CN115938097A - 页岩气撬装化设备数据无线传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于撬装化设备数据传输技术领域，具体涉及一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统及方法。在满足工程方案合理的前提下，分析减少撬装化设备智能仪表电缆、电缆保护管和仪表接线箱的数量及现场安装工程量，提高工厂化预制和模块化建设程度。分析减少现场开挖电缆沟或者安装电缆桥架施工的工作量；减少现场仪表电缆接线和调试的工作量，降低现场投运工作强度，减少投运时间。结合撬装化设备智能仪表的设置情况，在满足相关自控技术适应范围下，研究选择合理的数据传输方式，提升撬装化设备的模块化程度，提高撬装化设备的投用速度，推动撬装化设备的设计标准化。

Description

页岩气撬装化设备数据无线传输系统及方法

技术领域

本发明属于撬装化设备数据传输技术领域，具体涉及一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统及方法。

背景技术

随着国内油气田地面工程提出遵循“标准化设计、工厂化预制、机械化施工、模块化建设、信息化管理”五化建设，从设计、采购、施工、监理、交付、运维等环节系统考虑。设备撬装化率逐步提高，工程建设周期逐步相对缩短，撬装化设备数据无线传输技术更有利于橇装化集成度，工程建设周期的缩短，以及后期生产运维工作量。按照“地上地下一体化、上游下游一体化、钻前地面一体化、前期后期一体化、试采开发一体化、永临结合一体化”六个一体化统筹设计原则。根据页岩气生产井的生产特性和不同生产阶段，制定不同模式的标准化流程，划分不同功能模块。撬装化设备数据无线传输技术更有利于不同生产阶段撬装化设备的设置及搬迁，同时也可借鉴推广到页岩油场站。

现有技术的油气站场撬装化设备数据传输通常采用有线传输方式。在撬装化设备上设置有线智能仪表和仪表接线箱，将现场智能仪表通过电缆加保护管敷设至仪表接线箱，再统一从撬装化设备仪表接线箱通过电缆埋地或电缆桥架敷设至站场控制系统，实现撬装化设备的数据传输功能。

大型撬装化设备模块化建设时，需要在现场设备完成组合安装后，进行撬内仪表电缆和保护管的敷设安装，同时，在撬装化设备和控制室之间，需要提前开挖电缆沟或者安装电缆桥架，然后完成撬装化设备和控制系统之间的接线及调试工作，现场安装工程量大、时间成本高，投运效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统及方法，能够通过合理的数据传输方式，提升撬装化设备的模块化程度，提高撬装化设备的投用速度，降低现场投运工作强度，节省投运时间。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统，由页岩气撬装化设备和数据无线传输系统组成，所述页岩气撬装化设备包括通过管线连接的独立井口采气平台1和集气站内设备，所述集气站内设备包括加热炉撬2、集气汇管撬3、计量分离器撬4、生产分离器撬5和燃气调压撬6；

所述数据无线传输系统包括撬装化设备智能仪表、无线适配器9、无线网关10、集气站控制系统机柜11、集气站通信设备12和调控中心系统设备；

所述撬装化设备智能仪表安装于所述集气站内设备上，所述撬装化设备智能仪表包括智能有线仪表7和智能无线仪表8，所述智能有线仪表7通过电缆与所述集气站控制系统机柜11有线连接，同时通过无线适配器9与所述无线网关10无线连接，所述智能无线仪表8直接与所述无线网关10无线连接；

所述集气站控制系统机柜11和无线网关10均通过所述集气站通信设备12与所述调控中心系统设备连接。

进一步的，所述智能有线仪表7包括压力变送器、温度变送器、液位变送器和流量计，所述压力变送器设于加热炉撬2、集气汇管撬3和燃气调压撬6上；所述温度变送器设于加热炉撬2上；所述液位变送器设于计量分离器撬4和生产分离器撬5上；所述流量计设于计量分离器撬4和生产分离器撬5上。

进一步的，所述智能无线仪表8为Wireless HART协议仪表，集成有无线设备中继器，供电方式采用内置锂电池。

进一步的，所述集气站控制系统机柜11包括安全控制系统机柜和过程控制系统机柜，所述过程控制系统机柜面板上集成安装有触摸屏17，具体为10”触摸屏。

进一步的，所述集气站控制系统机柜11、无线网关10、触摸屏17和集气站通信设备12均通过集气站有线网络连接，所述有线网络具体为工业以太网；所述触摸屏17通过有线网络访问所述无线网关10进行无线网络管理。

