淺水測試場監控系統的設計與搭建

Design and Setup of the Monitoring System for Shallow Water Test Site

楊　安1　陳　斌1　謝　超2　張汝彬1　蔡玉龍2　陳東良2　王立權2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津　300051；哈爾濱工程大學機電學院2，黑龍江 哈爾濱　150001)

淺水測試場監控系統的設計與搭建

Design and Setup of the Monitoring System for Shallow Water Test Site

楊安1陳斌1謝超2張汝彬1蔡玉龍2陳東良2王立權2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津300051；哈爾濱工程大學機電學院2，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：為了搭建淺水測試場監控系統，設計了基于WinCC搭建的SCADA系統。整個系統由5個子任務系統組成，每個子任務系統具有自己的工程師站與操控站。主服務器通過TCP/IP實現與子任務服務器的數據通信，結合大屏幕監控技術，實現了監控大屏幕上各任務的全屏與分屏顯示，避免總監控系統對各個子任務畫面的二次組態。搭建得到的監控系統具有更好的穩定性和可維護性，搭建工作量更小。通過Web Navigator和Data Monitor實現遠程監控和數據下載，為其他監控系統搭建提供參考。

關鍵詞：淺水測試場分布式監控系統WinCC遠程監控主/從服務器

Abstract：To setup the monitoring system for shallow water test site, the SCADA based on WinCC is setup. The entire system is composed of five sub task systems; each sub task system has its own engineer station and operator control station. The data communication between main server and sub task server is implemented via TCP/IP; combining with large screen monitoring technology, each sub task can be displayed in full screen and split-screen on monitoring large screen, thus the secondary configuration for each sub task graphic can be avoided in total monitoring system. The system is easy to setup and possesses better stability and maintainability; remote monitoring and data download can be implemented through Web Navigator and Data Monitor; it provides reference for setting up other monitoring systems.

Keywords：Shallow water test siteDistributed control systemWinCCRemote monitoringMaster/slave server

0引言

深海油氣開采過程中，水下生產技術具有受天氣影響小、可靠性強等特點，是開采深海油氣田的關鍵技術之一。水下生產設施監控技術是深海油氣田開采中的重要一環，對于水下生產設施生產系統的設計驗證起著非常重要的作用[1]。

目前，水下生產系統測試主要包括基礎的單元測試、子系統工廠接收測試、系統集成測試、現場接收測試以及生產調試等。測試所使用的水池主要分為以下三種：①氣密性測試水池，一般的設備制造商或者設備維修公司均建有這類水池；②安裝測試水池，主要用于水下處理系統等水下生產設施的測試，世界共5座且均位于挪威；③模型測試水池，用于水下系統模型測試，主要分布在高校及科研機構。國內也有不少海洋測試水池，但是由于受水池大小、水深與場地的限制，無法做大型水下生產系統安裝測試[2]。

本文根據國內外水下監控系統技術的調研，設計與搭建了用于水下生產系統測試的淺水測試場監控系統，研究適合我國的水下設施監控技術。

1分布式監控系統(DCS)

淺水測試場監控采用分布式監控系統(distributed control system，DCS)，現有的分布式監控系統通常可分為工程師站、操作員站、服務器站、控制器站等功能站[3]，每個功能站通過TCP/IP進行通信與數據交互。通過將所有的功能站組合在一起就成為了一個統一的系統，以此來實現分散控制、集中監視、集中控制等功能[4]。對于單個子任務系統來說，組態工作簡單，分布式系統能夠提高系統的可靠性與穩定性，降低主服務器的工作量。但對于多個子任務系統，需要將子任務系統重新整合并進行功能站的劃分，不僅使得系統組態工作量增加，而且在后期單個子任務系統的升級中需要整個系統的重新組態，影響整個系統運行，增加了維護成本。本系統在分布式監控系統的基礎上，將整個任務分成5個子任務系統，每個子任務系統具有自己的工程師站與操控站。主服務器通過TCP/IP實現與子任務服務器的數據通信，結合大屏幕監控技術實現子任務監控畫面在總監控中的顯示，從而避免將5個子任務進行畫面的二次組態。系統功能分布在各個子服務器中，減小主從服務器的工作量，使得總監控系統更易于維護，可靠性更高。

