SCADA系統(tǒng)在油氣田中的應(yīng)用

楊智，吳蕾，李林健，姚渝琪(中國石油西南油氣田公司通信與信息技術(shù)中心，四川 成都 610051)

1 SCADA系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

1.1 SCADA系統(tǒng)構(gòu)成

SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行中，分成分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的展示與處理系統(tǒng)兩個(gè)部分。其中，對分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，目前主要包括兩種設(shè)施：一類是電學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)化類裝置。在這類裝置的使用中，如：壓力傳感器、流量傳感器等，尤其在油氣田的開采中，目前已經(jīng)開發(fā)出了大量的測量設(shè)施，尤其是在管網(wǎng)系統(tǒng)中使用的各類儀表，會(huì)把管網(wǎng)系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)直接轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這類電信號(hào)會(huì)被傳遞給系統(tǒng)的接收與分析裝置，以全面分析目前的各個(gè)區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)[1]。另一類是視頻監(jiān)控信號(hào)，對一些重點(diǎn)區(qū)域要設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)施，并派遣專業(yè)人員監(jiān)控，同時(shí)取得的視頻信息也要記錄時(shí)間。數(shù)據(jù)的展示和處理系統(tǒng)需要使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成所有數(shù)據(jù)的接收和取得工作，針對不同類型的信息，配置不同的信息對比方法與分析裝置，以直接取得各類信息。

1.2 SCADA系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的運(yùn)行原理本質(zhì)上可以分成兩種：一種是形成了“類反饋控制系統(tǒng)”的控制機(jī)制；另一種是直接構(gòu)成了反饋控制系統(tǒng)的工作機(jī)制，此時(shí)可以根據(jù)SCADA系統(tǒng)的工作原理，取得所有的管理性的信息。對反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)造過程采用的工作方法為：直接按照當(dāng)前的分布式信息取得裝置，取得所有的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，之后借助反饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行方案。對于所謂的“類反饋控制系統(tǒng)”，在系統(tǒng)的運(yùn)行中要根據(jù)取得的視頻信息，使所有的人員都可以完全按照目前的工作方案得到信息。

2 SCADA系統(tǒng)在油氣田中的應(yīng)用方法

2.1 傳感器配置

SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行中，需要根據(jù)當(dāng)前的信息處理方法和裝置的配置方案，取得所有的信息收集方案。目前的技術(shù)應(yīng)用中，大量的設(shè)備都已經(jīng)可以將取得的目標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，且電信號(hào)要能夠被控制中樞所接收，之后從中取得各類專業(yè)性的控制信息。此外，對于一些特殊性的設(shè)施，比如：電力控制系統(tǒng)、區(qū)域或空間環(huán)境的監(jiān)控設(shè)施、人員的管理設(shè)施等，則需要配置出一些特殊類型的傳感器。其中對區(qū)域和環(huán)境的監(jiān)控設(shè)施，主要配置的設(shè)施為監(jiān)控探頭，借助該設(shè)施實(shí)現(xiàn)對周邊區(qū)域的全方位監(jiān)管，之后充分帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的正確監(jiān)管。對人員的管理裝置，則包括人員的學(xué)習(xí)情況、管理方案、人員的學(xué)習(xí)時(shí)間等，這類設(shè)施也都可以作為傳感器看待。

2.2 通信裝置配置

在配置了各類傳感器之后，需要構(gòu)造配套的通信系統(tǒng)。通信裝置的配置和投建過程，需要研究當(dāng)前整個(gè)系統(tǒng)信息傳遞方案、信息的穩(wěn)定傳遞需求、信息的傳遞目標(biāo)等，在獲取了所有這類關(guān)鍵性的信息之后，則需要對通信裝置的配置方法進(jìn)行分析。其中視頻信息的數(shù)據(jù)化傳遞中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，在具體的處理過程，就需要分析圖像的傳遞過程中對于數(shù)據(jù)信息的傳遞需求度，之后無論是信息的傳遞線纜選擇過程，還是信號(hào)傳遞總量的記錄與分析過程，都要在這其中構(gòu)筑專業(yè)性的信息處理裝置。此外該過程中也包括其他需要傳遞信息與數(shù)據(jù)的通信裝置，對于分布式的監(jiān)管系統(tǒng)來說，也要構(gòu)造大量的信息傳遞設(shè)施，以提高信息的傳遞穩(wěn)定度。

