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    1 油田供汽聯(lián)合站注汽鍋爐自動化系統(tǒng)組成情況

    某油田供汽聯(lián)合站目前負(fù)責(zé)管理23座供汽站49臺注汽鍋爐、3座水處理站、10個水源井等設(shè)備設(shè)施。

               
 
                          圖1 油田注汽站分布圖

    1.1注汽鍋爐現(xiàn)有自控系統(tǒng)

     注汽鍋爐現(xiàn)有自控系統(tǒng)包含：鍋爐本體控制系統(tǒng)、鍋爐外配控制系統(tǒng)、電話遠(yuǎn)傳報警系統(tǒng)三部分組成。

    （1）鍋爐本體控制系統(tǒng)

    針對鍋爐本體進(jìn)行自動控制和安全檢測的系統(tǒng)。

               
      
                          圖2注汽鍋爐控制示意圖

    （2）鍋爐外配控制系統(tǒng)

    針對鍋爐外配水系統(tǒng)的液位檢測和自動補(bǔ)水以及鍋爐房內(nèi)的可燃?xì)怏w和硫化氫氣體檢測，并實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)的自動控制，防止人員傷害事故的發(fā)生。

    （3）電話遠(yuǎn)傳報警系統(tǒng)

    通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)鍋爐停爐的遠(yuǎn)程電話和短信報警，為鍋爐巡檢人員提供及時的停爐信息。
    油田注汽鍋爐本體控制系統(tǒng)主要功能如下：

    1）數(shù)據(jù)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、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?xì)怏w濃度
    2）工況數(shù)據(jù)：
     柱塞泵、鼓風(fēng)機(jī)電流、電壓及頻率
    3）計量數(shù)據(jù)：
     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、無鹽水處理站三個。

    （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）無鹽水處理站

      一座無鹽水處理站。

   水處理站控制系統(tǒng)采用北京安控的E50 PLC，主要功能如下：

    1）數(shù)據(jù)采集：生水壓力、生水罐液位、除氧塔液位、除氧塔負(fù)壓
    2）工況數(shù)據(jù)：除氧泵電流、電壓及頻率
    3）計量數(shù)據(jù)：水量計量、鹽量
    4）控制功能：軟化系統(tǒng)控制、除氧塔負(fù)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(jiān)控數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋的方式接入集中處理站集中監(jiān)控。主要功能如下：

    1）數(shù)據(jù)采集：生水壓力、液位
    2）工況數(shù)據(jù)：潛水泵電流、電壓
    3）計量數(shù)據(jù)：水量計量
    4）控制功能：潛水泵啟停控制

    2 系統(tǒng)存在的問題

    鍋爐正常運(yùn)行是稠油生產(chǎn)的生命線，目前存在的問題：

    （1）鍋爐自動化系統(tǒng)功能有待完善，部分主要生產(chǎn)參數(shù)和安全數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)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(shè)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。
    （3）注汽鍋爐、水處理站自動化系統(tǒng)間相互分立，數(shù)據(jù)相對獨(dú)立，系統(tǒng)間不能互相通信，存在數(shù)據(jù)孤島；且系統(tǒng)無后臺歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)利用率低。

    因此，需要在現(xiàn)有的各個注汽鍋爐、水處理站自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，組建SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各個鍋爐、水處理站、水源井的集中監(jiān)控和管理。

    2.1 組建SCADA系統(tǒng)的難點(diǎn)

    在保持油田供汽現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、自動控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臈l件下，建立SCADA系統(tǒng)存在如下技術(shù)難點(diǎn)：

    2.1.1數(shù)據(jù)鏈路的建立

    為了保證注汽鍋爐自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時的收集到數(shù)據(jù)中心，必須保證連接數(shù)據(jù)中心和各個下屬注汽鍋爐自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(fù)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(shè)備，數(shù)據(jù)鏈路的通信需要通過多級硬件和不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。且為了保證控制系統(tǒng)的安全，所有現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的本地網(wǎng)絡(luò)均為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，暫時未與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)網(wǎng)，而是通過防火墻或其它物理隔離設(shè)備進(jìn)行隔離。

    因此在組建SCADA系統(tǒng)的過程中，工業(yè)數(shù)據(jù)需要通過這些隔離安全設(shè)備到達(dá)中心，同時還要保證本地控制系統(tǒng)的絕對安全。

    2.1.2數(shù)據(jù)獲取方式

    對于常規(guī)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(guī)通信協(xié)議Modbus RTU/ASCII 或Modbus TCP/UDP等通用協(xié)議。若本地沒有設(shè)基于PC操作站，則可以直接通過網(wǎng)路工業(yè)協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)中心；若設(shè)有本地監(jiān)控的話，該產(chǎn)品也可以通過添加其它網(wǎng)絡(luò)接口的辦法直接上傳，而且可以保證本地系統(tǒng)的安全。