2淺水測試場系統軟件設計

2.1　總體方案設計

根據淺水測試場監控系統的控制要求以及水下生產系統工藝流程，本課題基于以下原則進行了監控系統設計。

(1) 淺水測試場監控系統應具有遠程監控能力，并且其系統結構應該具有一定的可靠性和穩定性；

(2) 組態畫面的設計應按照水下生產工藝流程設計，盡量采用與實際的水下生產工藝流程相接近的圖解與動畫表示；

(3) 對于出現頻率比較高的水下生產系統的閥門、傳感器數據、控制變量、狀態變量及報警狀態，應完善其顯示方式，方便管理員和現場操作員及時查詢當前生產工藝過程，重要的狀態變量及報警狀態應在組態軟件系統監控界面中用醒目的顏色顯示；

(4) 監控系統的設計應制定合理的密碼管理和操作訪問權限，同時要制定完善的管理規則，強化管理者與現場操作員的安全管理意識。

根據上述設計原則，淺水測試場監控系統基于WinCC組態軟件，由數據庫服務器、Web服務器、主/從服務器等組成，能夠通過局域網和互聯網對大型設備的狀態和工況參數進行實時監測，包括設備的工藝參數(轉速、負荷、功率、溫度、壓力、流量等)。該系統不但能夠存儲長時間的系統參數，并且能夠在線和遠程訪問服務器數據，便于工程師能夠“隨時隨地”掌握設備運行的信息，解決信息孤島問題，方便、有效地運用專家的經驗和知識，促進大型設備的管理工作[5-6]。淺水測試場監控系統總體方案如圖1所示。

圖1　淺水測試場監控系統方案圖

監控系統總體結構分為3層，具體如下。

(1) 管理層：是整個監控系統的中樞。管理層提供人機接口，是整個控制系統信息交換的界面，主要完成系統組態、控制參數在線修改、處理工藝參數顯示、設備運行狀態顯示和設備集中控制、超限故障報警、報表打印等功能。主從服務器選用大型的網絡關系數據庫，滿足開放、分布式數據庫管理方法的要求。5個子任務服務器采用工控計算機，分別側重監控與管理功能。

(2)控制層：是管理層與現場層之間的樞紐層，其主要功能是接受管理級的參數或命令，同時實現現場數據的采集、數據上傳、對生產過程進行控制等功能。管理級的計算機與控制級的PLC之間由屏蔽的雙絞線進行連接，PLC配置通信模塊接口，采用工業以太網實現數據通信。

(3) 現場層：是實現系統功能的基礎。現場層主要由傳感器、檢測儀表、控制設備等組成，其主要功能是完成其范圍內的生產過程、儀表、設備的檢測并將檢測到的數據上傳，接受控制級的指令，對執行機構進行控制等。各設備分區、現場檢測儀表等采用現場總線進行連接。

淺水測試層監控系統工作原理：在淺水測試的監控系統中，下位機系統使用Siemens S7 PLC完成現場設備監測、數據處理；上位機系統采用Siemens WinCC V13平臺實現對現場數據可視化的監控。上位機系統中，子任務服務器負責從下位機采集、處理和存儲數據并進行數據的組態和運行監控；主/從服務器負責保存來自子任務服務器的數據。子任務服務器與主從服務器之間采用了客戶機/服務器的體系結構，在擴大功能范圍的同時減輕主/從服務器的負載，并保證系統良好的功能特性；主/從服務器與子任務服務器之間采用TCP/IP，基于OPC標準實現數據交換和共享;主從服務器故障時互為備用，具有靈活的運行方式。這種結構可使生產過程中的信息集中管理，以實現整體操作、管理和優化，同時分散控制危險，提高系統的可靠性，子任務服務器通過工業以太網絡將PLC控制器實時采集的數據進行可視化處理并反饋到監控界面中。PLC控制系統根據工程師從監控界面中的控制開關、按鈕的指令信號，進行現場設備控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服務器用于工藝控制，它們之間的通信將通過開放、交換式的快速以太網實現。來自現場的執行機構和傳感器的信號被采集到相關的I/O站，通過開放的Modbus-RTU網送至PLC控制系統。幾乎所有的操作都通過WinCC操作站的顯示器、鼠標和鍵盤來實現。

