǎn)，將該井區(qū)接入系統(tǒng)單井進(jìn)行分類，選取合適單井作為試驗(yàn)對象，通過采用無線儀表和無線數(shù)傳電臺方式傳輸信號，實(shí)現(xiàn)井場參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，最終實(shí)現(xiàn)滴西18井區(qū)生產(chǎn)氣井全面監(jiān)控。

二、自動化狀況

數(shù)字化工程實(shí)施前，滴西18井區(qū)各單井中，2口水平井井口參數(shù)（壓力、溫度）采用壓力、溫度變送器，通過井口RTU實(shí)現(xiàn)單井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集,數(shù)據(jù)傳輸采用光纖傳輸；其余16口直井井口參數(shù)（壓力、溫度）為就地顯示：壓力儀表采用彈簧管式壓力表，溫度儀表采用雙金屬式溫度計(jì)，各儀表均不具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

三、存在問題

針對氣田單井?dāng)?shù)量多、分布廣、產(chǎn)量波動頻繁、管理難度大、大部分氣井井口參數(shù)無法遠(yuǎn)程監(jiān)控等特點(diǎn)，作業(yè)區(qū)成立4個(gè)巡井班，每班10人管理氣田單井。管理制度為：生產(chǎn)氣井一天兩班（白班、夜班）、每班巡檢2次，長關(guān)氣井、邊緣井每班每周二巡檢1次。主要記錄井口油壓、套壓、井口溫度、節(jié)流前后壓力和溫度，實(shí)時(shí)掌握氣井生產(chǎn)動態(tài)及設(shè)施設(shè)備完整性，保證氣井正常生產(chǎn)。

由于改造前單井自動化水平低，RTU遠(yuǎn)傳、UPS覆蓋面較小，僅有2口單井井口配有RTU及UPS，大多數(shù)氣井無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作，員工巡檢勞動強(qiáng)度大（見表1）。此外，一旦單井井口出現(xiàn)突發(fā)緊急情況時(shí)，員工無法第一時(shí)間及時(shí)掌握現(xiàn)場狀況并解決問題，且處理問題時(shí)間較長，員工勞動效率低下，為氣井正常生產(chǎn)埋下隱患。

表1 2013年6~8月巡井情況統(tǒng)計(jì)

因此，需將滴西18井區(qū)接入系統(tǒng)單井進(jìn)行分類，選取合適單井作為試驗(yàn)對象，通過采用無線儀表與數(shù)傳電臺相結(jié)合的方式傳輸信號，實(shí)現(xiàn)井場參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，最終實(shí)現(xiàn)滴西18井區(qū)生產(chǎn)氣井全面監(jiān)控，為克拉美麗氣田整體數(shù)字化建設(shè)提供技術(shù)支撐。

四、傳輸參數(shù)確定

根據(jù)所選單井工藝，井口采用加熱節(jié)流單井需采集參數(shù)共計(jì)4個(gè)：油壓、一級節(jié)流前溫度、井場外輸壓力、井場外輸溫度，表2。數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)小于5分鐘。

表2  加熱節(jié)流單井井口參數(shù)傳輸確定

五、WirelessHART智能無線儀表技術(shù)優(yōu)勢

本項(xiàng)目現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)WFN采用WirelessHART協(xié)議。WirelessHART作為HART 7.0規(guī)范中的一部分，是一種針對過程自動化應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。其目的是讓用戶在保持現(xiàn)有設(shè)備、工具和系統(tǒng)已執(zhí)行的基礎(chǔ)上，為HART協(xié)議增加無線功能。

WirelessHART無線設(shè)備組成的現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)，采用全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Mesh Topology），集成工業(yè)級的安全措施，通過高度可靠的冗余路徑進(jìn)行通訊。這個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)可以自我組織、自我適應(yīng)、自我愈合，可靠性超過99%。即使通訊路徑受到干擾，無線設(shè)備也能夠自動重新選擇其它最優(yōu)冗余路徑進(jìn)行通訊。

WirelessHART現(xiàn)場無線設(shè)備包括測量溫度、壓力、無線控制等過程參數(shù)的無線儀表以及無線網(wǎng)關(guān)等。這些設(shè)備配備無線發(fā)射裝置，設(shè)備和微波發(fā)射部件無縫式地集成于一體，無線儀表通過工業(yè)級本安認(rèn)證的鋰電池供電，考慮安全性該電池不可充電，電池壽命在60秒鐘刷新速度下可以用10年以上。