    目前油田供汽聯(lián)合站除了擁有這些常規(guī)的RTU和PLC產(chǎn)品外，還有數(shù)量不少的AB PLC產(chǎn)品，采用了專用的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對底層控制器的控制和數(shù)據(jù)交互，外部需要獲取該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)非常困難。目前這類產(chǎn)品對外提供實(shí)時數(shù)據(jù)的方法一般采用數(shù)據(jù)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商提供的數(shù)據(jù)通信軟件，如OPC Server、Data Gateway、API、DDE等數(shù)據(jù)通信接口軟件來實(shí)現(xiàn)，且目前油田供汽站的注汽鍋爐自動化系統(tǒng)均采用的基于Windows系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)平臺，若要直接從這些數(shù)據(jù)服務(wù)器或工作站上獲取數(shù)據(jù)，勢必對本地控制系統(tǒng)的系統(tǒng)安全造成很大的威脅。

    3 油田供氣站SCADA系統(tǒng)的技術(shù)方案

    3.1  SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

               
 
                            圖4 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    3.2通信系統(tǒng)的設(shè)計

    3.2.1通信系統(tǒng)的設(shè)計原則

     通信系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐平臺，其穩(wěn)定性、可靠性將是影響SCADA系統(tǒng)至關(guān)重要的因素。通信系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)包括良好的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、足夠的信息帶寬估計、安全經(jīng)濟(jì)的信道冗余、設(shè)備選型、通信軟件設(shè)計等多方面工作。

    實(shí)踐證明，油田SCADA系統(tǒng)通信系統(tǒng)建設(shè)并不是某一種技術(shù)的單純應(yīng)用，而應(yīng)根據(jù)具體情況，進(jìn)行必要的技術(shù)組合，以建設(shè)一個完善的SCADA系統(tǒng)運(yùn)行平臺。

    3.2.2  SCADA系統(tǒng)生產(chǎn)層：通信處理機(jī)

    油田注汽鍋爐SCADA系統(tǒng)設(shè)管理層（即數(shù)據(jù)中心）和生產(chǎn)層（注汽鍋爐自動化系統(tǒng)）組成，其中生產(chǎn)層為已建或待建自動化系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)中心平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)處理等功能。整個系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為通信鏈路，所有生產(chǎn)層系統(tǒng)均可以通過以太網(wǎng)絡(luò)與管理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通。

    為了保證系統(tǒng)的安全性，解決實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)通信的前提下，保證本地系統(tǒng)的安全運(yùn)行的技術(shù)難題，我們在每個生產(chǎn)單位的自動化系統(tǒng)中增設(shè)通信處理機(jī)一套，完成本地生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并通過以太網(wǎng)絡(luò)鏈路，以標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信協(xié)議與上級數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信，并實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的可靠性，避免外部網(wǎng)絡(luò)病毒等對本地控制系統(tǒng)的影響。

   在控制中心設(shè)前置通信處理機(jī)實(shí)現(xiàn)對下級生產(chǎn)單位的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并在通信處理機(jī)中以虛擬設(shè)備的形式為后臺數(shù)據(jù)應(yīng)用提供實(shí)時數(shù)據(jù)。前置通信處理機(jī)采用嵌入式系統(tǒng)，前端與外部網(wǎng)絡(luò)連接，通過工業(yè)通信協(xié)議與數(shù)據(jù)中心實(shí)時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)前端生產(chǎn)單位生產(chǎn)自控系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)通信，還可以解決本地控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的技術(shù)難題。

    通信處理機(jī)功能：
    實(shí)時采集現(xiàn)場控制系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)
    實(shí)時傳送/下達(dá)上級控制指令
    隔離本地網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)
    配合遠(yuǎn)程維護(hù)軟件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)接入管理服務(wù)

    通信處理機(jī)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(shè)備：數(shù)傳電臺、無線網(wǎng)橋、GPRS/CDMA、電話撥號等主流設(shè)備

    通信處理機(jī)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(yuǎn)維端：專有VPN服務(wù)，遠(yuǎn)程維護(hù)專用數(shù)據(jù)通道（安全透明通道，實(shí)時驗證）

    通信處理機(jī)通信規(guī)模：
    支持最大10000個物理/數(shù)據(jù)點(diǎn)
    通信處理機(jī)操作系統(tǒng)：
    嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)

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

    通信處理機(jī)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(tǒng)開發(fā)、工程經(jīng)驗設(shè)計的新型模塊化RTU 產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和設(shè)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(tǒng)，整個系統(tǒng)功能強(qiáng)大、操作方便、集成度高，不僅能完成數(shù)據(jù)采集、定時、計數(shù)、控制，還能完成復(fù)雜的計算、PID控制、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能，其程序開發(fā)方便，可與上位機(jī)組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(jù)工程的實(shí)際需求，設(shè)計開發(fā)成各種控制系統(tǒng)。

