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案例頻道 1 油田供汽聯合站注汽鍋爐自動化系統組成情況
某油田供汽聯合站目前負責管理23座供汽站49臺注汽鍋爐、3座水處理站、10個水源井等設備設施。
圖1 油田注汽站分布圖
1.1注汽鍋爐現有自控系統
注汽鍋爐現有自控系統包含：鍋爐本體控制系統、鍋爐外配控制系統、電話遠傳報警系統三部分組成。
（1）鍋爐本體控制系統
針對鍋爐本體進行自動控制和安全檢測的系統。
圖2注汽鍋爐控制示意圖
（2）鍋爐外配控制系統
針對鍋爐外配水系統的液位檢測和自動補水以及鍋爐房內的可燃氣體和硫化氫氣體檢測，并實現軸流風機的自動控制，防止人員傷害事故的發生。
（3）電話遠傳報警系統
通過移動通訊網絡，實現鍋爐停爐的遠程電話和短信報警，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主要功能如下：
1）數據采集：
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、進爐天然氣壓力、溫度、流量（瞬時、累計）、爐膛壓力、對流段進口壓力及溫度、對流段出口壓力及溫度、可燃氣體濃度
2）工況數據：
柱塞泵、鼓風機電流、電壓及頻率
3）計量數據：
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。
水處理站控制系統采用北京安控的E50 PLC，主要功能如下：
1）數據采集：生水壓力、生水罐液位、除氧塔液位、除氧塔負壓
2）工況數據：除氧泵電流、電壓及頻率
3）計量數據：水量計量、鹽量
4）控制功能：軟化系統控制、除氧塔負壓控制
1.3水源井
在集中水處理站附近有10套水源井，安裝北京安控生產水源井控制器，監控數據通過無線網橋的方式接入集中處理站集中監控。主要功能如下：
1）數據采集：生水壓力、液位
2）工況數據：潛水泵電流、電壓
3）計量數據：水量計量
4）控制功能：潛水泵啟停控制
2 系統存在的問題
鍋爐正常運行是稠油生產的生命線，目前存在的問題：
（1）鍋爐自動化系統功能有待完善，部分主要生產參數和安全數據未實現集中監控和管理 ，存在一定的生產和安全隱患。
（2）鍋爐隨產能建設逐年增加，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間相互分立，數據相對獨立，系統間不能互相通信，存在數據孤島；且系統無后臺歷史數據庫，數據利用率低。
因此，需要在現有的各個注汽鍋爐、水處理站自動化系統的基礎上，組建SCADA系統實現對各個鍋爐、水處理站、水源井的集中監控和管理。
2.1 組建SCADA系統的難點
在保持油田供汽現有的生產工藝、自動控制系統及網絡傳輸的條件下，建立SCADA系統存在如下技術難點：
2.1.1數據鏈路的建立
為了保證注汽鍋爐自動化系統數據準確實時的收集到數據中心，必須保證連接數據中心和各個下屬注汽鍋爐自動化系統的數據鏈路暢通。
目前油田供汽聯合站下屬的生產單位較多，且地域比較分散。各單位之間網絡連接相對較為復雜，鏈路中涉及到多級網絡路由、網關和防火墻等設備，數據鏈路的通信需要通過多級硬件和不同的網絡協議之間實現互聯。且為了保證控制系統的安全，所有現有的控制系統的本地網絡均為獨立的網絡，暫時未與企業網絡實現直接聯網，而是通過防火墻或其它物理隔離設備進行隔離。
因此在組建SCADA系統的過程中，工業數據需要通過這些隔離安全設備到達中心，同時還要保證本地控制系統的絕對安全。
2.1.2數據獲取方式
對于常規的RTU/PLC產品，一般都采用通用的工業網絡協議進行通信，如安控科技股份有限公司的RTU/PLC產品，均采用了非常通用的常規通信協議Modbus RTU/ASCII 或Modbus TCP/UDP等通用協議。若本地沒有設基于PC操作站，則可以直接通過網路工業協議上傳至數據中心；若設有本地監控的話，該產品也可以通過添加其它網絡接口的辦法直接上傳，而且可以保證本地系統的安全。
