整裝油田控制系統(tǒng)規(guī)劃及研究

趙才先，張靖瑜

（1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100086；2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，蘭州 730060）

0 引言

一般油田生產(chǎn)面積大、油井分布廣、站場(chǎng)多而分散，需要大量的人力物力對(duì)油田設(shè)施設(shè)備進(jìn)行巡查和檢修；同時(shí)隨著環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，油田處理設(shè)施也變得越來(lái)越復(fù)雜，這就要求油田需進(jìn)一步提高油田的自動(dòng)化和信息化建設(shè)，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)成本的上升和快速變化的市場(chǎng)需求。盡管部分油田已經(jīng)進(jìn)行了自動(dòng)化和信息化的升級(jí)改造，但多以獨(dú)立的形勢(shì)存在，整個(gè)油田的控制系統(tǒng)沒(méi)有形成完整的體系，對(duì)于油田的生產(chǎn)決策仍然存在信息不準(zhǔn)確和滯后性。本文將以某油田項(xiàng)目建設(shè)為背景，詳細(xì)論述整裝油田從井口、計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站到中心處理站等各個(gè)站場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)置原則，為油田的統(tǒng)籌規(guī)劃提供解決方案。

1 油田控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

通常根據(jù)數(shù)據(jù)處理規(guī)模和系統(tǒng)功能需求，油田控制系統(tǒng)有如下幾種：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)），集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)），可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)），安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)），火氣系統(tǒng)（FGS系統(tǒng)）和遠(yuǎn)程終端單元（RTU）。

SCADA系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，支持很多國(guó)際上通用的協(xié)議，比如：OPC協(xié)議，TCP/IP協(xié)議，Modbus RTU協(xié)議，NTP協(xié)議等。此系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，控制與存儲(chǔ)，形成生產(chǎn)報(bào)表。

圖1 整裝油田控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of integrated oilfield control system

DCS系統(tǒng)一般應(yīng)用于大型站場(chǎng)工藝設(shè)施的監(jiān)視和控制，此系統(tǒng)可以接收成千上萬(wàn)塊現(xiàn)場(chǎng)儀表的輸入輸出信號(hào)。數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的連續(xù)控制，并且支持很多先進(jìn)控制算法，比如預(yù)測(cè)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、優(yōu)化算法等，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝的卡邊控制，使原油處理指標(biāo)達(dá)到更高的要求。

PLC系統(tǒng)最開(kāi)始應(yīng)用于批量處理工藝流程，只能接收數(shù)字量信號(hào)，對(duì)于復(fù)雜的邏輯判斷與處理有較大的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步PLC系統(tǒng)也可以很好地處理模擬量，因此逐漸地在石油化工的連續(xù)流程工藝中得到廣泛應(yīng)用。但信號(hào)處理規(guī)模仍然有一定的限制，對(duì)于工藝設(shè)施簡(jiǎn)單的中小型規(guī)模站場(chǎng)比較適用，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，報(bào)警聯(lián)鎖和復(fù)雜回路控制。

SIS系統(tǒng)作為工廠的安全保護(hù)系統(tǒng)，主要作用是在工藝流程失控之后保護(hù)工藝裝置和設(shè)備，防止有毒有害介質(zhì)釋放到外界造成人員傷害和環(huán)境污染。當(dāng)被檢測(cè)的工藝參數(shù)達(dá)到系統(tǒng)中設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)聯(lián)鎖關(guān)斷使得部分裝置停車(chē)或者全場(chǎng)停車(chē)，防止工況進(jìn)一步惡化。

在油氣生產(chǎn)過(guò)程中免不了會(huì)有氣體泄漏或者火災(zāi)發(fā)生，為了保護(hù)人員和設(shè)備安全，需要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置氣體探測(cè)器和火焰探測(cè)器，這些探測(cè)器的信號(hào)將進(jìn)入獨(dú)立的FGS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警并聯(lián)鎖觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源。

整個(gè)油田的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，SCADA系統(tǒng)作為油田控制系統(tǒng)的最頂層系統(tǒng)，負(fù)責(zé)全油田的數(shù)據(jù)采集與控制。各個(gè)站場(chǎng)根據(jù)工藝流程的復(fù)雜程度和功能需求設(shè)置相應(yīng)的站控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本地站場(chǎng)工藝設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)上傳。SCADA系統(tǒng)可以對(duì)控制權(quán)限進(jìn)行管理，正常情況下由SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)SCADA系統(tǒng)收到站控制系統(tǒng)控制權(quán)限請(qǐng)求時(shí)，可以把控制權(quán)限下放到站控制系統(tǒng)一級(jí)；或者當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，站控制系統(tǒng)自動(dòng)接管控制權(quán)限，保證控制的連續(xù)性和安全性。