    3.3 SCADA系統(tǒng)的控制中心

    注汽鍋爐自動化系統(tǒng)是整個油田自動化的重要組成部分，關(guān)系到油田生產(chǎn)工作的正常運(yùn)行，由于各注汽站地點(diǎn)比較分散，管理不方便需要實(shí)現(xiàn)鍋爐集中監(jiān)控與管理，以實(shí)現(xiàn)故障巡檢，提高管理效率，響應(yīng)油田公司數(shù)字油田建設(shè)的號召，強(qiáng)化生產(chǎn)現(xiàn)場的直接管理，提高信息化水平，將注汽聯(lián)合站設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及監(jiān)控、報警參數(shù)傳輸至中控室進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)注汽站的無人值守，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

    根據(jù)油田鍋爐自控系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際情況，從現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的地理位置、采集點(diǎn)的總數(shù)、總體采集時間、服務(wù)器運(yùn)行負(fù)荷、安全、管理、維護(hù)等方面綜合考慮，合理配置SCADA物理服務(wù)器數(shù)量，負(fù)責(zé)不同功能及監(jiān)控區(qū)域。

    在控制中心采用一對互為熱備的實(shí)時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器作為整個平臺的數(shù)據(jù)采集核心，為其它系統(tǒng)提供實(shí)時歷史數(shù)據(jù)，并設(shè)WEB發(fā)布服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、操作員站、報表工作站、調(diào)度工作站、打印機(jī)、視頻服務(wù)器和電視墻系統(tǒng)組成，可以實(shí)現(xiàn)工程工藝過程監(jiān)控、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)調(diào)度和實(shí)時視頻綜合監(jiān)控等功能。

    為了保證整個系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能得到及時的維護(hù)，整個數(shù)字化平臺設(shè)遠(yuǎn)程維護(hù)管理系統(tǒng)一套（RMMS）。設(shè)遠(yuǎn)程維護(hù)接入服務(wù)器、遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)器、遠(yuǎn)程維護(hù)工作站（在廠區(qū)數(shù)據(jù)中心本地實(shí)現(xiàn)對前端生產(chǎn)單位的遠(yuǎn)程維護(hù)，配合第三方系統(tǒng)維護(hù)軟件，可以實(shí)現(xiàn)控制站級的遠(yuǎn)程維護(hù)，如RTU/PLC、DCS系統(tǒng)的程序下載，遠(yuǎn)程組態(tài)的功能）。

    3.4 SCADA系統(tǒng)的功能

    SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)；通過WEB發(fā)布，用瀏覽器來查看查詢供汽鍋爐的實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)；對于停爐、蒸汽壓力異常報警發(fā)送到指定手機(jī)。 

    通過使用SCADA系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)供汽鍋爐生產(chǎn)參數(shù)的自動遠(yuǎn)程監(jiān)測，將現(xiàn)場壓力、溫度、電參數(shù)等參數(shù)，通過局域網(wǎng)來查看查詢供汽鍋爐的現(xiàn)場狀況， 重要報警發(fā)送到手機(jī)。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸；通過專用軟件，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)解析成可讀數(shù)據(jù)或繪制圖表，并保存在數(shù)據(jù)庫并以WEB方式發(fā)布。

    3.5 SCADA系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

              
 
                        圖6 SCADA系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

    監(jiān)控中心計算機(jī)內(nèi)裝WindowsXP 操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件和應(yīng)用軟件，用于工藝流程的操作及監(jiān)視，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視、設(shè)備故障的監(jiān)視及確認(rèn)，流量、壓力、溫度的瞬時值及累計值的圖形化動態(tài)顯示，故障及生產(chǎn)報表打印等。實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、控制操作、數(shù)據(jù)采集等功能，通過設(shè)置密碼限制不同級別人員操作。

    組態(tài)軟件一方面通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，以圖形方式直觀地顯示在計算機(jī)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(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制或調(diào)整控制參數(shù)。下圖直觀的表示出了組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)流程。

               
   
                        圖7 SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

    從圖中可以看出，實(shí)時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心和引擎，歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索、報警處理與存儲、數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)連接都是由實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成的。圖形界面系統(tǒng)、驅(qū)動程序等組件以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心，通過高效的內(nèi)部協(xié)議相互通信，共享數(shù)據(jù)。

    4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

    根據(jù)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，建立了一個技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、成效顯著且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的集現(xiàn)場控制、過程監(jiān)視和計算機(jī)管理于一體的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制，實(shí)現(xiàn)了“現(xiàn)場無人值守，中心站少人值班”的目標(biāo)。