淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

Design and Setup of the Monitoring System for Shallow Water Test Site

楊　安1　陳　斌1　謝　超2　張汝彬1　蔡玉龍2　陳東良2　王立權(quán)2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津　300051；哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院2，黑龍江 哈爾濱　150001)

淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

Design and Setup of the Monitoring System for Shallow Water Test Site

楊安1陳斌1謝超2張汝彬1蔡玉龍2陳東良2王立權(quán)2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津300051；哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院2，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：為了搭建淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于WinCC搭建的SCADA系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由5個子任務(wù)系統(tǒng)組成，每個子任務(wù)系統(tǒng)具有自己的工程師站與操控站。主服務(wù)器通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)與子任務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，結(jié)合大屏幕監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控大屏幕上各任務(wù)的全屏與分屏顯示，避免總監(jiān)控系統(tǒng)對各個子任務(wù)畫面的二次組態(tài)。搭建得到的監(jiān)控系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，搭建工作量更小。通過Web Navigator和Data Monitor實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)下載，為其他監(jiān)控系統(tǒng)搭建提供參考。

關(guān)鍵詞：淺水測試場分布式監(jiān)控系統(tǒng)WinCC遠(yuǎn)程監(jiān)控主/從服務(wù)器

Abstract：To setup the monitoring system for shallow water test site, the SCADA based on WinCC is setup. The entire system is composed of five sub task systems; each sub task system has its own engineer station and operator control station. The data communication between main server and sub task server is implemented via TCP/IP; combining with large screen monitoring technology, each sub task can be displayed in full screen and split-screen on monitoring large screen, thus the secondary configuration for each sub task graphic can be avoided in total monitoring system. The system is easy to setup and possesses better stability and maintainability; remote monitoring and data download can be implemented through Web Navigator and Data Monitor; it provides reference for setting up other monitoring systems.

Keywords：Shallow water test siteDistributed control systemWinCCRemote monitoringMaster/slave server

0引言

深海油氣開采過程中，水下生產(chǎn)技術(shù)具有受天氣影響小、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，是開采深海油氣田的關(guān)鍵技術(shù)之一。水下生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)控技術(shù)是深海油氣田開采中的重要一環(huán)，對于水下生產(chǎn)設(shè)施生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證起著非常重要的作用[1]。

目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試主要包括基礎(chǔ)的單元測試、子系統(tǒng)工廠接收測試、系統(tǒng)集成測試、現(xiàn)場接收測試以及生產(chǎn)調(diào)試等。測試所使用的水池主要分為以下三種：①氣密性測試水池，一般的設(shè)備制造商或者設(shè)備維修公司均建有這類水池；②安裝測試水池，主要用于水下處理系統(tǒng)等水下生產(chǎn)設(shè)施的測試，世界共5座且均位于挪威；③模型測試水池，用于水下系統(tǒng)模型測試，主要分布在高校及科研機(jī)構(gòu)。國內(nèi)也有不少海洋測試水池，但是由于受水池大小、水深與場地的限制，無法做大型水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝測試[2]。

本文根據(jù)國內(nèi)外水下監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的調(diào)研，設(shè)計(jì)與搭建了用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)測試的淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)，研究適合我國的水下設(shè)施監(jiān)控技術(shù)。

1分布式監(jiān)控系統(tǒng)(DCS)

淺水測試場監(jiān)控采用分布式監(jiān)控系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，現(xiàn)有的分布式監(jiān)控系統(tǒng)通?？煞譃楣こ處熣?、操作員站、服務(wù)器站、控制器站等功能站[3]，每個功能站通過TCP/IP進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)交互。通過將所有的功能站組合在一起就成為了一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，以此來實(shí)現(xiàn)分散控制、集中監(jiān)視、集中控制等功能[4]。對于單個子任務(wù)系統(tǒng)來說，組態(tài)工作簡單，分布式系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，降低主服務(wù)器的工作量。但對于多個子任務(wù)系統(tǒng)，需要將子任務(wù)系統(tǒng)重新整合并進(jìn)行功能站的劃分，不僅使得系統(tǒng)組態(tài)工作量增加，而且在后期單個子任務(wù)系統(tǒng)的升級中需要整個系統(tǒng)的重新組態(tài)，影響整個系統(tǒng)運(yùn)行，增加了維護(hù)成本。本系統(tǒng)在分布式監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將整個任務(wù)分成5個子任務(wù)系統(tǒng)，每個子任務(wù)系統(tǒng)具有自己的工程師站與操控站。主服務(wù)器通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)與子任務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，結(jié)合大屏幕監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)子任務(wù)監(jiān)控畫面在總監(jiān)控中的顯示，從而避免將5個子任務(wù)進(jìn)行畫面的二次組態(tài)。系統(tǒng)功能分布在各個子服務(wù)器中，減小主從服務(wù)器的工作量，使得總監(jiān)控系統(tǒng)更易于維護(hù)，可靠性更高。