进一步的，所述数据无线传输系统设有不间断电源，所述不间断电源的电池后备时间根据页岩气田集气站山区位置、道路情况和巡检人员应急处理时间进行设定。

进一步的，所述集气站通信设备12与所述调控中心系统设备通过通信光纤连接，所述通信光纤采用环网物理链路。

进一步的，所述调控中心系统设备包括通过以太网连接的调控中心通信设备13、冗余数据服务器14、SCADA操作站15和AMS操作站16。

进一步的，所述调控中心通信设备13用于接收集气站撬装化智能仪表传输数据，所述冗余数据服务器14用于数据存储，所述SCADA操作站15用于数据集中显示及监控，所述AMS操作站16用于智能仪表在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种页岩气撬装化设备数据无线传输方法，基于如上所述的一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统，具体包括如下步骤：

S1，智能无线仪表通过集成的无线设备中继器将数据无线传输给无线网关；

S2，智能有线仪表通过连接无线适配器将数据无线传输给无线网关；

S3，无线网关组成无线网络，并将仪表数据通过工业以太网传输给集气站通信设备；

S4，集气站通信设备通过通信光纤将数据传输给调控中心通信设备；

S5，集气站通信设备将接收的数据通过工业以太网传输给冗余数据服务器，使数据存储进数据库中；

S6，调控中心操作站调用数据库，进行数据参数集中展示。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1、本申请提供的撬装化设备数据无线传输系统，特别是针对场站布置面积受局限，施工过程中开挖电缆沟不方便、工程量大的山区场站和针对施工投产周期有较高要求，能够快投快产场站所采用的智能仪表，撬装化设备数据无线传输的应用，减少了控制系统I/O卡件的投入，降低了控制系统的硬件投资成本，同时也节省了智能仪表的安装、调试和生产维护成本；

2、本申请提供的撬装化设备数据无线传输系统，其智能无线仪表安装无需布线的特性，减少了现场电缆敷设带来的工程量，节省了安装成本和费用；无线仪表即装即用，无需逐个检查电缆的连接，因此降低了现场投运期间的工作强度，加快了仪表投运时间，节省工程项目成本；

3、本申请提供的撬装化设备数据无线传输方法，提高了撬装化设备的投用速度，在拆卸和移动过程中，无需拆卸仪表和移动电缆，方便快捷。同时，提升了撬装化设备的模块化程度，推动了撬装化设备设计的标准化；

4、本申请提供的撬装化设备数据无线传输方法可实现操作人员在工作站上即可通过丰富的人机界面浏览和记录现场过程数据，实现对智能无线仪表和无线网络进行在线“健康状态”诊断和维护，减少了操作人员进入现场的次数和时间，进一步提高了页岩气田生产的工作效率。

附图说明

图1为本发明页岩气撬装化设备示意图；

图2为本发明数据无线传输系统示意图；

图3为本发明页岩气撬装化设备数据无线传输原理图。

图中：1、井口采气平台；2、加热炉撬；3、集气汇管撬；4、计量分离器撬；5、生产分离器撬；6、燃气调压撬；7、智能有线仪表；8、智能无线仪表；9、无线适配器；10、无线网关；11、集气站控制系统机柜；12、集气站通信设备；13、调控中心通信设备；14、冗余数据服务器；15、SCADA操作站；16、AMS操作站；17、触摸屏。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

一、页岩气撬装化设备数据无线传输系统

本申请实施例提供了一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统，主要由页岩气撬装化设备和数据无线传输系统组成。

如图1所示，所述页岩气撬装化设备包括通过管线连接的独立井口采气平台1和集气站内设备，所述集气站内设备包括加热炉撬2、集气汇管撬3、计量分离器撬4、生产分离器撬5和燃气调压撬6；

标准化集气站大部分处理设备采用的是撬装化设计，因此选择在撬装化设备上开展智能仪表数据无线传输的应用，减少撬装化设备智能仪表电缆、电缆保护管和仪表接线箱的数量及现场安装工程量，进一步提高撬装化设备工厂化预制和模块化建设程度，提升撬装化设备的投用速度。

如图2所示，所述数据无线传输系统包括撬装化设备智能仪表、无线适配器9、无线网关10、集气站控制系统机柜11、集气站通信设备12和调控中心系统设备；

所述撬装化设备智能仪表包括：智能有线仪表7和智能无线仪表8，所述智能有线仪表7通过电缆与所述集气站控制系统机柜11有线连接，同时通过无线适配器9与所述无线网关10无线连接，所述智能无线仪表8直接与所述无线网关10无线连接；(所述无线适配器可直接附接到智能仪表设备上，由设备回路供电)

