1 油田供汽聯(lián)合站注汽鍋爐自動(dòng)化系統組成情況

    某油田供汽聯(lián)合站目前負責管理23座供汽站49臺注汽鍋爐、3座水處理站、10個(gè)水源井等設備設施。

               
 
                          圖1 油田注汽站分布圖

    1.1注汽鍋爐現有自控系統

     注汽鍋爐現有自控系統包含：鍋爐本體控制系統、鍋爐外配控制系統、電話(huà)遠傳報警系統三部分組成。

    （1）鍋爐本體控制系統

    針對鍋爐本體進(jìn)行自動(dòng)控制和安全檢測的系統。

               
      
                          圖2注汽鍋爐控制示意圖

    （2）鍋爐外配控制系統

    針對鍋爐外配水系統的液位檢測和自動(dòng)補水以及鍋爐房?jì)鹊目扇細怏w和硫化氫氣體檢測，并實(shí)現軸流風(fēng)機的自動(dòng)控制，防止人員傷害事故的發(fā)生。

    （3）電話(huà)遠傳報警系統

    通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現鍋爐停爐的遠程電話(huà)和短信報警，為鍋爐巡檢人員提供及時(shí)的停爐信息。
    油田注汽鍋爐本體控制系統主要功能如下：

    1）數據采集：
    干度、水量、火量、蒸溫、管溫、煙溫、喉溫、蒸汽出口壓力、燃油壓力、燃油溫度、霧化壓力、進(jìn)爐天然氣壓力、溫度、流量（瞬時(shí)、累計）、爐膛壓力、對流段進(jìn)口壓力及溫度、對流段出口壓力及溫度、可燃氣體濃度
    2）工況數據：
     柱塞泵、鼓風(fēng)機電流、電壓及頻率
    3）計量數據：
     蒸汽流量、蒸汽干度、水量計量、燃料量
    4）控制功能：
     干度控制、燃燒控制、給水控制、風(fēng)量控制、燃料量控制

    1.2水處理站

 水處理站分為：集中水處理站、四合一水處理站、無(wú)鹽水處理站三個(gè)。

    （1）集中水處理站

  水處理站由四臺 72T水處理、三座脫氧塔組成。

               
       
                            圖3水處理示意圖

    （2）四合一水處理站

  18臺 72T水處理、低鹽回收罐、高鹽回收罐、

    （3）無(wú)鹽水處理站

      一座無(wú)鹽水處理站。

   水處理站控制系統采用北京安控的E50 PLC，主要功能如下：

    1）數據采集：生水壓力、生水罐液位、除氧塔液位、除氧塔負壓
    2）工況數據：除氧泵電流、電壓及頻率
    3）計量數據：水量計量、鹽量
    4）控制功能：軟化系統控制、除氧塔負壓控制

    1.3水源井

    在集中水處理站附近有10套水源井，安裝北京安控生產(chǎn)水源井控制器，監控數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的方式接入集中處理站集中監控。主要功能如下：

    1）數據采集：生水壓力、液位
    2）工況數據：潛水泵電流、電壓
    3）計量數據：水量計量
    4）控制功能：潛水泵啟?？刂?/p>

    2 系統存在的問(wèn)題

    鍋爐正常運行是稠油生產(chǎn)的生命線(xiàn)，目前存在的問(wèn)題：

    （1）鍋爐自動(dòng)化系統功能有待完善，部分主要生產(chǎn)參數和安全數據未實(shí)現集中監控和管理 ，存在一定的生產(chǎn)和安全隱患。
    （2）鍋爐隨產(chǎn)能建設逐年增加，目前人員非常緊張，目前部分站冬季一次巡檢需要3小時(shí)。
    （3）注汽鍋爐、水處理站自動(dòng)化系統間相互分立，數據相對獨立，系統間不能互相通信，存在數據孤島；且系統無(wú)后臺歷史數據庫，數據利用率低。

    因此，需要在現有的各個(gè)注汽鍋爐、水處理站自動(dòng)化系統的基礎上，組建SCADA系統實(shí)現對各個(gè)鍋爐、水處理站、水源井的集中監控和管理。

    2.1 組建SCADA系統的難點(diǎn)