2 井口及計(jì)量站遠(yuǎn)程終端單元的設(shè)置[1]

油田井口工藝設(shè)施比較簡(jiǎn)單，根據(jù)采油方式不同會(huì)有抽油機(jī)井、電潛泵井和自噴井。一般需要監(jiān)測(cè)井口的溫度、壓力、示功圖模塊數(shù)據(jù)、井口控制盤(pán)數(shù)據(jù)、電潛泵數(shù)據(jù)等，井的類(lèi)型不同，采集的數(shù)據(jù)量也會(huì)有一定的差別，但總體在幾十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍內(nèi)，因此設(shè)置一套小規(guī)模的遠(yuǎn)程終端單元（RTU）負(fù)責(zé)井口數(shù)據(jù)的采集和上傳即可。

RTU有一體化和模塊化兩種類(lèi)型，一體化的RTU結(jié)構(gòu)比較緊湊，處理器（CPU）單元、電源單元、通信單元、輸入輸出單元等都集成在一起，體積小、耗電量少，不需要專門(mén)的機(jī)柜室進(jìn)行放置。在無(wú)外電的情況下也可以借助太陽(yáng)能供電，并且RTU的寬溫性能使其更適應(yīng)惡劣的環(huán)境，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的單井井口是一種很好的選擇。但一體化的RTU輸入輸出接口數(shù)量有限，無(wú)法進(jìn)行較大量的擴(kuò)容改造，并且其中一個(gè)單元故障就需要整體更換。

計(jì)量站負(fù)責(zé)油井產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量的計(jì)量，主要由計(jì)量匯管、量油設(shè)施和收發(fā)球筒等工藝設(shè)施組成。站內(nèi)檢測(cè)回路較多，還需要對(duì)氣量和液量進(jìn)行單回路自動(dòng)控制，但一體化RTU已無(wú)法滿足要求，并且為了保證系統(tǒng)的可靠性，通常情況下要求RTU的CPU單元、電源單元、通信單元和控制回路單元進(jìn)行冗余配置，以保證其中一個(gè)單元出現(xiàn)故障，自動(dòng)切換到備用單元，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行和工藝設(shè)施的安全。因此，模塊化的RTU將是一個(gè)很好的選擇，各個(gè)單元以卡件的形式獨(dú)立存在，并且支持熱插拔。當(dāng)一個(gè)卡件出現(xiàn)故障的時(shí)候，移除故障卡件直接插入新的卡件即可。一般在設(shè)計(jì)中都有備用卡槽，當(dāng)計(jì)量站擴(kuò)容改造輸入輸出接口不夠用時(shí)，可購(gòu)買(mǎi)新的卡件插入備用卡槽即可，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性比較好，但占用的空間也相對(duì)較大，一般采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜進(jìn)行安裝，如果放置在戶外需要采用IP65級(jí)的機(jī)柜，防止灰塵和雨水進(jìn)入機(jī)柜損壞元器件。

RTU采集的數(shù)據(jù)需要上傳到SCADA系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，可以根據(jù)通信依托條件選擇光纜傳輸方式，或者采用無(wú)線通信方式，如微波或者無(wú)線4G方式。

3 接轉(zhuǎn)站控制系統(tǒng)的設(shè)置

接轉(zhuǎn)站主要匯集單井井口來(lái)油和計(jì)量站來(lái)油，進(jìn)行簡(jiǎn)單地處理后通過(guò)轉(zhuǎn)油泵輸送到中心處理站，站內(nèi)設(shè)施相對(duì)比較復(fù)雜。對(duì)于常規(guī)的過(guò)程控制設(shè)置一套PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，由于站內(nèi)存在油氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，因而需要設(shè)置單獨(dú)的火氣系統(tǒng)（FGS）。為防止上游來(lái)液超出設(shè)計(jì)容量或者操作不當(dāng)造成介質(zhì)溢流或者壓力過(guò)高損壞工藝設(shè)備，需要設(shè)置安全儀表（SIS）系統(tǒng)。此3套系統(tǒng)為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，其安全級(jí)別和操作要求也不盡相同。