所述集气站控制系统机柜11和无线网关10均通过所述集气站通信设备12与所述调控中心系统设备连接。

进一步的，所述智能有线仪表7包括：一体化温度变送器、压力变送器、法兰式液位变送器和一体化孔板流量计；加热炉撬、集气汇管撬、计量分离器撬、生产分离器撬和燃气调压撬上安装的撬装化设备智能仪表类型和数量如下表：

进一步的，所述智能无线仪表8为Wireless HART协议仪表，集成有无线设备中继器，供电方式采用内置锂电池。

进一步的，所述集气站控制系统机柜11包括安全控制系统机柜和过程控制系统机柜，所述过程控制系统机柜面板上集成安装有触摸屏17，具体为10”触摸屏。

油气田地面工程集气站通过新建及现有改造实现无人值守功能。在日常集气站定期巡检时，巡检人员通过控制系统机柜面板上的10”触摸屏可访问无线网关，管理无线网络。通过控制系统触摸屏可查看集气站内现场所有撬装设备工艺参数，检查是否有生产异常数据，根据生产数据进行相关生产操作。

进一步的，所述集气站控制系统机柜11、无线网关10、触摸屏17和集气站通信设备12均通过集气站有线网络连接，所述有线网络具体为工业以太网；所述触摸屏17通过有线网络访问所述无线网关10进行无线网络管理。

进一步的，所述数据无线传输系统设有不间断电源，所述不间断电源的电池后备时间根据页岩气田集气站山区位置、道路情况和巡检人员应急处理时间进行设定。

进一步的，所述集气站通信设备12与所述调控中心系统设备通过通信光纤连接，所述通信光纤采用环网物理链路。

进一步的，所述调控中心系统设备包括通过以太网连接的调控中心通信设备13、冗余数据服务器14、SCADA操作站15和AMS操作站16。

进一步的，所述调控中心通信设备13用于接收集气站撬装化智能仪表传输数据，所述冗余数据服务器14用于数据存储，所述SCADA操作站15用于数据集中显示及监控，所述AMS操作站16用于智能仪表在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理。

更进一步的，集气站为无人值守站场，集气站撬装化智能仪表数据上传到调控中心系统进行集中显示。

具体的，撬装化设备智能无线仪表现场应用过程中选用了艾默生生产的无线仪表，采用Wireless HART技术，符合IEC62591标准，为当前流程行业中符合国际标准和中国国家标准的无线通讯标准。智能无线仪表与无线设备中继器集成于一体，供电方式采用内置锂电池。撬装化设备智能无线仪表可实现除能传输自身数据功能外，同时能兼作附近其它智能无线仪表的数据传输中继，作为无线网络中继器。

加热炉撬、计量分离器撬和生产分离器撬撬装化设备智能有线仪表自带HART协议，无线适配器直接附接到智能有线仪表设备上，由设备回路供电。无线适配器的功能是可获取智能有线仪表设备HART协议数据，使智能有线设备具有无线功能。

集气站无线网关采用的为Rosemount 1420设备。覆盖撬装化设备所有智能无线仪表和无线适配器，组成现场自适应Wireless HART智能无线网络。

撬装化设备智能无线仪表数据和智能有线仪表HART协议数据经Wireless HART无线网络传输到无线网关。无线网关通过标准的工业通讯协议将采集的数据上传到集气站控制系统及通信设备。

控制系统主要由PLC、10”触摸屏组成，采用可靠性高的产品。PLC主要包括：CPU、电源模块、局域网(LAN)接口、输入/输出I/O组件、通信接口、电源板等，还包括与控制中心通信的通道接口、操作员接口等，为保证PLC系统的可靠性，要求PLC系统具有CPU、通信接口、电源模块的冗余功能。系统应能够确保数据采集、储存的完整性、及时性、准确性、安全性，留有工程师站接口，用于移动式工程师站对控制系统进行维护；同时系统应具有支持系统平台的开放性，支持用户开发、补充和完善应用功能。

通过控制系统机柜面板上的10”触摸屏可访问无线网关，管理无线网络。可显示至少五台无线仪表直接连接到网关，至少25％的无线仪表在经过一次信号传递就连接到网关。同时可实现检查无线仪表是否都正常连接到无线网关，无线仪表状态情况和电池电压情况。