    在保持油田供汽現有的生產(chǎn)工藝、自動(dòng)控制系統及網(wǎng)絡(luò )傳輸的條件下，建立SCADA系統存在如下技術(shù)難點(diǎn)：

    2.1.1數據鏈路的建立

    為了保證注汽鍋爐自動(dòng)化系統數據準確實(shí)時(shí)的收集到數據中心，必須保證連接數據中心和各個(gè)下屬注汽鍋爐自動(dòng)化系統的數據鏈路暢通。

    目前油田供汽聯(lián)合站下屬的生產(chǎn)單位較多，且地域比較分散。各單位之間網(wǎng)絡(luò )連接相對較為復雜，鏈路中涉及到多級網(wǎng)絡(luò )路由、網(wǎng)關(guān)和防火墻等設備，數據鏈路的通信需要通過(guò)多級硬件和不同的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之間實(shí)現互聯(lián)。且為了保證控制系統的安全，所有現有的控制系統的本地網(wǎng)絡(luò )均為獨立的網(wǎng)絡(luò )，暫時(shí)未與企業(yè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現直接聯(lián)網(wǎng)，而是通過(guò)防火墻或其它物理隔離設備進(jìn)行隔離。

    因此在組建SCADA系統的過(guò)程中，工業(yè)數據需要通過(guò)這些隔離安全設備到達中心，同時(shí)還要保證本地控制系統的絕對安全。

    2.1.2數據獲取方式

    對于常規的RTU/PLC產(chǎn)品，一般都采用通用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行通信，如安控科技股份有限公司的RTU/PLC產(chǎn)品，均采用了非常通用的常規通信協(xié)議Modbus RTU/ASCII 或Modbus TCP/UDP等通用協(xié)議。若本地沒(méi)有設基于PC操作站，則可以直接通過(guò)網(wǎng)路工業(yè)協(xié)議上傳至數據中心；若設有本地監控的話(huà)，該產(chǎn)品也可以通過(guò)添加其它網(wǎng)絡(luò )接口的辦法直接上傳，而且可以保證本地系統的安全。

    目前油田供汽聯(lián)合站除了擁有這些常規的RTU和PLC產(chǎn)品外，還有數量不少的AB PLC產(chǎn)品，采用了專(zhuān)用的通信協(xié)議實(shí)現對底層控制器的控制和數據交互，外部需要獲取該產(chǎn)品的數據非常困難。目前這類(lèi)產(chǎn)品對外提供實(shí)時(shí)數據的方法一般采用數據服務(wù)器（如IO服務(wù)器等），在IO服務(wù)器或其它工作站上安裝廠(chǎng)商提供的數據通信軟件，如OPC Server、Data Gateway、API、DDE等數據通信接口軟件來(lái)實(shí)現，且目前油田供汽站的注汽鍋爐自動(dòng)化系統均采用的基于Windows系統的軟件系統平臺，若要直接從這些數據服務(wù)器或工作站上獲取數據，勢必對本地控制系統的系統安全造成很大的威脅。

    3 油田供氣站SCADA系統的技術(shù)方案

    3.1  SCADA系統結構示意圖

               
 
                            圖4 SCADA系統結構圖

    3.2通信系統的設計

    3.2.1通信系統的設計原則

     通信系統作為SCADA系統安全、高效運行的基礎支撐平臺，其穩定性、可靠性將是影響SCADA系統至關(guān)重要的因素。通信系統設計應包括良好的網(wǎng)絡(luò )規劃、合理的系統結構設計、足夠的信息帶寬估計、安全經(jīng)濟的信道冗余、設備選型、通信軟件設計等多方面工作。

    實(shí)踐證明，油田SCADA系統通信系統建設并不是某一種技術(shù)的單純應用，而應根據具體情況，進(jìn)行必要的技術(shù)組合，以建設一個(gè)完善的SCADA系統運行平臺。

    3.2.2  SCADA系統生產(chǎn)層：通信處理機

    油田注汽鍋爐SCADA系統設管理層（即數據中心）和生產(chǎn)層（注汽鍋爐自動(dòng)化系統）組成，其中生產(chǎn)層為已建或待建自動(dòng)化系統，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到數據中心，系統通過(guò)數據中心平臺實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控、生產(chǎn)調度、數據處理等功能。整個(gè)系統采用以太網(wǎng)作為通信鏈路，所有生產(chǎn)層系統均可以通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )與管理層實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互通。

