油田供汽SCADA系统

• 关键词：SCADA,注汽锅炉,通讯处理机
• 摘要：SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统，全名为数据采集与监视控制系统。是对分布距离远，生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和自动控制系统。本文主要阐述油田供汽SCADA系统的工作原理、体系结构、功能特点，详细叙述了SCADA系统在油田供汽站的应用。

1、油田供汽联合站注汽锅炉自动化系统组成情况

       某油田供汽联合站目前负责管理23座供汽站49台注汽锅炉、3座水处理站、10个水源井等设备设施。

图1 油田注汽站分布图

1.1注汽锅炉现有自控系统

       注汽锅炉现有自控系统包含：锅炉本体控制系统、锅炉外配控制系统、电话远传报警系统三部分组成。
      （1）锅炉本体控制系统
       针对锅炉本体进行自动控制和安全检测的系统。

图2注汽锅炉控制示意图

       （2）锅炉外配控制系统
        针对锅炉外配水系统的液位检测和自动补水以及锅炉房内的可燃气体和硫化氢气体检测，并实现轴流风机的自动控制，防止人员伤害事故的发生。
       （3）电话远传报警系统
        通过移动通讯网络，实现锅炉停炉的远程电话和短信报警，为锅炉巡检人员提供及时的停炉信息。

       油田注汽锅炉本体控制系统主要功能如下：
       1）数据采集：
       干度、水量、火量、蒸温、管温、烟温、喉温、蒸汽出口压力、燃油压力、燃油温度、雾化压力、进炉天然气压力、温度、流量（瞬时、累计）、炉膛压力、对流段进口压力及温度、对流段出口压力及温度、可燃气体浓度
      2）工况数据：
      柱塞泵、鼓风机电流、电压及频率
      3）计量数据：
      蒸汽流量、蒸汽干度、水量计量、燃料量
      4）控制功能：
      干度控制、燃烧控制、给水控制、风量控制、燃料量控制

1.2水处理站

      水处理站分为：集中水处理站、四合一水处理站、无盐水处理站三个。
    （1）集中水处理站
     水处理站由四台 72T水处理、三座脱氧塔组成。

图3水处理示意图

      （2）四合一水处理站
       18台 72T水处理、低盐回收罐、高盐回收罐、
      （3）无盐水处理站
        一座无盐水处理站。

       水处理站控制系统采用北京安控的E50 PLC，主要功能如下：
       1）数据采集：生水压力、生水罐液位、除氧塔液位、除氧塔负压
       2）工况数据：除氧泵电流、电压及频率
       3）计量数据：水量计量、盐量
       4）控制功能：软化系统控制、除氧塔负压控制

1.3水源井

       在集中水处理站附近有10套水源井，安装北京安控生产水源井控制器，监控数据通过无线网桥的方式接入集中处理站集中监控。主要功能如下：
       1）数据采集：生水压力、液位
       2）工况数据：潜水泵电流、电压
       3）计量数据：水量计量
       4）控制功能：潜水泵启停控制

2、系统存在的问题

       锅炉正常运行是稠油生产的生命线，目前存在的问题：
     （1）锅炉自动化系统功能有待完善，部分主要生产参数和安全数据未实现集中监控和管理 ，存在一定的生产和安全隐患。
     （2）锅炉随产能建设逐年增加，目前人员非常紧张，目前部分站冬季一次巡检需要3小时。
     （3）注汽锅炉、水处理站自动化系统间相互分立，数据相对独立，系统间不能互相通信，存在数据孤岛；且系统无后台历史数据库，数据利用率低。
      因此，需要在现有的各个注汽锅炉、水处理站自动化系统的基础上，组建SCADA系统实现对各个锅炉、水处理站、水源井的集中监控和管理。

2.1 组建SCADA系统的难点

       在保持油田供汽现有的生产工艺、自动控制系统及网络传输的条件下，建立SCADA系统存在如下技术难点：
2.1.1数据链路的建立

        为了保证注汽锅炉自动化系统数据准确实时的收集到数据中心，必须保证连接数据中心和各个下属注汽锅炉自动化系统的数据链路畅通。
        目前油田供汽联合站下属的生产单位较多，且地域比较分散。各单位之间网络连接相对较为复杂，链路中涉及到多级网络路由、网关和防火墙等设备，数据链路的通信需要通过多级硬件和不同的网络协议之间实现互联。且为了保证控制系统的安全，所有现有的控制系统的本地网络均为独立的网络，暂时未与企业网络实现直接联网，而是通过防火墙或其它物理隔离设备进行隔离。
        因此在组建SCADA系统的过程中，工业数据需要通过这些隔离安全设备到达中心，同时还要保证本地控制系统的绝对安全。