2淺水測試場系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1　總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程，本課題基于以下原則進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(1) 淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，并且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有一定的可靠性和穩(wěn)定性；

(2) 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)應(yīng)按照水下生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)，盡量采用與實(shí)際的水下生產(chǎn)工藝流程相接近的圖解與動畫表示；

(3) 對于出現(xiàn)頻率比較高的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的閥門、傳感器數(shù)據(jù)、控制變量、狀態(tài)變量及報(bào)警狀態(tài)，應(yīng)完善其顯示方式，方便管理員和現(xiàn)場操作員及時查詢當(dāng)前生產(chǎn)工藝過程，重要的狀態(tài)變量及報(bào)警狀態(tài)應(yīng)在組態(tài)軟件系統(tǒng)監(jiān)控界面中用醒目的顏色顯示；

(4) 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)制定合理的密碼管理和操作訪問權(quán)限，同時要制定完善的管理規(guī)則，強(qiáng)化管理者與現(xiàn)場操作員的安全管理意識。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)基于WinCC組態(tài)軟件，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、主/從服務(wù)器等組成，能夠通過局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)對大型設(shè)備的狀態(tài)和工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，包括設(shè)備的工藝參數(shù)(轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、功率、溫度、壓力、流量等)。該系統(tǒng)不但能夠存儲長時間的系統(tǒng)參數(shù)，并且能夠在線和遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)，便于工程師能夠“隨時隨地”掌握設(shè)備運(yùn)行的信息，解決信息孤島問題，方便、有效地運(yùn)用專家的經(jīng)驗(yàn)和知識，促進(jìn)大型設(shè)備的管理工作[5-6]。淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1　淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為3層，具體如下。

(1) 管理層：是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中樞。管理層提供人機(jī)接口，是整個控制系統(tǒng)信息交換的界面，主要完成系統(tǒng)組態(tài)、控制參數(shù)在線修改、處理工藝參數(shù)顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示和設(shè)備集中控制、超限故障報(bào)警、報(bào)表打印等功能。主從服務(wù)器選用大型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫管理方法的要求。5個子任務(wù)服務(wù)器采用工控計(jì)算機(jī)，分別側(cè)重監(jiān)控與管理功能。

(2)控制層：是管理層與現(xiàn)場層之間的樞紐層，其主要功能是接受管理級的參數(shù)或命令，同時實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)上傳、對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制等功能。管理級的計(jì)算機(jī)與控制級的PLC之間由屏蔽的雙絞線進(jìn)行連接，PLC配置通信模塊接口，采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

(3) 現(xiàn)場層：是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場層主要由傳感器、檢測儀表、控制設(shè)備等組成，其主要功能是完成其范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程、儀表、設(shè)備的檢測并將檢測到的數(shù)據(jù)上傳，接受控制級的指令，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制等。各設(shè)備分區(qū)、現(xiàn)場檢測儀表等采用現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。

淺水測試層監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：在淺水測試的監(jiān)控系統(tǒng)中，下位機(jī)系統(tǒng)使用Siemens S7 PLC完成現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理；上位機(jī)系統(tǒng)采用Siemens WinCC V13平臺實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)可視化的監(jiān)控。上位機(jī)系統(tǒng)中，子任務(wù)服務(wù)器負(fù)責(zé)從下位機(jī)采集、處理和存儲數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的組態(tài)和運(yùn)行監(jiān)控；主/從服務(wù)器負(fù)責(zé)保存來自子任務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。子任務(wù)服務(wù)器與主從服務(wù)器之間采用了客戶機(jī)/服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，在擴(kuò)大功能范圍的同時減輕主/從服務(wù)器的負(fù)載，并保證系統(tǒng)良好的功能特性；主/從服務(wù)器與子任務(wù)服務(wù)器之間采用TCP/IP，基于OPC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享;主從服務(wù)器故障時互為備用，具有靈活的運(yùn)行方式。這種結(jié)構(gòu)可使生產(chǎn)過程中的信息集中管理，以實(shí)現(xiàn)整體操作、管理和優(yōu)化，同時分散控制危險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性，子任務(wù)服務(wù)器通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)將PLC控制器實(shí)時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理并反饋到監(jiān)控界面中。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)工程師從監(jiān)控界面中的控制開關(guān)、按鈕的指令信號，進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服務(wù)器用于工藝控制，它們之間的通信將通過開放、交換式的快速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。來自現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的信號被采集到相關(guān)的I/O站，通過開放的Modbus-RTU網(wǎng)送至PLC控制系統(tǒng)。幾乎所有的操作都通過WinCC操作站的顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤來實(shí)現(xiàn)。