2.2　監控界面設計

根據淺水測試場監控系統的監控要求，監控系統包含五個子任務系統：水下電控監控任務系統、水下液控任務系統、多相流模擬任務系統、防腐監測任務系統、淺水測試場總監控系統。為了減少工作量，簡化系統，提高系統的穩定性，避免整個子任務系統畫面的二次組態，結合液晶顯示拼接技術，各個子任務之間通過VGA視頻線將工藝過程畫面接入到大屏幕電視中，通過子任務淺水測試場總監控系統進行控制，實現總監控室中大屏幕電視墻的畫面切換，如圖2所示。

圖2　淺水測試場系統監控組成原理圖

當單個子任務需要修改時不會影響到監控室中對總監控系統中其他子任務的監控，也不需要對總監控系統畫面進行修改。

整個監控畫面結構如圖3所示，主要包含了5個子任務的按鈕切換畫面、水下視頻監控任務的攝像頭監控畫面、歷史視頻回放畫面、部分工藝過程參數變化趨勢以及報警信息。

圖3　監控界面組態結構圖

2.3　遠程監控系統設計

為實現淺水測試場監控系統的遠程監控功能，選取WinCC中的Web Navigator組件。WinCC Web Navigator可以通過Intranet/Internet實現遠程監控， WinCC Web Navigator組件包分別由安裝在服務器計算機上的特殊 WinCC Web Navigator 服務器組件和運行在Internet計算機上的WinCC Web Navigator客戶機組件組成。

遠程網絡系統通用的是TCP/IP協議，因此在該系統中采用TCP/IP協議進行通信[7]。WinCC Web Navigator 客戶機集成在客戶機PC的Internet瀏覽器中，可以運行和管理正在進行的WinCC項目而無需在PC上安裝整個WinCC基本系統[8]。項目和相關的WinCC應用程序位于服務器計算機上。遠程用戶只需要下載并安裝對應的WinCC Web Navigator Client組件，通過網絡連接和準確的用戶賬號/密碼，就可以遠程訪問到發布在Web上的系統操作過程畫面、報警記錄畫面、趨勢曲線畫面、歷史記錄畫面等。

根據不同的項目情況，WinCC Web Navigator Server可以有不同的組態系統結構[9]。考慮遠程監控的數據安全性和系統條件的原則,采用如圖4所示的組態結構。在此結構組態中，WinCC Server和WinCC Web Navigator的服務器組件安裝在一臺計算機上。WinCC Web Navigator 客戶機可以通過Internet/Intranet監控運行的WinCC項目。使用WinCC Web Navigator客戶機，可以擴展客戶機-服務器系統。

圖4　遠程監控系統組態結構圖

本監控系統采用專用WinCC Web Navigator服務器，實現兩臺下位WinCC服務器之間的冗余切換，從而提高系統的可靠性、穩定性。

遠程監控人員通過在瀏覽器中輸入相應的服務器IP地址，便可以訪問總監控系統的Web服務器；經過服務器的安全身份驗證，便可以登錄到Web服務器，并訪問主/從服務器的數據及子服務器的過程畫面,如圖5所示。第一次通過瀏覽器登錄服務器時應該按照提示安裝相應的瀏覽器插件，用戶輸入IP地址/datamonitor，可以訪問服務器中的數據，且可根據自身需求，下載打印監控系統參數的數據表格和變化趨勢圖。

圖5　遠程監控步驟圖

2.4　監控系統安全設計

監控系統的安全是設計中的重要問題，主要通過對用戶的權限及密碼進行管理和遠程監控組態結構設計，保證整個系統的安全。

(1) 用戶管理

用戶管理系統組態WinCC用戶的訪問權限，通過權限分配，為用戶分配不同的訪問權限，用戶可以進行相關的權利操作。本監控系統中設置的3種級別的用戶具有不同的操作授權，其中“Administrator”(管理員)，“Engineer”(工程師)和“Operator”(操作員)分配不同操作權限。