2.1.2数据获取方式

       对于常规的RTU/PLC产品，一般都采用通用的工业网络协议进行通信，如安控科技股份有限公司的RTU/PLC产品，均采用了非常通用的常规通信协议Modbus RTU/ASCII 或Modbus TCP/UDP等通用协议。若本地没有设基于PC操作站，则可以直接通过网路工业协议上传至数据中心；若设有本地监控的话，该产品也可以通过添加其它网络接口的办法直接上传，而且可以保证本地系统的安全。

       目前油田供汽联合站除了拥有这些常规的RTU和PLC产品外，还有数量不少的AB PLC产品，采用了专用的通信协议实现对底层控制器的控制和数据交互，外部需要获取该产品的数据非常困难。目前这类产品对外提供实时数据的方法一般采用数据服务器（如IO服务器等），在IO服务器或其它工作站上安装厂商提供的数据通信软件，如OPC Server、Data Gateway、API、DDE等数据通信接口软件来实现，且目前油田供汽站的注汽锅炉自动化系统均采用的基于Windows系统的软件系统平台，若要直接从这些数据服务器或工作站上获取数据，势必对本地控制系统的系统安全造成很大的威胁。

3、油田供气站SCADA系统的技术方案

3.1  SCADA系统结构示意图

图4 SCADA系统结构图

3.2通信系统的设计

3.2.1通信系统的设计原则

       通信系统作为SCADA系统安全、高效运行的基础支撑平台，其稳定性、可靠性将是影响SCADA系统至关重要的因素。通信系统设计应包括良好的网络规划、合理的系统结构设计、足够的信息带宽估计、安全经济的信道冗余、设备选型、通信软件设计等多方面工作。
       实践证明，油田SCADA系统通信系统建设并不是某一种技术的单纯应用，而应根据具体情况，进行必要的技术组合，以建设一个完善的SCADA系统运行平台。

3.2.2  SCADA系统生产层：通信处理机

       油田注汽锅炉SCADA系统设管理层（即数据中心）和生产层（注汽锅炉自动化系统）组成，其中生产层为已建或待建自动化系统，通过网络连接到数据中心，系统通过数据中心平台实现远程实时监控、生产调度、数据处理等功能。整个系统采用以太网作为通信链路，所有生产层系统均可以通过以太网络与管理层实现网络互通。
       为了保证系统的安全性，解决实现实时数据通信的前提下，保证本地系统的安全运行的技术难题，我们在每个生产单位的自动化系统中增设通信处理机一套，完成本地生产数据的采集，并通过以太网络链路，以标准工业通信协议与上级数据中心实现实时通信，并实现本地控制网络和外部网络（已建企业局域网或外租公共网络）的物理隔离，以保证本地系统的可靠性，避免外部网络病毒等对本地控制系统的影响。
在控制中心设前置通信处理机实现对下级生产单位的工业生产数据的采集，并在通信处理机中以虚拟设备的形式为后台数据应用提供实时数据。前置通信处理机采用嵌入式系统，前端与外部网络连接，通过工业通信协议与数据中心实时历史数据服务器通信，实现数据通信和外部网络通信的物理隔离。这样不但可以实现前端生产单位生产自控系统的实时数据通信，还可以解决本地控制系统安全可靠运行的技术难题。

通信处理机功能：
       实时采集现场控制系统实时数据
       实时传送/下达上级控制指令
       隔离本地网络与外部网络
       配合远程维护软件系统，可以实现远程维护接入管理服务

通信处理机通信接口：
       输入端：以太网、串行接口
       输出端：以太网
       可兼容传输设备：数传电台、无线网桥、GPRS/CDMA、电话拨号等主流设备

通信处理机通信协议:
       输入端：Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP、DNP 等主流工业协议
       输出端： Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP、DNP for TCP/UDP
       远维端：专有VPN服务，远程维护专用数据通道（安全透明通道，实时验证）