● 通用性

WirelessHART符合IEC 62591以及GB/T 29910.1～6-2013標(biāo)準(zhǔn)，大量的安裝基礎(chǔ)和相當(dāng)數(shù)量的HART 產(chǎn)品提供商的存在，加上HART 通信基金會（HCF）的大力推廣，為該協(xié)議的使用提供了保障。

事實(shí)上，如今每一個(gè)過程自動化需求都有相應(yīng)的有線HART 產(chǎn)品支持和滿足。無線HART 為HART 設(shè)備的通信提供了另一種簡單途徑。

● 可靠性

WirelessHART網(wǎng)狀拓?fù)涞淖越M織和自愈特性使網(wǎng)絡(luò)長期擁有自主可靠性和魯棒性。當(dāng)有干擾或者其他物體阻隔通信線路時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)立即自動路由傳送數(shù)據(jù)以保持暢通。由于WirelessHART采用了冗余網(wǎng)狀拓?fù)涞膬?yōu)化路徑，所以可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可靠性。

與其他使用2.4GHz 頻段的技術(shù)一樣，WirelessHART也會受到來自其他網(wǎng)絡(luò)信號源的干擾。為解決這一問題，WirelessHART協(xié)議實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4頻率標(biāo)準(zhǔn)下16個(gè)信道之間的跳頻，靈活地解決了干擾的問題而不是進(jìn)行暴力破解。同時(shí)，還可以采用每次發(fā)送前的空閑信道評估（CCA）技術(shù)和信道"黑名單"技術(shù)避免特定區(qū)域的干擾，也同時(shí)將對其他網(wǎng)絡(luò)的干擾降到最低。

● 時(shí)間同步通信

所有設(shè)備間的通信在一個(gè)預(yù)設(shè)時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了高可靠（無碰撞）、高能效和可伸縮通信，增強(qiáng)了互操作性和易用性。每條報(bào)文都有一個(gè)優(yōu)先級定義以保證合適的服務(wù)質(zhì)量QoS 傳輸要求。固定的時(shí)間片劃分也可以讓網(wǎng)絡(luò)管理者為任何應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)無需用戶干預(yù)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。相對的，如果采用可變時(shí)間片或者非同步通信方式，則會造成復(fù)雜的用戶配置、低質(zhì)量的QoS、高能耗和不可靠的通信結(jié)果。

● 安全性

WirelessHART采用了強(qiáng)健的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)始終處于保護(hù)之下。這些技術(shù)包括：

√  加密--128位加密手段保護(hù)數(shù)據(jù)不被截獲

√  驗(yàn)證--信息完整性檢測碼驗(yàn)證每個(gè)數(shù)據(jù)包

√  魯棒運(yùn)作--跳頻和網(wǎng)狀基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以減緩網(wǎng)絡(luò)擁堵和拒絕服務(wù)（DoS）攻擊的情況

√  密鑰管理--旋轉(zhuǎn)密鑰可以避免未認(rèn)證設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)通信

√  認(rèn)證--未經(jīng)認(rèn)證的裝置不允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中

● 豐富的診斷數(shù)據(jù)

HART裝置帶有豐富的儀表診斷數(shù)據(jù)，包括儀表故障信息、電池電量、傳感器故障信息、儀表參數(shù)設(shè)置、過程值報(bào)警等，WirelessHART的適配器功能提供了一種與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫等其他工具的通信機(jī)制，從而讓這些診斷數(shù)據(jù)發(fā)揮作用。

● 與上位系統(tǒng)靈活集成

WirelessHART設(shè)備的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)1420集成到上位系統(tǒng)（如RTU或HMI工作站）中。網(wǎng)關(guān)可安裝在戶外，也可以安裝在室內(nèi)而采用延伸天線至室外的方法；可提供多種通訊接口和不同主機(jī)系統(tǒng)連接。

√  通訊接口支持以太網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)（Ethernet 10/100M），以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)系統(tǒng)的OPC、Modbus TCP的通訊；

√  網(wǎng)關(guān)預(yù)置了Modbus RTU兩線制RS-485串口通訊口，支持多點(diǎn)連接（Multidrop Connections），波特率設(shè)置從9600至 57600bps可選，電纜距離最遠(yuǎn)不超過1200米。

現(xiàn)場可以同時(shí)安裝多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，分別由各自的網(wǎng)關(guān)管理。每個(gè)網(wǎng)關(guān)管理的單個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)連接最多100臺設(shè)備。