    為了保證系統的安全性，解決實(shí)現實(shí)時(shí)數據通信的前提下，保證本地系統的安全運行的技術(shù)難題，我們在每個(gè)生產(chǎn)單位的自動(dòng)化系統中增設通信處理機一套，完成本地生產(chǎn)數據的采集，并通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )鏈路，以標準工業(yè)通信協(xié)議與上級數據中心實(shí)現實(shí)時(shí)通信，并實(shí)現本地控制網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )（已建企業(yè)局域網(wǎng)或外租公共網(wǎng)絡(luò )）的物理隔離，以保證本地系統的可靠性，避免外部網(wǎng)絡(luò )病毒等對本地控制系統的影響。

   在控制中心設前置通信處理機實(shí)現對下級生產(chǎn)單位的工業(yè)生產(chǎn)數據的采集，并在通信處理機中以虛擬設備的形式為后臺數據應用提供實(shí)時(shí)數據。前置通信處理機采用嵌入式系統，前端與外部網(wǎng)絡(luò )連接，通過(guò)工業(yè)通信協(xié)議與數據中心實(shí)時(shí)歷史數據服務(wù)器通信，實(shí)現數據通信和外部網(wǎng)絡(luò )通信的物理隔離。這樣不但可以實(shí)現前端生產(chǎn)單位生產(chǎn)自控系統的實(shí)時(shí)數據通信，還可以解決本地控制系統安全可靠運行的技術(shù)難題。

    通信處理機功能：
    實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)控制系統實(shí)時(shí)數據
    實(shí)時(shí)傳送/下達上級控制指令
    隔離本地網(wǎng)絡(luò )與外部網(wǎng)絡(luò )
    配合遠程維護軟件系統，可以實(shí)現遠程維護接入管理服務(wù)

    通信處理機通信接口：
    輸入端：以太網(wǎng)、串行接口
    輸出端：以太網(wǎng)
    可兼容傳輸設備：數傳電臺、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、GPRS/CDMA、電話(huà)撥號等主流設備

    通信處理機通信協(xié)議:
    輸入端：Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP、DNP 等主流工業(yè)協(xié)議
    輸出端： Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP、DNP for TCP/UDP
    遠維端：專(zhuān)有VPN服務(wù)，遠程維護專(zhuān)用數據通道（安全透明通道，實(shí)時(shí)驗證）

    通信處理機通信規模：
    支持最大10000個(gè)物理/數據點(diǎn)
    通信處理機操作系統：
    嵌入式實(shí)時(shí)操作系統

               
 
                             圖5 網(wǎng)絡(luò )鏈路圖

    通信處理機選用北京安控的Super E50 RTU。Super E50 系列RTU 是安控科技集多年的控制系統開(kāi)發(fā)、工程經(jīng)驗設計的新型模塊化RTU 產(chǎn)品，可實(shí)現對工業(yè)現場(chǎng)信號的采集和設備的控制。該產(chǎn)品采用了32 位處理器和高效的嵌入式操作系統，整個(gè)系統功能強大、操作方便、集成度高，不僅能完成數據采集、定時(shí)、計數、控制，還能完成復雜的計算、PID控制、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能，其程序開(kāi)發(fā)方便，可與上位機組成控制系統，實(shí)現集散控制。Super E50 系列RTU 產(chǎn)品具有多種配置和可選功能，可根據工程的實(shí)際需求，設計開(kāi)發(fā)成各種控制系統。

    3.3 SCADA系統的控制中心

    注汽鍋爐自動(dòng)化系統是整個(gè)油田自動(dòng)化的重要組成部分，關(guān)系到油田生產(chǎn)工作的正常運行，由于各注汽站地點(diǎn)比較分散，管理不方便需要實(shí)現鍋爐集中監控與管理，以實(shí)現故障巡檢，提高管理效率，響應油田公司數字油田建設的號召，強化生產(chǎn)現場(chǎng)的直接管理，提高信息化水平，將注汽聯(lián)合站設備運行參數及監控、報警參數傳輸至中控室進(jìn)行集中監控，實(shí)現注汽站的無(wú)人值守，保證設備的安全運行。