目前油田供汽聯合站除了擁有這些常規的RTU和PLC產品外，還有數量不少的AB PLC產品，采用了專用的通信協議實現對底層控制器的控制和數據交互，外部需要獲取該產品的數據非常困難。目前這類產品對外提供實時數據的方法一般采用數據服務器（如IO服務器等），在IO服務器或其它工作站上安裝廠商提供的數據通信軟件，如OPC Server、Data Gateway、API、DDE等數據通信接口軟件來實現，且目前油田供汽站的注汽鍋爐自動化系統均采用的基于Windows系統的軟件系統平臺，若要直接從這些數據服務器或工作站上獲取數據，勢必對本地控制系統的系統安全造成很大的威脅。
3 油田供氣站SCADA系統的技術方案
3.1 SCADA系統結構示意圖
圖4 SCADA系統結構圖
3.2通信系統的設計
3.2.1通信系統的設計原則
通信系統作為SCADA系統安全、高效運行的基礎支撐平臺，其穩定性、可靠性將是影響SCADA系統至關重要的因素。通信系統設計應包括良好的網絡規劃、合理的系統結構設計、足夠的信息帶寬估計、安全經濟的信道冗余、設備選型、通信軟件設計等多方面工作。
實踐證明，油田SCADA系統通信系統建設并不是某一種技術的單純應用，而應根據具體情況，進行必要的技術組合，以建設一個完善的SCADA系統運行平臺。
3.2.2 SCADA系統生產層：通信處理機
油田注汽鍋爐SCADA系統設管理層（即數據中心）和生產層（注汽鍋爐自動化系統）組成，其中生產層為已建或待建自動化系統，通過網絡連接到數據中心，系統通過數據中心平臺實現遠程實時監控、生產調度、數據處理等功能。整個系統采用以太網作為通信鏈路，所有生產層系統均可以通過以太網絡與管理層實現網絡互通。
為了保證系統的安全性，解決實現實時數據通信的前提下，保證本地系統的安全運行的技術難題，我們在每個生產單位的自動化系統中增設通信處理機一套，完成本地生產數據的采集，并通過以太網絡鏈路，以標準工業通信協議與上級數據中心實現實時通信，并實現本地控制網絡和外部網絡（已建企業局域網或外租公共網絡）的物理隔離，以保證本地系統的可靠性，避免外部網絡病毒等對本地控制系統的影響。
在控制中心設前置通信處理機實現對下級生產單位的工業生產數據的采集，并在通信處理機中以虛擬設備的形式為后臺數據應用提供實時數據。前置通信處理機采用嵌入式系統，前端與外部網絡連接，通過工業通信協議與數據中心實時歷史數據服務器通信，實現數據通信和外部網絡通信的物理隔離。這樣不但可以實現前端生產單位生產自控系統的實時數據通信，還可以解決本地控制系統安全可靠運行的技術難題。
通信處理機功能：
實時采集現場控制系統實時數據
實時傳送/下達上級控制指令
隔離本地網絡與外部網絡
配合遠程維護軟件系統，可以實現遠程維護接入管理服務
通信處理機通信接口：
輸入端：以太網、串行接口
輸出端：以太網
可兼容傳輸設備：數傳電臺、無線網橋、GPRS/CDMA、電話撥號等主流設備
通信處理機通信協議:
輸入端：Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP、DNP 等主流工業協議
輸出端： Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP、DNP for TCP/UDP
遠維端：專有VPN服務，遠程維護專用數據通道（安全透明通道，實時驗證）
通信處理機通信規模：
支持最大10000個物理/數據點
通信處理機操作系統：
嵌入式實時操作系統
圖5 網絡鏈路圖