同时，考虑页岩气田连续生产安全要求，无人值守集气站控制系统和相关数据传输通信设备采用了不间断电源供电。根据页岩气田集气站山区位置、道路情况和巡检人员应急处理时间因素，不间断电源电池后备时间考虑为3小时。在日常集气站定期巡检时，巡检人员通过控制系统触摸屏可查看集气站内现场所有撬装设备工艺参数，检查是否有生产异常数据，根据生产数据进行相关生产操作。

为满足连续安全生产要求，在页岩气田开发建设过程中，通信光纤采用了环网的物理链路，从而保证了生产数据传输的安全性和稳定性。

服务器是计算机系统的核心，运行各种软件，采集各站的过程数据，担负着整个系统的实时数据库和历史数据库的管理、网络管理等重要工作。为提高可靠性，主要的服务器采用冗余配置。其性能应适合工业用硬件和软件的标准，应具有容错和自诊断能力。服务器采用分布式结构，根据采集数据规模的扩大增加服务器，而不影响原有服务器的工作。

SCADA操作站是调度、操作人员与调度控制中心计算机监控系统的人机接口(MMI)，它在调控中心计算机监控系统中是作为客户机。操作员通过它可详细了解气田整个的运行状况并下达命令，它们通过LAN与服务器互连并交换信息。每台操作站配置2个22”宽屏LCD显示器，用于显示工艺流程画面及文字信息(如事件/报警等)。撬装化设备生产运行数据可在SCADA操作站上进行集中显示及报警。

AMS操作站作为智能设备管理系统，可实现对现场智能仪表和控制机构的在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理，并在智能设备管理系统中建立设备资产档案、提前预警，减少巡检维护工作量。撬装化设备智能有线仪表通过配置无线适配器与智能无线仪表一起连接到无线网关，最终智能仪表HART协议数据上传到AMS操作站进行显示管理，可对撬装设备智能仪表进行在线“健康状态”监测。

二、页岩气撬装化设备数据无线传输方法

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种页岩气撬装化设备数据无线传输方法，基于如上所述的一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统，如图3所示，具体包括如下步骤：

S1，智能无线仪表通过集成的无线设备中继器将数据无线传输给无线网关；

S2，智能有线仪表通过连接无线适配器将数据无线传输给无线网关；

S3，无线网关组成无线网络，并将仪表数据通过工业以太网传输给集气站通信设备；

S4，集气站通信设备通过通信光纤将数据传输给调控中心通信设备；

S5，集气站通信设备将接收的数据通过工业以太网传输给冗余数据服务器，使数据存储进数据库中；

S6，调控中心操作站调用数据库，进行数据参数集中展示。

具体的，加热炉撬、集气汇管撬、计量分离器撬、生产分离器撬和燃气调压撬的撬装化设备智能无线仪表现场应用过程中采用Wireless HART技术，无线设备中继器与智能无线仪表集成于一体。撬装化设备智能无线仪表除能传输自身数据外，同时能兼作无线网络中继器。

加热炉撬、计量分离器撬和生产分离器撬撬装化设备智能有线仪表自带HART协议，无线适配器直接附接到智能有线仪表设备上。

集气站设置有无线网关，覆盖撬装化设备所有智能无线仪表和无线适配器，组成现场自适应Wireless HART智能无线网络。

撬装化设备智能无线仪表数据和智能有线仪表HART协议数据经Wireless HART无线网络传输到无线网关。无线网关通过标准的工业通讯协议将采集的数据上传到集气站控制系统及通信设备。

进一步的，通过通信光纤和调控中心通信设备传输到连接在工业以太网交换机上的冗余数据服务器进行数据存储。调控中心SCADA操作站和AMS操作站可通过网络读取冗余数据服务器上的数据，实现对撬装化设备智能仪表数据的集中显示、监控，以及智能仪表在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理功能。

综上所述：

1、本申请提供的撬装化设备数据无线传输系统，特别是针对场站布置面积受局限，施工过程中开挖电缆沟不方便、工程量大的山区场站和针对施工投产周期有较高要求，能够快投快产场站所采用的智能仪表，撬装化设备数据无线传输的应用，减少了控制系统I/O卡件的投入，降低了控制系统的硬件投资成本，同时也节省了智能仪表的安装、调试和生产维护成本；

