SCADA系統(tǒng)在英東油田的應(yīng)用

吳朋，牟紅菊

（1.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121 ；2.重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司，重慶 401121）

0 引言

油田數(shù)字化建設(shè)是當(dāng)今油田建設(shè)的重點工程。而數(shù)字油田主要是把井場、聯(lián)合站、注水站等油田生產(chǎn)制造現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)通過局域光纖網(wǎng)、GPRS/CDMA、3G等傳輸手段，采集、存儲到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺，然后進(jìn)入信息管理中心的數(shù)據(jù)倉庫; 油田管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)倉庫提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合大量的業(yè)務(wù)模型，通過應(yīng)用智能識別、數(shù)據(jù)融合、移動計算等技術(shù)，完成生產(chǎn)實時診斷與遠(yuǎn)程管理。SCADA系統(tǒng)是油田數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)。

1 SCADA系統(tǒng)

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition 的縮寫，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它是基于計算機(jī)技術(shù)的生產(chǎn)過程自動化與調(diào)度自動化控制系統(tǒng)。它可以對生產(chǎn)過程、現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理、設(shè)備控制、運(yùn)行分析、參數(shù)調(diào)節(jié)、各種報警等功能[1]。它能將收集到的各種現(xiàn)場信息，通過通訊線路、網(wǎng)關(guān)等傳送到控制中心，控制中心的操作員監(jiān)視這些信息，并能向遠(yuǎn)方的設(shè)備發(fā)布操作命令，同時它也為工廠信息系統(tǒng)提供各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。SCADA 系統(tǒng)以其優(yōu)越性在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 油田SCADA系統(tǒng)建設(shè)的重要性

為了推進(jìn)油田生產(chǎn)信息化建設(shè)，提高油氣生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化的融合，以達(dá)到《中國石油“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》的要求。SCADA系統(tǒng)越來越多地用于油田的生產(chǎn)控制與管理。目前國際油公司基本上都實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動收集、處理、計量；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展形成生產(chǎn)自動預(yù)警、生產(chǎn)裝置自動監(jiān)控、支持生產(chǎn)指揮決策。

油田SCADA系統(tǒng)主要是通過對井口參數(shù)的實時檢測，采用輪詢應(yīng)答的通信方式，將檢測到的油井狀態(tài)，通過無線或有線方式傳送給采油廠實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并以C/S或B/S模式，使生產(chǎn)管理的各個部門能夠及時掌握油井工作狀態(tài)，縮短油井故障處理時間，提高開井時率，增加原油產(chǎn)量，提高工作效率[2]。

3 英東油田情況

英東油田原有的油井，水井等生產(chǎn)設(shè)備的自動化監(jiān)控為單井，單站獨立方式進(jìn)行。每口井有單獨的RTU進(jìn)行控制，生產(chǎn)數(shù)據(jù)只能現(xiàn)場顯示。各個RTU中的數(shù)據(jù)庫的格式不統(tǒng)一，給系統(tǒng)的維護(hù)及改造造成不便。原有的單井系統(tǒng)如出現(xiàn)故障，必須靠人工進(jìn)行巡邏發(fā)現(xiàn)。而且故障排除時間較長，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)正常。

接轉(zhuǎn)站及注水站這類設(shè)備集中區(qū)域，則設(shè)置了PLC與控制室，但由于站點間地域距離遠(yuǎn)，無法進(jìn)行集中控制，對運(yùn)營人員和監(jiān)控設(shè)備造成了重復(fù)和浪費。各自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫處于獨立狀態(tài)，無法通訊與整合，整個油田沒有一個整合的數(shù)據(jù)庫對生產(chǎn)活動進(jìn)行管控。原有的系統(tǒng)已經(jīng)顯得落后和故障率高，不能滿足發(fā)展的生產(chǎn)的需要，為了響應(yīng)數(shù)字油田建設(shè)及提高生產(chǎn)能力，英東油田SCADA系統(tǒng)建設(shè)顯得尤為重要。

4 英東油田SCADA系統(tǒng)構(gòu)成

英東油田SCADA系統(tǒng)監(jiān)視和控制中心設(shè)在接轉(zhuǎn)站儀控室，與接轉(zhuǎn)站PLC站控系統(tǒng)集中布置，是英東油田生產(chǎn)監(jiān)控中心。

英東油田SCADA系統(tǒng)監(jiān)控對象包括：接轉(zhuǎn)站1座、注水站1座、叢式采油井場46座（示功圖、一體化節(jié)能控制柜、燃燒器等設(shè)備）、注水平臺15座、單井采油井場17座、單井注水井場9座、集輸管網(wǎng)閥井4座。其中接轉(zhuǎn)站、注水站設(shè)置S7-400 PLC系統(tǒng)(本次新建）、其它為RTU控制器（前期已有，單站獨立控制）。本SCADA系統(tǒng)總采集點約為50000個。