通信處理機選用北京安控的Super E50 RTU。Super E50 系列RTU 是安控科技集多年的控制系統開發、工程經驗設計的新型模塊化RTU 產品，可實現對工業現場信號的采集和設備的控制。該產品采用了32 位處理器和高效的嵌入式操作系統，整個系統功能強大、操作方便、集成度高，不僅能完成數據采集、定時、計數、控制，還能完成復雜的計算、PID控制、通訊聯網等功能，其程序開發方便，可與上位機組成控制系統，實現集散控制。Super E50 系列RTU 產品具有多種配置和可選功能，可根據工程的實際需求，設計開發成各種控制系統。
3.3 SCADA系統的控制中心
注汽鍋爐自動化系統是整個油田自動化的重要組成部分，關系到油田生產工作的正常運行，由于各注汽站地點比較分散，管理不方便需要實現鍋爐集中監控與管理，以實現故障巡檢，提高管理效率，響應油田公司數字油田建設的號召，強化生產現場的直接管理，提高信息化水平，將注汽聯合站設備運行參數及監控、報警參數傳輸至中控室進行集中監控，實現注汽站的無人值守，保證設備的安全運行。
根據油田鍋爐自控系統當前實際情況，從現場數據采集的地理位置、采集點的總數、總體采集時間、服務器運行負荷、安全、管理、維護等方面綜合考慮，合理配置SCADA物理服務器數量，負責不同功能及監控區域。
在控制中心采用一對互為熱備的實時歷史數據服務器作為整個平臺的數據采集核心，為其它系統提供實時歷史數據，并設WEB發布服務器、關系數據服務器、工程師站、操作員站、報表工作站、調度工作站、打印機、視頻服務器和電視墻系統組成，可以實現工程工藝過程監控、生產管理、生產調度和實時視頻綜合監控等功能。
為了保證整個系統的安全可靠運行，保證系統在出現故障時能得到及時的維護，整個數字化平臺設遠程維護管理系統一套（RMMS）。設遠程維護接入服務器、遠程維護服務器、遠程維護工作站（在廠區數據中心本地實現對前端生產單位的遠程維護，配合第三方系統維護軟件，可以實現控制站級的遠程維護，如RTU/PLC、DCS系統的程序下載，遠程組態的功能）。
3.4 SCADA系統的功能
SCADA系統遠程監測現場生產實時數據；通過WEB發布，用瀏覽器來查看查詢供汽鍋爐的實時和歷史數據；對于停爐、蒸汽壓力異常報警發送到指定手機。
通過使用SCADA系統， 實現供汽鍋爐生產參數的自動遠程監測，將現場壓力、溫度、電參數等參數，通過局域網來查看查詢供汽鍋爐的現場狀況， 重要報警發送到手機。實現生產數據傳輸；通過專用軟件，將生產數據解析成可讀數據或繪制圖表，并保存在數據庫并以WEB方式發布。
3.5 SCADA系統軟件結構
圖6 SCADA系統軟件結構圖
監控中心計算機內裝WindowsXP 操作系統，監控軟件和應用軟件，用于工藝流程的操作及監視，設備狀態的監視、設備故障的監視及確認，流量、壓力、溫度的瞬時值及累計值的圖形化動態顯示，故障及生產報表打印等。實現整個系統的狀態監視、控制操作、數據采集等功能，通過設置密碼限制不同級別人員操作。
組態軟件一方面通過I/O驅動程序從現場I/O設備獲取實時數據，對數據進行必要的加工后，以圖形方式直觀地顯示在計算機屏幕上；另一方面按照組態要求和操作人員的指令將被控數據送給I/O設備，對執行機構控制或調整控制參數。下圖直觀的表示出了組態軟件的數據流程。
圖7 SCADA系統數據結構圖
從圖中可以看出，實時數據庫是組態軟件的核心和引擎，歷史數據的存儲與檢索、報警處理與存儲、數據的運算處理、數據連接都是由實時數據庫系統完成的。圖形界面系統、驅動程序等組件以實時數據庫為核心，通過高效的內部協議相互通信，共享數據。
4 系統運行效果
根據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，建立了一個技術先進、性能可靠、成效顯著且便于進一步擴充的集現場控制、過程監視和計算機管理于一體的監控系統，完成對整個工藝過程及全部生產設備的監測與自動控制，實現了“現場無人值守，中心站少人值班”的目標。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號