2.3 信息分析軟件配置

SCADA系統(tǒng)的構(gòu)造過程，需要完成對于各類信息的收集與分析，其中對于信息的分析軟件來說，主要有兩類軟件信息：一種是自動(dòng)化的控制系統(tǒng)；另一種是直接向外展示的信息[2]。前項(xiàng)工作中，可以建立傳統(tǒng)控制論與現(xiàn)代控制論下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其中傳統(tǒng)控制論下的控制方案和決策已經(jīng)經(jīng)過了長時(shí)間的使用并得到了良好的結(jié)果，比如：PID控制、PLC控制等。這類技術(shù)的使用中，可以把各類傳感器傳回的信息都可進(jìn)行直接展現(xiàn)，并且得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，代入到分析模型中，如發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據(jù)和運(yùn)行方案不匹配時(shí)，由該軟件自動(dòng)做出調(diào)整。當(dāng)然，PLC控制系統(tǒng)也允許專業(yè)人員對整個(gè)系統(tǒng)做出調(diào)整。

2.4 信息分析硬件配置

在信息的分析過程中，需要完成針對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行軟件和信息的分析硬件分析工作，其中對于已經(jīng)構(gòu)造了的信息分析裝置中，主體上可以分成3個(gè)部分：首先是涵蓋傳感器、通信裝置、監(jiān)控探頭在內(nèi)的信息分析裝置，借助這類裝置取得所有經(jīng)過了專業(yè)性處理的硬件設(shè)備；其次是承載軟件系統(tǒng)正常運(yùn)行的計(jì)算機(jī)裝置，計(jì)算機(jī)裝置的使用中，需要能夠完全按照這類專業(yè)性裝置的使用，使得取得的專業(yè)化管理工作質(zhì)量可以得到全面分析，同時(shí)考慮到SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行中，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流，這對各類設(shè)施的運(yùn)行方法與信息承載能力都提出了新的要求；最后是各類輔助性的設(shè)施，比如：電力裝置、安全保障裝置、人員或設(shè)備的狀態(tài)直接調(diào)整裝置等，此時(shí)則可以帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的完善正確運(yùn)行。

2.5 管理模型升級方法

在SCADA系統(tǒng)的使用中，針對不同的控制系統(tǒng)、調(diào)整方案與監(jiān)管體系來說，需要充分建立一套行之有效的管理要素，在得到了所有這類專業(yè)化的管理設(shè)施之后，需要對管理模型做出調(diào)整。新時(shí)期的SCADA系統(tǒng)構(gòu)造過程，需要在其中配置多種不同的控制模型，比如對于傳統(tǒng)控制論下的PID控制系統(tǒng)中，通常會(huì)通過建成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)相關(guān)裝置的運(yùn)行參數(shù)，而這類系統(tǒng)通常為二級自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中需要合理調(diào)整的參數(shù)包括信號(hào)的放大倍數(shù)、自然震動(dòng)頻率、阻尼系數(shù)等，之后根據(jù)這類參數(shù)的綜合取得控制成果進(jìn)行分析。如果發(fā)現(xiàn)得到的控制結(jié)果與期望值不符，則需要對這類參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整。

3 SCADA系統(tǒng)在油氣田中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 傳感器要點(diǎn)

在傳感器的配置中，要根據(jù)SCADA系統(tǒng)的配置要點(diǎn)和信息的收集、處理要求，得到各類專業(yè)性的信息和所有需要選用的專業(yè)化信息，方可為該系統(tǒng)的后續(xù)建設(shè)方案、使用要點(diǎn)和信息的處理工作要點(diǎn)建立對接性的工作關(guān)系，從而確保當(dāng)前建成的所有專業(yè)性的管理工作方案和已經(jīng)得到的信息進(jìn)行直接性的對照。此時(shí)，應(yīng)充分提高該系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，在各類設(shè)施的建設(shè)中，也必須要構(gòu)造專業(yè)性的設(shè)施，且所有設(shè)施要具備自動(dòng)化、精準(zhǔn)性乃至初步的智能化[3]。對于油氣田中的管網(wǎng)系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)測量并分析各個(gè)子區(qū)域的管網(wǎng)參數(shù)，如：介質(zhì)流量參數(shù)，當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出了多種專業(yè)性的管理設(shè)施，可使用電磁性流量計(jì)，以分析在目前的信息處理和信息傳遞中，直接使用該裝置取得各項(xiàng)參數(shù)，并且該電磁流量計(jì)取得的所有測量參數(shù)在利用過程中，可以全面根據(jù)當(dāng)前的信息整合方案，借助電信號(hào)取得各類信息。

3.2 通信裝置要點(diǎn)