英東油田場站的PLC或RTU提供以太網(wǎng)接口與光纖交換機(jī)通過單模光纖（或其它通信終端設(shè)備）相連，可以設(shè)定不同網(wǎng)段（非標(biāo)準(zhǔn)C類網(wǎng)段）的IP地址及網(wǎng)關(guān)；部分井場RTU通過無線通訊相連。利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合井場地理位置，通過有線與無線相結(jié)合，分別將數(shù)據(jù)傳送到接轉(zhuǎn)站控制中心SCADA系統(tǒng)中，再通過SCADA系統(tǒng)服務(wù)器將有關(guān)數(shù)據(jù)上傳到廠部調(diào)控中心，預(yù)留與油田信息化的MIS或ERP信息網(wǎng)絡(luò)接口。本SCADA系統(tǒng)架構(gòu)組成，分為三層架構(gòu)：現(xiàn)場控制層、數(shù)據(jù)采集層、監(jiān)控調(diào)度層。具體組成如下：

4.1 現(xiàn)場控制層

1）接轉(zhuǎn)站PLC控制系統(tǒng)：用于監(jiān)控生產(chǎn)過程的狀態(tài)和工藝過程數(shù)據(jù)；

叢式采油井場RTU，采集采油井示功圖數(shù)據(jù)；

注水站PLC，采集生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)；

集輸管網(wǎng)RTU，采集集輸管網(wǎng)閥井檢測數(shù)據(jù)；

單井采油井RTU，采集過程控制數(shù)據(jù)；

單井注水井RTU，采集過程控制數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集層

在這一層面，我們使用Proficy iFixSCADA（iFix）和Industry Gateway Server（IGS）軟件來實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集層軟件，我們使用了市場占有率最大的iFix，其可靠的性能能為本SCADA系統(tǒng)提供可靠的質(zhì)量保障。IGS，是專業(yè)的數(shù)據(jù)通訊軟件，能實現(xiàn)廣泛的軟硬件通訊連接，并提供穩(wěn)定可靠的通訊性能。

IGS和iFix，構(gòu)成了最優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集組合，IGS負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和輸出，iFix得到IGS采集的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過設(shè)計開發(fā)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)以工藝流程圖、報警和事件過濾及查詢、曲線、圖表和報表的多種信息展示，扮演著調(diào)度人員與現(xiàn)場設(shè)備、機(jī)器之間的聯(lián)系角色。在架構(gòu)上，兩臺iFix服務(wù)器之間配置為冗余熱備方式，主備服務(wù)器之間，不間斷進(jìn)行著實時數(shù)據(jù)庫、報警等重要HMI任務(wù)的實時同步，既保證系統(tǒng)能可靠的持續(xù)運(yùn)行，又保證在同一時刻只有一臺活動（Active）服務(wù)器具有向下操作的權(quán)限，防止不同的用戶通過不同的HMI服務(wù)器同時操作，造成現(xiàn)場指令混亂，保障安全生產(chǎn)。

4.3 監(jiān)控調(diào)度層

數(shù)據(jù)的整合離不開數(shù)據(jù)的采集，在第二層面，IGS獲取了現(xiàn)場控制器（RTU、PLC等）的數(shù)據(jù)，已經(jīng)奠定了常規(guī)數(shù)據(jù)源的整合基礎(chǔ)，即使在系統(tǒng)集成過程中，出現(xiàn)了對第三方非常規(guī)數(shù)據(jù)的采集需求，如第三方應(yīng)用軟件、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、實驗室系統(tǒng)等，iFix因為有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫集成和編程能力，也能實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)集成，集成過程中，會應(yīng)用到iFix一些非常實用的工具和技術(shù)，如：SQT/SQD、VisiconX、VBA等。

基于這種強(qiáng)大數(shù)據(jù)集成能力，我們要將各種來源的數(shù)據(jù)歸納到同一個技術(shù)架構(gòu)之下，從而消除不同系統(tǒng)形成的信息孤島，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)整合。我們使用Proficy Historian（iH）來構(gòu)建數(shù)據(jù)整合之地，將油田各子系統(tǒng)信息孤島的數(shù)據(jù)，海納百川，形成一個統(tǒng)一的實時歷史數(shù)據(jù)庫平臺，并具備存儲轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)歸檔流不間斷特性和高可靠性（群集）的服務(wù)能力，為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的加工和深層次分析利用奠定了基礎(chǔ)。

同時，在這一層面，我們基于iFixSCADA強(qiáng)大的可視化、應(yīng)用邏輯設(shè)計和事件調(diào)度能力，并結(jié)合iH強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)計算和綜合分析能力，在生產(chǎn)調(diào)度方面，精確實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行、保護(hù)和操作，并對生產(chǎn)工藝和流程進(jìn)行全程監(jiān)控和維護(hù)，通過對關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實時和歷史數(shù)據(jù)計算、分析和預(yù)測，發(fā)揮出設(shè)備和人員的最大工作效率，并同時使重要設(shè)備實現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，降低成本，保護(hù)環(huán)境。