PLC[2]系統(tǒng)為常規(guī)的工藝操作系統(tǒng)，可以進(jìn)行正常地開(kāi)閥關(guān)閥，啟泵停泵，修改報(bào)警值，修改控制回路設(shè)定值等參數(shù)，以滿足正常的工藝生產(chǎn)操作，減少現(xiàn)場(chǎng)操作頻次，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

FGS[3]系統(tǒng)主要接收現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w探測(cè)器、有毒氣體探測(cè)器和火焰探測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)到操作員工作站上提醒操作員。受制于探測(cè)原理的限制，探測(cè)器誤報(bào)率比較高，為避免裝置頻繁停車(chē)影響生產(chǎn)，通常FGS只做報(bào)警控制不做聯(lián)鎖關(guān)斷。待操作員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后，進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)斷操作。規(guī)范中并沒(méi)有對(duì)FGS系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)（SIL）做出要求，但為了系統(tǒng)的可靠性，通常要求采用SIL 3等級(jí)的FGS系統(tǒng)。

SIS[4]系統(tǒng)作為工廠的安全保護(hù)系統(tǒng)，是在常規(guī)過(guò)程控制失控情況下導(dǎo)致裝置超壓、超溫或者超液位等工況下，自動(dòng)采取關(guān)斷措施保護(hù)裝置和設(shè)備的安全。SIS系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)切斷無(wú)需人工干預(yù)。因此，對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求，通常需要做安全完整性（SIL）研究和保護(hù)層分析（LOPA），工業(yè)領(lǐng)域SIL最高等級(jí)為SIL3級(jí)。

站控制室需要設(shè)置操作站、工程師站和輔助操作臺(tái)。對(duì)于PLC系統(tǒng)可以設(shè)置1臺(tái)工程師站、1臺(tái)操作站，工程師站可兼做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。FGS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)可共用1臺(tái)工程師站，操作站可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模分開(kāi)設(shè)置也可以共用，輔助操作臺(tái)主要用于操作員進(jìn)行全場(chǎng)性關(guān)斷或者關(guān)斷一部分工藝系統(tǒng)。FGS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)RS485接口傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)統(tǒng)一打包，通過(guò)光通信系統(tǒng)上傳到SCADA系統(tǒng)內(nèi)。

4 中心處理站的設(shè)置

中心處理站作為全油田的中心，需要把井場(chǎng)、計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站等來(lái)的原油進(jìn)行脫水、脫氣、脫鹽、脫硫等工藝處理，達(dá)到可以外輸?shù)囊?。工藝流程比較復(fù)雜，除了原油處理工藝之外，還有氣處理工藝、水處理工藝；配套的公用工程如：儀表風(fēng)系統(tǒng)、氮?dú)猓∟2）系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、注水系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)信號(hào)接入量大，除了常規(guī)的單回路控制之外，還會(huì)涉及串級(jí)控制、分程控制、前饋反饋等復(fù)雜控制。由于PLC系統(tǒng)對(duì)于輸入輸出信號(hào)的讀取為周期掃描形式，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模變大之后，無(wú)法滿足控制回路的實(shí)時(shí)性要求，因而過(guò)程控制系統(tǒng)需要采用DCS[5]系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制各個(gè)工藝流程。

FGS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)的要求及配置與接轉(zhuǎn)站類(lèi)似，只是系統(tǒng)的規(guī)模會(huì)比較大一些。

近幾年隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，一些控制系統(tǒng)廠家推出了ICSS系統(tǒng)即集成控制與安全系統(tǒng)，使得DCS系統(tǒng)、FGS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，數(shù)據(jù)的交互和傳輸更加便利，減少了不同系統(tǒng)之間的兼容性和數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。上位機(jī)軟件也可以整合到一個(gè)軟件框架內(nèi)，不論是對(duì)前期的工程實(shí)施還是后期的運(yùn)行維護(hù)都帶來(lái)了很大的便利性。

由于控制系統(tǒng)規(guī)模比較大，為了保障數(shù)據(jù)的安全性，通常設(shè)置一套獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)DCS系統(tǒng)、FGS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器還將把數(shù)據(jù)上傳到SCADA系統(tǒng)。DCS工程師站需要1～2臺(tái)為前期的組態(tài)編程，后期運(yùn)維中的擴(kuò)容改造，控制參數(shù)整定，報(bào)警設(shè)定值修改等操作提供接口；DCS操作員站需要3～4臺(tái)用于顯示整個(gè)站內(nèi)的工藝參數(shù)以及進(jìn)行相應(yīng)的流程操作，報(bào)警處理等。同樣地，對(duì)于FGS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)也需要設(shè)置單獨(dú)的工程師站和操作員站，數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模大小設(shè)置1～2臺(tái)。