在通信裝置的配置中，要點(diǎn)主要有：(1)通信裝置的整體性配置。在各類信息的協(xié)調(diào)中，需要建成所有信息和數(shù)據(jù)的整合工作機(jī)制。數(shù)據(jù)有兩種：一種是視頻信號(hào)；另一種是各類電信號(hào)。對于電信號(hào)，主要構(gòu)造的信息方案中，需要由監(jiān)控探頭取得，并且所有這類設(shè)施的使用中，要根據(jù)這類設(shè)施的使用方法和應(yīng)用原則，得到專業(yè)化的數(shù)據(jù)，由于視頻信號(hào)的流量過大，尤其是對于高清視頻信號(hào)，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的字節(jié)數(shù)值極大，所有此時(shí)需要分析通信裝置的使用方案與配置原則，分析這兩類裝置的配置方法。(2)數(shù)據(jù)的固定傳遞方案建設(shè)。在信息的整合過程中，并非所有的裝置在運(yùn)行中，都適合采用集中性傳遞方式，因?yàn)椴煌男盘?hào)對于自身的運(yùn)行精度有不同的要求。對高信號(hào)精度要求設(shè)施的建設(shè)過程中，適合采用專門線路的方式進(jìn)行構(gòu)造。此外也要根據(jù)這類信號(hào)的協(xié)調(diào)性運(yùn)行工作方案和工作要求，以得到所有的專業(yè)性建設(shè)信息。(3)新型技術(shù)的使用。傳統(tǒng)的信息技術(shù)使用過程中，如果單純根據(jù)當(dāng)前的信息處理工作方法與信息的協(xié)調(diào)模式，很可能無法順應(yīng)當(dāng)前的所有工作信息要求。在信息的專業(yè)化處理過程，可以使用5G通信技術(shù)逐漸性地替代原有的無線通信技術(shù)，且廣泛使用光纖通信技術(shù)提高信息傳遞速率。

3.3 分析軟件要點(diǎn)

在軟件的配置過程和使用過程中，需要根據(jù)SCADA系統(tǒng)的軟件設(shè)施建設(shè)方法與管理要素進(jìn)行建設(shè)，要根據(jù)當(dāng)前的信息處理工作要素與信息的分析工作要素，共同論證當(dāng)前的軟件運(yùn)行狀態(tài)[4]。在軟件的設(shè)置過程，處理工作要點(diǎn)：一個(gè)是管理工作要點(diǎn)的配置過程要防范各類問題；另一個(gè)是要完成針對軟件的升級與管理工作。在軟件配置中，必須要根據(jù)所有設(shè)備的裝配方案給出結(jié)果，尤其是對于起到自動(dòng)控制功能的軟件，要根據(jù)SCADA系統(tǒng)的信息收集、處理以及升級工作為研究對象，確保當(dāng)前的信息處理結(jié)果符合要求。對軟件的升級工作，要根據(jù)硬件設(shè)施的處理工作要點(diǎn)和功能做出分析，比如某個(gè)管網(wǎng)子系統(tǒng)的電磁流量計(jì)做出了升級，則在軟件系統(tǒng)的處理過程中，要根據(jù)該設(shè)備的所有參數(shù)，對軟件中針對該系統(tǒng)的性能方面參數(shù)做出升級。

3.4 系統(tǒng)硬件要點(diǎn)

在SCADA系統(tǒng)的建設(shè)過程中，其中必然需要建成多種硬件設(shè)施，其中硬件設(shè)施包括各類需要科學(xué)配置的傳感器、供配電系統(tǒng)、承載軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)設(shè)施等，要求所有設(shè)施的使用中，需要依照各類設(shè)施的使用方法和運(yùn)行方案。硬件的配置要點(diǎn)中：一要確保所有硬件設(shè)備的處理工作方法和運(yùn)行參數(shù)符合工作標(biāo)準(zhǔn)，在得到了這類信息的處理和管理工作信息之后，則要保證所有硬件設(shè)施的運(yùn)行質(zhì)量，比如：在各類專業(yè)性設(shè)施的使用中，要分析這類設(shè)施的使用原則專業(yè)配置；對于電磁流量計(jì)、計(jì)算機(jī)設(shè)施以及供配電裝置等，裝配之前的設(shè)施都要經(jīng)過質(zhì)量檢查，以確保得到的分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)是硬件設(shè)施的運(yùn)行質(zhì)量要得到保持，必要時(shí)采用安全保障設(shè)施確保運(yùn)行穩(wěn)定性，比如：對于監(jiān)控探頭，就需要在其中配置環(huán)境防護(hù)裝置。

4 結(jié)語

綜上所述，SCADA系統(tǒng)在油氣田的使用中，使用方法包括傳感器的配置、控制中樞的配置、信息傳遞系統(tǒng)的配置等，得到了這類信息之后方可提高運(yùn)行質(zhì)量。在使用要點(diǎn)方面，包括硬件使用要點(diǎn)、軟件配置要點(diǎn)、通信裝置配置要點(diǎn)等，精準(zhǔn)落實(shí)使用要點(diǎn)以確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。