2.2　監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

根據(jù)淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控要求，監(jiān)控系統(tǒng)包含五個子任務(wù)系統(tǒng)：水下電控監(jiān)控任務(wù)系統(tǒng)、水下液控任務(wù)系統(tǒng)、多相流模擬任務(wù)系統(tǒng)、防腐監(jiān)測任務(wù)系統(tǒng)、淺水測試場總監(jiān)控系統(tǒng)。為了減少工作量，簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免整個子任務(wù)系統(tǒng)畫面的二次組態(tài)，結(jié)合液晶顯示拼接技術(shù)，各個子任務(wù)之間通過VGA視頻線將工藝過程畫面接入到大屏幕電視中，通過子任務(wù)淺水測試場總監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)總監(jiān)控室中大屏幕電視墻的畫面切換，如圖2所示。

圖2　淺水測試場系統(tǒng)監(jiān)控組成原理圖

當(dāng)單個子任務(wù)需要修改時不會影響到監(jiān)控室中對總監(jiān)控系統(tǒng)中其他子任務(wù)的監(jiān)控，也不需要對總監(jiān)控系統(tǒng)畫面進(jìn)行修改。

整個監(jiān)控畫面結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包含了5個子任務(wù)的按鈕切換畫面、水下視頻監(jiān)控任務(wù)的攝像頭監(jiān)控畫面、歷史視頻回放畫面、部分工藝過程參數(shù)變化趨勢以及報(bào)警信息。

圖3　監(jiān)控界面組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，選取WinCC中的Web Navigator組件。WinCC Web Navigator可以通過Intranet/Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控， WinCC Web Navigator組件包分別由安裝在服務(wù)器計(jì)算機(jī)上的特殊 WinCC Web Navigator 服務(wù)器組件和運(yùn)行在Internet計(jì)算機(jī)上的WinCC Web Navigator客戶機(jī)組件組成。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通用的是TCP/IP協(xié)議，因此在該系統(tǒng)中采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信[7]。WinCC Web Navigator 客戶機(jī)集成在客戶機(jī)PC的Internet瀏覽器中，可以運(yùn)行和管理正在進(jìn)行的WinCC項(xiàng)目而無需在PC上安裝整個WinCC基本系統(tǒng)[8]。項(xiàng)目和相關(guān)的WinCC應(yīng)用程序位于服務(wù)器計(jì)算機(jī)上。遠(yuǎn)程用戶只需要下載并安裝對應(yīng)的WinCC Web Navigator Client組件，通過網(wǎng)絡(luò)連接和準(zhǔn)確的用戶賬號/密碼，就可以遠(yuǎn)程訪問到發(fā)布在Web上的系統(tǒng)操作過程畫面、報(bào)警記錄畫面、趨勢曲線畫面、歷史記錄畫面等。

根據(jù)不同的項(xiàng)目情況，WinCC Web Navigator Server可以有不同的組態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]?？紤]遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)條件的原則,采用如圖4所示的組態(tài)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)組態(tài)中，WinCC Server和WinCC Web Navigator的服務(wù)器組件安裝在一臺計(jì)算機(jī)上。WinCC Web Navigator 客戶機(jī)可以通過Internet/Intranet監(jiān)控運(yùn)行的WinCC項(xiàng)目。使用WinCC Web Navigator客戶機(jī)，可以擴(kuò)展客戶機(jī)-服務(wù)器系統(tǒng)。