并且，iH和iFix的結(jié)合，誕生了一項非常有價值的功能，我們可以在iFix的人機(jī)界面上，實現(xiàn)工藝流程圖上數(shù)據(jù)顯示的歷史回溯。神奇的iFix圖形顯示元素，可以連接歷史數(shù)據(jù)源，在指定的時間區(qū)間內(nèi)，將生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生過的真實場景進(jìn)行回放，使本SCADA系統(tǒng)的調(diào)度及監(jiān)控功能更加智能化。如圖1所示。

圖1 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這三層應(yīng)用，絲絲相連，環(huán)環(huán)相扣。在第三層的數(shù)據(jù)挖掘方面，我們依賴于搭建的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺：實時歷史數(shù)據(jù)庫iH，利用其靈活的數(shù)據(jù)訪問接口，和豐富的分析、查詢檢索類型，可以自由的、靈活的從iH獲取所關(guān)注的基于生產(chǎn)實時或歷史數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù)分析信息，從而為業(yè)務(wù)部門提供更有價值的生產(chǎn)決策參考信息。

我們在設(shè)計實施英東SCADA系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)庫中標(biāo)簽全部遵循《中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)》的命名規(guī)則，即每個標(biāo)簽名由一定規(guī)則的數(shù)字及字母構(gòu)成，通過標(biāo)簽名即可知道設(shè)備的類型及位號。SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫對外有多種接口，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫接口圖

SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與RTU通訊采用MODBUS TCP協(xié)議。

SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與PLC通訊采用OPC協(xié)議。

SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與oracle通訊采用TCP協(xié)議,SQL與VB結(jié)合寫入數(shù)據(jù)。

內(nèi)網(wǎng)與因特網(wǎng)之間隔離，SCADA系統(tǒng)采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)通過WEB服務(wù)器對外發(fā)布，因特網(wǎng)無法直接對采集服務(wù)器進(jìn)行訪問。數(shù)據(jù)項的存取通過數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)項的特征名稱即可實現(xiàn)，而不必知道數(shù)據(jù)的格式和存儲地址。以安全為先決條件，業(yè)主用標(biāo)準(zhǔn)高級語言編寫的程序應(yīng)可以訪問數(shù)據(jù)庫所有的數(shù)據(jù)項。

由于數(shù)據(jù)庫的整合，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)，方便局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)調(diào)用，油田信息化系統(tǒng)可以讀取PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，為今后的信息化管理升級打下基礎(chǔ)。

5 英東油田SCADA系統(tǒng)配置

英東油田SCADA系統(tǒng)，我公司結(jié)合我們的成功應(yīng)用經(jīng)驗，軟件選用GE的IFIX，計算機(jī)、服務(wù)器、磁盤陣列等選用的DELL 品牌，三層核心交換機(jī)選用羅杰康，硬件防火墻選用思科產(chǎn)品。如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置

WEB服務(wù)器（含WEB服務(wù)器軟件） 臺 1 5服務(wù)器及通訊機(jī)柜 臺 2 6抽屜式顯示器及KVM切換裝置 套 1 7三層核心交換機(jī) 臺 2 8路由器 臺 1 9磁盤陣列 套 1 10 硬件防火墻 臺 1 11 Windows 2008 sever操作系統(tǒng)軟件 套 3 12 Windows 7 操作系統(tǒng)軟件 套 3 13 ORACLE 32位 10G數(shù)據(jù)庫軟件 套 1 4

6 英東油田SCADA系統(tǒng)效果

英東油田SCADA系統(tǒng)中心負(fù)責(zé)統(tǒng)一監(jiān)視、調(diào)度、管理全英東油田的生產(chǎn)運(yùn)行，如下達(dá)命令、采集各種數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)各個井場和場站的運(yùn)行、處理油田的事故。各工藝站場的站控制系統(tǒng)PLC（或RTU），在正常情況下受SCADA系統(tǒng)的指揮，為廠部調(diào)控中心提供數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)本地站的具體操作和聯(lián)鎖保護(hù)，完成各種具體的操作程序。部分場站可實現(xiàn)無人監(jiān)控，各種設(shè)備的狀態(tài)及故障擺脫了人工巡檢，極大的節(jié)約了人工及重復(fù)設(shè)備的投資，給未來系統(tǒng)的完善與擴(kuò)容奠定了基礎(chǔ)。如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控數(shù)據(jù)圖

7 結(jié)束語

油田SCADA 系統(tǒng)的應(yīng)用是實現(xiàn)數(shù)字化油田的基礎(chǔ)。它的成功實施需要自動化、信息化等多專業(yè)、多部門的協(xié)同配合, 可以按照統(tǒng)一規(guī)劃, 分步實施, 先易后難的則, 堅持循序漸進(jìn)、穩(wěn)扎穩(wěn)打, 實施優(yōu)化工程, 從而達(dá)到提升油田管理水平, 增加效益、降低成本的目的[3]?！?/p>

[1] 田洪武,姜波,武建宏. SCADA系統(tǒng)在長輸管道的應(yīng)用和發(fā)展.

[2] 黃釘勁,王瑩,王建華,阮照軍.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2007,02.

[3] 田洪武,姜波,武建宏,SCADA系統(tǒng)在長輸管道的應(yīng)用和發(fā)展.