① 管理員權限：管理員具有對該監控系統的所有操作權限。管理員在重要的系統操作方面具有特別授權。比如負責重要過程數據的設定及修改、畫面編輯、動作編輯、用戶管理、系統退出等操作。

② 工程師權限：在操作員權限基礎上，工程師具有進行監控系統的任何操作、設定及修改生產過程的相關參數、報警處理及消息歸檔等權限。

③ 操作員權限：操作員級只能進行簡單的生產過程控制，但是具備基本的系統操作權限。比如：查看控制畫面、確認報警信息、確認通信故障、消息歸檔操作等。

(2) 遠程監控安全

在設計遠程監控Web Server時，監控系統需要連接到外部網絡，數據和網絡的安全是遠程監控系統設計的重中之重[10-11]，因此根據安全性和系統條件要求，在系統運行時必須采用防火墻。

3硬件設計及其選型

淺水測試場總監控系統采用西門子工控產品。其中工控機選取IPC647C，其性能高且系統響應時間極短，系統可用性和數據安全性非常高。網絡交換機選用SCALANCE X408-2，具有綜合冗余管理功能，能夠組成冗余環網，提高通信網絡的可靠性，并且有4個10/100/1 000 Mbit/s和4個10/100 Mbit/s RJ45端口和2個光纖接口，傳輸速度完全滿足測試場視頻數據傳輸需要。淺水測試場監控系統的主要設備與UPS電源連接，當不間斷電源超載時或出現故障情況時，UPS就會提供市電給負載。顯示設備采用8塊三星46英寸(1英寸=25.4 mm)超窄邊液晶顯示器單元拼接而成，大屏幕電視墻的視頻陣列矩陣通過VGA視頻線與子任務的服務器連接，實現子任務監控畫面的接入。

4結束語

綜上所述，通過WinCC組態軟件搭建了一個淺水測試場分布式監控系統。該系統能夠保存5個子任務的工藝過程參數與監控視頻，并且具有遠程監控能力。主服務器采用雙機熱備，具有一定的可靠性。每個子任務都具有自己的服務器，能夠通過TCP/IP協議同主從服務器進行通信。結合大屏幕監控技術，系統實現了將各個子任務畫面在大屏幕上的全屏與單屏顯示，同時避免了總監控系統對各個子任務畫面的二次組態，提高了總監控系統的穩定性和可維護性，減少了主/從服務器的工作量。

參考文獻

[1] 梁稷，姚寶恒，曲有杰，等.水下生產系統測試技術綜述[J].中國測試，2012，38(1)：38-40.

[2] 陳斌，蘇峰，張凡，等.水下生產系統測試水池應用現狀研究[J].石油機械，2014，42(2)：45-48.

[3] 羅安.DCS的過去、現在未來[J].自動化博覽，2002(6)：3-8.

[4] Chapman,C M.Distributed control for sistributed systems[C]∥IEE Colloquium,1990:1-5.

[5] 張曉杰，劉海昌.基于W inCC的數據采集和監控系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2007(4)：53-55.

[6] 郝洪亮，常珍，張飛.基于WinCC的監控系統在鉆井頂驅系統中的應用[J].裝備應用與研究，2013，363(9)：36-37.

[7] 張濤，陳志軍.第三方軟件與監控系統遠程數據交互的應用[J].自動化儀表，2013，34(6)：51-54.

[8] 賈云婷，王喜軍.油田基于WinCC Web Navigator的遠程數據采集控制系統的設計[J].工業控制計算機，2010，23(3)：12-13.

[9] 楊秀爽.基于Web的PLC遠程實驗室設計與實現[D].南京：南京理工大學，2008.

[10]徐新黎,葉棋標,張靜，等.計算機遠程監控系統中的安全技術[J].浙江工業大學學報，2004，32(4)：190-197.

中圖分類號：TP271

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503007

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2011ZX05027-004-04)。

修改稿收到日期：2014-08-30。

第一作者楊安(1982-)，男，2005年畢業于天津大學測控技術與儀器專業，獲學士學位，工程師；主要從事水下控制相關工作的研究。