圖4　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

本監(jiān)控系統(tǒng)采用專用WinCC Web Navigator服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)兩臺下位WinCC服務(wù)器之間的冗余切換，從而提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過在瀏覽器中輸入相應(yīng)的服務(wù)器IP地址，便可以訪問總監(jiān)控系統(tǒng)的Web服務(wù)器；經(jīng)過服務(wù)器的安全身份驗(yàn)證，便可以登錄到Web服務(wù)器，并訪問主/從服務(wù)器的數(shù)據(jù)及子服務(wù)器的過程畫面,如圖5所示。第一次通過瀏覽器登錄服務(wù)器時應(yīng)該按照提示安裝相應(yīng)的瀏覽器插件，用戶輸入IP地址/datamonitor，可以訪問服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，且可根據(jù)自身需求，下載打印監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)據(jù)表格和變化趨勢圖。

圖5　遠(yuǎn)程監(jiān)控步驟圖

2.4　監(jiān)控系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的安全是設(shè)計(jì)中的重要問題，主要通過對用戶的權(quán)限及密碼進(jìn)行管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控組態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證整個系統(tǒng)的安全。

(1) 用戶管理

用戶管理系統(tǒng)組態(tài)WinCC用戶的訪問權(quán)限，通過權(quán)限分配，為用戶分配不同的訪問權(quán)限，用戶可以進(jìn)行相關(guān)的權(quán)利操作。本監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置的3種級別的用戶具有不同的操作授權(quán)，其中“Administrator”(管理員)，“Engineer”(工程師)和“Operator”(操作員)分配不同操作權(quán)限。

① 管理員權(quán)限：管理員具有對該監(jiān)控系統(tǒng)的所有操作權(quán)限。管理員在重要的系統(tǒng)操作方面具有特別授權(quán)。比如負(fù)責(zé)重要過程數(shù)據(jù)的設(shè)定及修改、畫面編輯、動作編輯、用戶管理、系統(tǒng)退出等操作。

② 工程師權(quán)限：在操作員權(quán)限基礎(chǔ)上，工程師具有進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的任何操作、設(shè)定及修改生產(chǎn)過程的相關(guān)參數(shù)、報(bào)警處理及消息歸檔等權(quán)限。

③ 操作員權(quán)限：操作員級只能進(jìn)行簡單的生產(chǎn)過程控制，但是具備基本的系統(tǒng)操作權(quán)限。比如：查看控制畫面、確認(rèn)報(bào)警信息、確認(rèn)通信故障、消息歸檔操作等。

(2) 遠(yuǎn)程監(jiān)控安全

在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控Web Server時，監(jiān)控系統(tǒng)需要連接到外部網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的安全是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重[10-11]，因此根據(jù)安全性和系統(tǒng)條件要求，在系統(tǒng)運(yùn)行時必須采用防火墻。

3硬件設(shè)計(jì)及其選型

淺水測試場總監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子工控產(chǎn)品。其中工控機(jī)選取IPC647C，其性能高且系統(tǒng)響應(yīng)時間極短，系統(tǒng)可用性和數(shù)據(jù)安全性非常高。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用SCALANCE X408-2，具有綜合冗余管理功能，能夠組成冗余環(huán)網(wǎng)，提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且有4個10/100/1 000 Mbit/s和4個10/100 Mbit/s RJ45端口和2個光纖接口，傳輸速度完全滿足測試場視頻數(shù)據(jù)傳輸需要。淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備與UPS電源連接，當(dāng)不間斷電源超載時或出現(xiàn)故障情況時，UPS就會提供市電給負(fù)載。顯示設(shè)備采用8塊三星46英寸(1英寸=25.4 mm)超窄邊液晶顯示器單元拼接而成，大屏幕電視墻的視頻陣列矩陣通過VGA視頻線與子任務(wù)的服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)子任務(wù)監(jiān)控畫面的接入。

4結(jié)束語

綜上所述，通過WinCC組態(tài)軟件搭建了一個淺水測試場分布式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠保存5個子任務(wù)的工藝過程參數(shù)與監(jiān)控視頻，并且具有遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。主服務(wù)器采用雙機(jī)熱備，具有一定的可靠性。每個子任務(wù)都具有自己的服務(wù)器，能夠通過TCP/IP協(xié)議同主從服務(wù)器進(jìn)行通信。結(jié)合大屏幕監(jiān)控技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將各個子任務(wù)畫面在大屏幕上的全屏與單屏顯示，同時避免了總監(jiān)控系統(tǒng)對各個子任務(wù)畫面的二次組態(tài)，提高了總監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，減少了主/從服務(wù)器的工作量。

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中圖分類號：TP271

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503007

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號：2011ZX05027-004-04)。

修改稿收到日期：2014-08-30。

第一作者楊安(1982-)，男，2005年畢業(yè)于天津大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事水下控制相關(guān)工作的研究。