安裝方式方面，無線現(xiàn)場設(shè)備同有線傳統(tǒng)設(shè)備相同，無需額外專門培訓(xùn)。

六、井口無線方案

滴西18區(qū)塊井口分布見圖1所示：

圖1 滴西18區(qū)塊井口分布

在滴西區(qū)塊，要求9個(gè)井口溫度及壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線方式進(jìn)入集氣站PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，由艾默生公司采用RTU+智能無線網(wǎng)關(guān)+智能無線變送器實(shí)現(xiàn)井口數(shù)據(jù)信號無線監(jiān)控。

依據(jù)滴西區(qū)塊平面布置圖及測點(diǎn)安裝位置，現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)包含滴西18、滴西1835二個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖及功能說明如下：

√  滴西18共計(jì)5口井，每口井分別有2臺壓力變送器、2臺溫度變送器，無線監(jiān)測點(diǎn)共計(jì)20點(diǎn)，按照井口地理位置分布，構(gòu)建可靠性無線網(wǎng)絡(luò)需要配置4臺無線中繼儀表，因此無線設(shè)備共計(jì)24臺。

√  GW1420智能無線網(wǎng)關(guān)+RTU+AP無線接入熱點(diǎn)安裝在滴西18井場，每個(gè)GW1420無線網(wǎng)關(guān)采用24VDC/0.5A供電。GW1420遠(yuǎn)程天線配有防浪涌保護(hù)器，可有效防止雷電對網(wǎng)關(guān)的影響。GW1420采用Modbus TCP/IP網(wǎng)線連接RTU。

√  滴西1835共計(jì)3口井，每口井分別有2臺壓力變送器、2臺溫度變送器，無線監(jiān)測點(diǎn)共計(jì)12點(diǎn)，按照井口地理位置分布，構(gòu)建可靠性無線網(wǎng)絡(luò)需要配置1臺無線中繼儀表，因此無線設(shè)備共計(jì)13臺。

√  GW1420智能無線網(wǎng)關(guān)+RTU+AP安裝在滴西1835與1824井場之間，GW1420無線網(wǎng)關(guān)采用24VDC/0.5A供電。GW1420遠(yuǎn)程天線配有防浪涌保護(hù)器，可有效防止雷電對網(wǎng)關(guān)的影響。GW1420采用Modbus TCP/IP網(wǎng)線連接RTU。

√  對無線設(shè)備的管理視同有線HART設(shè)備管理，由網(wǎng)關(guān)附帶AMS 設(shè)備管理軟件完成。

√  滴西185井口有電力線，可供就近RTU及數(shù)傳電臺使用。井口數(shù)據(jù)采用普通有線測量及通訊方式。

根據(jù)現(xiàn)場井場地理分布，艾默生技術(shù)人員在2014年4月20日完成對滴西18區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)測試，4月21日完成對滴西1835區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)測試，部分測試數(shù)據(jù)如下圖所示，表中相關(guān)無線網(wǎng)路通訊數(shù)據(jù)分別為數(shù)據(jù)傳輸可靠性、無線路徑穩(wěn)定性、無線信號強(qiáng)度RSSI 、儀表測試數(shù)據(jù)等。儀表無線網(wǎng)絡(luò)通訊均顯示正常，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)Part1（上部紅色為未上電儀表，648黃色報(bào)警指示未接傳感器）

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)Part2

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)Part3

七、RTU系統(tǒng)集成

RTU系統(tǒng)采用艾默生的ControlWave RTU系統(tǒng)，通過電臺將井口監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至集氣站上位系統(tǒng)。

艾默生ControlWave RTU的無線接口卡IEC62591直接安裝于RAS 控制器機(jī)架內(nèi)，無線現(xiàn)場連接模塊(Field Link)作為天線通過饋線接入IEC62591卡件。通過這種一體化的接入方式，WirelessHART智能無線儀表無縫集成入RTU內(nèi)，就如RTU自帶的I/O模塊，并且可以通過控制器的轉(zhuǎn)送，連接AMS?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)入RTU控制器，就像其他本地?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)一樣被訪問和讀取,這些數(shù)據(jù)可用于：

√  控制應(yīng)用

√  測量應(yīng)用

√  歷史數(shù)據(jù)存儲

√  ControlWave 網(wǎng)頁

√  分配MODBUS地址

√  SCADA 讀取

本工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)傳輸只考慮單井到滴西18集氣站，采用無線方式。

通過調(diào)研和比較，確定采用目前市場上主流的無線電臺傳輸方式：在井口設(shè)置無線電臺發(fā)射端，滴西18集氣站設(shè)置電臺接收端，電臺帶RS485接口和RJ45接口,電臺接收端需安裝在高處盡量與發(fā)射端可視。