通信处理机通信规模：
       支持最大10000个物理/数据点

通信处理机操作系统：
       嵌入式实时操作系统

图5 网络链路图

        通信处理机选用北京安控的Super E50 RTU。Super E50 系列RTU 是安控科技集多年的控制系统开发、工程经验设计的新型模块化RTU 产品，可实现对工业现场信号的采集和设备的控制。该产品采用了32 位处理器和高效的嵌入式操作系统，整个系统功能强大、操作方便、集成度高，不仅能完成数据采集、定时、计数、控制，还能完成复杂的计算、PID控制、通讯联网等功能，其程序开发方便，可与上位机组成控制系统，实现集散控制。Super E50 系列RTU 产品具有多种配置和可选功能，可根据工程的实际需求，设计开发成各种控制系统。

3.3 SCADA系统的控制中心

       注汽锅炉自动化系统是整个油田自动化的重要组成部分，关系到油田生产工作的正常运行，由于各注汽站地点比较分散，管理不方便需要实现锅炉集中监控与管理，以实现故障巡检，提高管理效率，响应油田公司数字油田建设的号召，强化生产现场的直接管理，提高信息化水平，将注汽联合站设备运行参数及监控、报警参数传输至中控室进行集中监控，实现注汽站的无人值守，保证设备的安全运行。
根据油田锅炉自控系统当前实际情况，从现场数据采集的地理位置、采集点的总数、总体采集时间、服务器运行负荷、安全、管理、维护等方面综合考虑，合理配置SCADA物理服务器数量，负责不同功能及监控区域。
       在控制中心采用一对互为热备的实时历史数据服务器作为整个平台的数据采集核心，为其它系统提供实时历史数据，并设WEB发布服务器、关系数据服务器、工程师站、操作员站、报表工作站、调度工作站、打印机、视频服务器和电视墙系统组成，可以实现工程工艺过程监控、生产管理、生产调度和实时视频综合监控等功能。
       为了保证整个系统的安全可靠运行，保证系统在出现故障时能得到及时的维护，整个数字化平台设远程维护管理系统一套（RMMS）。设远程维护接入服务器、远程维护服务器、远程维护工作站（在厂区数据中心本地实现对前端生产单位的远程维护，配合第三方系统维护软件，可以实现控制站级的远程维护，如RTU/PLC、DCS系统的程序下载，远程组态的功能）。

3.4 SCADA系统的功能

       SCADA系统远程监测现场生产实时数据；通过WEB发布，用浏览器来查看查询供汽锅炉的实时和历史数据；对于停炉、蒸汽压力异常报警发送到指定手机。 
       通过使用SCADA系统， 实现供汽锅炉生产参数的自动远程监测，将现场压力、温度、电参数等参数，通过局域网来查看查询供汽锅炉的现场状况， 重要报警发送到手机。实现生产数据传输；通过专用软件，将生产数据解析成可读数据或绘制图表，并保存在数据库并以WEB方式发布。

3.5 SCADA系统软件结构

图6 SCADA系统软件结构图

       监控中心计算机内装WindowsXP 操作系统，监控软件和应用软件，用于工艺流程的操作及监视，设备状态的监视、设备故障的监视及确认，流量、压力、温度的瞬时值及累计值的图形化动态显示，故障及生产报表打印等。实现整个系统的状态监视、控制操作、数据采集等功能，通过设置密码限制不同级别人员操作。
       组态软件一方面通过I/O驱动程序从现场I/O设备获取实时数据，对数据进行必要的加工后，以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将被控数据送给I/O设备，对执行机构控制或调整控制参数。下图直观的表示出了组态软件的数据流程。

图7 SCADA系统数据结构图

        从图中可以看出，实时数据库是组态软件的核心和引擎，历史数据的存储与检索、报警处理与存储、数据的运算处理、数据连接都是由实时数据库系统完成的。图形界面系统、驱动程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议相互通信，共享数据。

4、系统运行效果

       根据油田供汽站的地理分布以及工艺流程，基于“集中管理，分散控制”的模式，建立了一个技术先进、性能可靠、成效显著且便于进一步扩充的集现场控制、过程监视和计算机管理于一体的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制，实现了“现场无人值守，中心站少人值班”的目标。