5 油田SCADA系統(tǒng)的設(shè)置

SCADA[6]系統(tǒng)作為全油田的數(shù)據(jù)中心，需要采集、存儲(chǔ)和控制油田各個(gè)區(qū)塊的工藝設(shè)施和設(shè)備。由于數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的控制系統(tǒng)，因而要求SCADA系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，需要兼容不同的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如OPC，MODBUS，TCP/IP，NTP等，從而保證與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的可靠和順暢。通常情況下，SCADA系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)進(jìn)行交互采用OPC協(xié)議，為了避免系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重，需要單獨(dú)設(shè)置1臺(tái)OPC協(xié)議服務(wù)器，專門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，為了增加系統(tǒng)的可靠性，OPC協(xié)議服務(wù)器冗余配置。

SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器可分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的工藝參數(shù)發(fā)送到操作員操作站，使得工藝流程畫(huà)面可以實(shí)時(shí)顯示工藝生產(chǎn)參數(shù)和實(shí)時(shí)趨勢(shì)，同時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器把數(shù)據(jù)傳送給歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)操作員工作站要調(diào)用歷史趨勢(shì)圖時(shí)，歷史服務(wù)器將請(qǐng)求的一定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)送到操作站顯示。因此，所有的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都需要有時(shí)間標(biāo)簽，便于調(diào)用和存取。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)分開(kāi)設(shè)置，并且都進(jìn)行冗余配置。

SCADA系統(tǒng)的另一個(gè)大功能就是報(bào)表生成，可以根據(jù)用戶需求對(duì)報(bào)表格式進(jìn)行定制，以實(shí)現(xiàn)周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等數(shù)據(jù)報(bào)表，供生產(chǎn)決策使用。

SCADA系統(tǒng)還負(fù)責(zé)整個(gè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)IP地址分配和管理，時(shí)鐘同步，網(wǎng)頁(yè)發(fā)布等功能。其中，網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能可以把工藝流程畫(huà)面發(fā)布到辦公網(wǎng)絡(luò)里面，這樣即使不在中控室也可以實(shí)時(shí)查看工藝生產(chǎn)狀態(tài)，為生產(chǎn)管理人員提供便利性。為了不占用生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)資源，需要單獨(dú)配置一套WEB服務(wù)器，并且進(jìn)入辦公網(wǎng)時(shí)需要配置單向網(wǎng)閘和防火墻，使得工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)只能查看而不能修改，保證生產(chǎn)網(wǎng)的安全。

SCADA系統(tǒng)除了服務(wù)器之外，也需要配置相應(yīng)的工程師站和操作員站。通常工程師站配置2臺(tái)互為備用，操作員站根據(jù)油田規(guī)模和顯示畫(huà)面的數(shù)量可以配置3臺(tái)或者更多。服務(wù)器的硬盤(pán)數(shù)量可根據(jù)油田總的數(shù)據(jù)量以及未來(lái)擴(kuò)容量，選擇獨(dú)立的磁盤(pán)陣列機(jī)柜或者在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)預(yù)留一定數(shù)量的擴(kuò)展盤(pán)位。

SCADA中心可以單獨(dú)設(shè)置也可以與中心處理站合建，如果SCADA中心管理的范圍比較廣如某油田項(xiàng)目有3個(gè)中心處理站及下轄的油田群，則可以單獨(dú)建設(shè)一個(gè)SCADA中心站作為油田最高的生產(chǎn)管理層。通常情況下，SCADA中心與中心處理站站控制系統(tǒng)合建即可，共享機(jī)柜間和控制室。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了整裝油田項(xiàng)目控制系統(tǒng)架構(gòu)的一種思路，對(duì)于不同的油田項(xiàng)目，根據(jù)油田管理的需求數(shù)據(jù)流向和系統(tǒng)機(jī)構(gòu)可以靈活變化，比如RTU的數(shù)據(jù)可以不直接流向SCADA系統(tǒng)，而是隨著工藝介質(zhì)流向進(jìn)入相應(yīng)的接轉(zhuǎn)站或者計(jì)量站，接轉(zhuǎn)站或計(jì)量站把本站數(shù)據(jù)和井口RTU數(shù)據(jù)進(jìn)行打包統(tǒng)一上傳到SCAD系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)可以以光纜為主，衛(wèi)星通信為輔，未來(lái)也可以以5G通信為輔，達(dá)到油田數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>