八、供電系統(tǒng)

井口無線壓力、溫度變送器采用自帶電池供電（電池供電時(shí)間5~10年）；滴西185井口有電力線，可供就近RTU及數(shù)傳電臺使用；集氣站數(shù)傳電臺及客戶端電腦由集氣站提供；處理站客戶端電腦由處理站提供；另外2臺RTU（每臺功耗最大25W、正常20W）及數(shù)傳電臺（功耗20W）選用太陽能電池板+蓄電池方式供電，新疆地區(qū)緯度高，冬季有效日照短（只有3.5小時(shí)），在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這些因素，本項(xiàng)目按連續(xù)陰天3天也可完成系統(tǒng)的正常供電來進(jìn)行設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目現(xiàn)場施工量少，投資較低。

2臺太陽能蓄電池采用直埋沙地的方式保溫，人工挖坑填埋

九、整體方案總結(jié)

本項(xiàng)目井口數(shù)據(jù)采集及傳輸采用無線儀表。現(xiàn)場無線儀表之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用WirelessHART無線技術(shù)，具有自組織全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（mesh topology），集成工業(yè)級的安全措施，采用功能強(qiáng)大的冗余通訊方式。無線網(wǎng)絡(luò)自我組織、自我適應(yīng)、自我修復(fù)，數(shù)據(jù)傳輸可靠性大于99%。由于采用 Mesh 結(jié)構(gòu)，無線網(wǎng)關(guān)具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，因此，在通訊路徑被干擾時(shí)，網(wǎng)絡(luò)無線設(shè)備能夠自動重新選擇其它冗余路徑進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場設(shè)備之間的無線通訊的物理層協(xié)議，采用 2.4GHz 的 ISM 公用頻段，應(yīng)用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）克服無線網(wǎng)絡(luò)干擾，無線通訊的鏈路層（Link Layer）符合 IEEE 802.15.4 工業(yè)無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用層符合WirelessHART協(xié)議，數(shù)據(jù)包采用 AES-128 位的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加密技術(shù)，以保證現(xiàn)場設(shè)備之間的通訊安全。

在滴西18井區(qū)試驗(yàn)單井新增無線壓力、溫度等儀器儀表，通過無線儀表互相通訊的特性接入無線RTU，RTU接受完所有無線儀表的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)傳電臺將數(shù)據(jù)傳輸至滴西18集氣站客戶端，利用該集氣站已建光纖將數(shù)據(jù)傳輸至處理站客戶端。處理站預(yù)留數(shù)據(jù)接口，以便后期將單井?dāng)?shù)據(jù)傳輸至廠生產(chǎn)運(yùn)行集中監(jiān)控中心。

圖5  井口數(shù)據(jù)傳輸方式示意圖

測量儀表及通訊設(shè)備采用無線壓力變送器、無線溫度變送器和無線RTU（均為進(jìn)口儀表設(shè)備）；通訊采用WirelessHART無線通訊協(xié)議，單臺儀表數(shù)據(jù)傳輸距離為800m，各單井的無線數(shù)據(jù)如果無法被無線RTU所接收，可在合適位置選擇無線離散變送器作為信號中繼，穩(wěn)定可靠，精度高。

圖7  9口氣井、RTU、中繼GPS衛(wèi)星定位

綜合考慮以上情況，采用無線儀表通訊方式可以滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，整套方案不用布線、穿管、接線端子，操作簡單易行。節(jié)省了安裝的時(shí)間和資金成本。

實(shí)施單井?dāng)?shù)字化工程后，可降低巡井人數(shù)和巡井頻次，巡井班39人可減至8人，巡井頻次從一天4次逐漸減少至一周1次，極大的降低了員工工作量，提高氣田自動化程度，降低了氣田運(yùn)行成本，為氣田智能運(yùn)行管理水平打下良好基礎(chǔ)。具體將帶來以下效益：

1、經(jīng)濟(jì)效益：

（1）人員勞動成本。巡井班39人改為8人，按每人每年勞動成本20萬元計(jì)算，可節(jié)省費(fèi)用：200000×31=6200000元/年。

（2）車輛成本。巡井車輛4輛，每輛車每小時(shí)38元，每天10小時(shí)。可節(jié)省費(fèi)用：

38×10×4×365=554800元/年。

經(jīng)濟(jì)效益總計(jì)：6754800元人民幣/年

2、環(huán)境效益。減少車輛出行，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減少尾氣排放，低碳環(huán)保。