2、本申请提供的撬装化设备数据无线传输系统，其智能无线仪表安装无需布线的特性，减少了现场电缆敷设带来的工程量，节省了安装成本和费用；无线仪表即装即用，无需逐个检查电缆的连接，因此降低了现场投运期间的工作强度，加快了仪表投运时间，节省工程项目成本；

3、本申请提供的撬装化设备数据无线传输方法，提高了撬装化设备的投用速度，在拆卸和移动过程中，无需拆卸仪表和移动电缆，方便快捷。同时，提升了撬装化设备的模块化程度，推动了撬装化设备设计的标准化；

4、本申请提供的撬装化设备数据无线传输方法可实现操作人员在工作站上即可通过丰富的人机界面浏览和记录现场过程数据，实现对智能无线仪表和无线网络进行在线“健康状态”诊断和维护，减少了操作人员进入现场的次数和时间，进一步提高了页岩气田生产的工作效率。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种页岩气撬装化设备数据无线传输系统，由页岩气撬装化设备和数据无线传输系统组成，其特征在于：所述页岩气撬装化设备包括通过管线连接的独立井口采气平台(1)和集气站内设备，所述集气站内设备包括加热炉撬(2)、集气汇管撬(3)、计量分离器撬(4)、生产分离器撬(5)和燃气调压撬(6)；

所述数据无线传输系统包括撬装化设备智能仪表、无线适配器(9)、无线网关(10)、集气站控制系统机柜(11)、集气站通信设备(12)和调控中心系统设备；

所述撬装化设备智能仪表安装于所述集气站内设备上，所述撬装化设备智能仪表包括智能有线仪表(7)和智能无线仪表(8)，所述智能有线仪表(7)通过电缆与所述集气站控制系统机柜(11)有线连接，同时通过无线适配器(9)与所述无线网关(10)无线连接，所述智能无线仪表(8)直接与所述无线网关(10)无线连接；

所述集气站控制系统机柜(11)和无线网关(10)均通过所述集气站通信设备(12)与所述调控中心系统设备连接。

2.根据权利要求1所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述智能有线仪表(7)包括压力变送器、温度变送器、液位变送器和流量计，所述压力变送器设于加热炉撬(2)、集气汇管撬(3)和燃气调压撬(6)上；所述温度变送器设于加热炉撬(2)上；所述液位变送器设于计量分离器撬(4)和生产分离器撬(5)上；所述流量计设于计量分离器撬(4)和生产分离器撬(5)上。

3.根据权利要求1所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述智能无线仪表(8)为Wireless HART协议仪表，集成有无线设备中继器，供电方式采用内置锂电池。

4.根据权利要求1所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述集气站控制系统机柜(11)包括安全控制系统机柜和过程控制系统机柜，所述过程控制系统机柜面板上集成安装有触摸屏(17)。

5.根据权利要求4所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述集气站控制系统机柜(11)、无线网关(10)、触摸屏(17)和集气站通信设备(12)均通过集气站有线网络连接，所述有线网络具体为工业以太网；所述触摸屏(17)通过有线网络访问所述无线网关(10)进行无线网络管理。

6.根据权利要求1所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述数据无线传输系统设有不间断电源，所述不间断电源的电池后备时间根据页岩气田集气站山区位置、道路情况和巡检人员应急处理时间进行设定。

7.根据权利要求1所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述集气站通信设备(12)与所述调控中心系统设备通过通信光纤电连接，所述通信光纤采用环网物理链路。

8.根据权利要求1所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述调控中心系统设备包括通过以太网连接的调控中心通信设备(13)、冗余数据服务器(14)、SCADA操作站(15)和AMS操作站(16)。

9.根据权利要求8所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于：所述调控中心通信设备(13)用于接收集气站撬装化智能仪表传输数据，所述冗余数据服务器(14)用于数据存储，所述SCADA操作站(15)用于数据集中显示及监控，所述AMS操作站(16)用于智能仪表在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理。

10.一种页岩气撬装化设备数据无线传输方法，基于权利要求1～9任一项所述的页岩气撬装化设备数据无线传输系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1，智能无线仪表通过集成的无线设备中继器将数据无线传输给无线网关；

S2，智能有线仪表通过连接无线适配器将数据无线传输给无线网关；

S3，无线网关组成无线网络，并将仪表数据通过工业以太网传输给集气站通信设备；

S4，集气站通信设备通过通信光纤将数据传输给调控中心通信设备；

S5，集气站通信设备将接收的数据通过工业以太网传输给冗余数据服务器，使数据存储进数据库中；

S6，调控中心操作站调用数据库，进行数据参数集中展示。

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