    根據油田鍋爐自控系統當前實(shí)際情況，從現場(chǎng)數據采集的地理位置、采集點(diǎn)的總數、總體采集時(shí)間、服務(wù)器運行負荷、安全、管理、維護等方面綜合考慮，合理配置SCADA物理服務(wù)器數量，負責不同功能及監控區域。

    在控制中心采用一對互為熱備的實(shí)時(shí)歷史數據服務(wù)器作為整個(gè)平臺的數據采集核心，為其它系統提供實(shí)時(shí)歷史數據，并設WEB發(fā)布服務(wù)器、關(guān)系數據服務(wù)器、工程師站、操作員站、報表工作站、調度工作站、打印機、視頻服務(wù)器和電視墻系統組成，可以實(shí)現工程工藝過(guò)程監控、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)調度和實(shí)時(shí)視頻綜合監控等功能。

    為了保證整個(gè)系統的安全可靠運行，保證系統在出現故障時(shí)能得到及時(shí)的維護，整個(gè)數字化平臺設遠程維護管理系統一套（RMMS）。設遠程維護接入服務(wù)器、遠程維護服務(wù)器、遠程維護工作站（在廠(chǎng)區數據中心本地實(shí)現對前端生產(chǎn)單位的遠程維護，配合第三方系統維護軟件，可以實(shí)現控制站級的遠程維護，如RTU/PLC、DCS系統的程序下載，遠程組態(tài)的功能）。

    3.4 SCADA系統的功能

    SCADA系統遠程監測現場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據；通過(guò)WEB發(fā)布，用瀏覽器來(lái)查看查詢(xún)供汽鍋爐的實(shí)時(shí)和歷史數據；對于停爐、蒸汽壓力異常報警發(fā)送到指定手機。 

    通過(guò)使用SCADA系統， 實(shí)現供汽鍋爐生產(chǎn)參數的自動(dòng)遠程監測，將現場(chǎng)壓力、溫度、電參數等參數，通過(guò)局域網(wǎng)來(lái)查看查詢(xún)供汽鍋爐的現場(chǎng)狀況， 重要報警發(fā)送到手機。實(shí)現生產(chǎn)數據傳輸；通過(guò)專(zhuān)用軟件，將生產(chǎn)數據解析成可讀數據或繪制圖表，并保存在數據庫并以WEB方式發(fā)布。

    3.5 SCADA系統軟件結構

              
 
                        圖6 SCADA系統軟件結構圖

    監控中心計算機內裝WindowsXP 操作系統，監控軟件和應用軟件，用于工藝流程的操作及監視，設備狀態(tài)的監視、設備故障的監視及確認，流量、壓力、溫度的瞬時(shí)值及累計值的圖形化動(dòng)態(tài)顯示，故障及生產(chǎn)報表打印等。實(shí)現整個(gè)系統的狀態(tài)監視、控制操作、數據采集等功能，通過(guò)設置密碼限制不同級別人員操作。

    組態(tài)軟件一方面通過(guò)I/O驅動(dòng)程序從現場(chǎng)I/O設備獲取實(shí)時(shí)數據，對數據進(jìn)行必要的加工后，以圖形方式直觀(guān)地顯示在計算機屏幕上；另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將被控數據送給I/O設備，對執行機構控制或調整控制參數。下圖直觀(guān)的表示出了組態(tài)軟件的數據流程。

               
   
                        圖7 SCADA系統數據結構圖

    從圖中可以看出，實(shí)時(shí)數據庫是組態(tài)軟件的核心和引擎，歷史數據的存儲與檢索、報警處理與存儲、數據的運算處理、數據連接都是由實(shí)時(shí)數據庫系統完成的。圖形界面系統、驅動(dòng)程序等組件以實(shí)時(shí)數據庫為核心，通過(guò)高效的內部協(xié)議相互通信，共享數據。

    4 系統運行效果

    根據油田供汽站的地理分布以及工藝流程，基于“集中管理，分散控制”的模式，建立了一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、成效顯著(zhù)且便于進(jìn)一步擴充的集現場(chǎng)控制、過(guò)程監視和計算機管理于一體的監控系統，完成對整個(gè)工藝過(guò)程及全部生產(chǎn)設備的監測與自動(dòng)控制，實(shí)現了“現場(chǎng)無(wú)人值守，中心站少人值班”的目標。