基于SCADA系統(tǒng)的海上平臺(tái)新型工控系統(tǒng)建設(shè)方法

吳可嘉，柳敏，周陸平，石振赟，曹亮

(1.中國石油大港油田公司對(duì)外合作項(xiàng)目部，天津 300280；2.中國石油天然氣股份有限公司大港趙東作業(yè)分公司，天津 300457)

0 引言

海上平臺(tái)建設(shè)之初，信息是在不同信息孤島中采集、存儲(chǔ)及展示的，信息集群是工業(yè)4.0的基本要求，也是海上平臺(tái)進(jìn)行信息整合，挖掘信息價(jià)值的必要手段。隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的普及，海上平臺(tái)的發(fā)展已經(jīng)完成了從氣路控制到電氣控制的轉(zhuǎn)變。但新的挑戰(zhàn)隨之出現(xiàn)，由于各撬塊的控制大多由撬塊廠家提供，導(dǎo)致海上平臺(tái)具有很多獨(dú)立的控制系統(tǒng)，而各控制撬塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)、操作界面、報(bào)警信息等均分布于現(xiàn)場，一旦出現(xiàn)異常，需要操作人員前往現(xiàn)場進(jìn)行異常處理，這大大增加了響應(yīng)時(shí)效、人工作業(yè)成本與工作難度。同時(shí)，各系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理，不便于管理人員從全系統(tǒng)的角度對(duì)平臺(tái)的工藝、安全等進(jìn)行綜合研判。

隨著工業(yè)信息化的發(fā)展，建設(shè)智能化的生產(chǎn)平臺(tái)離不開對(duì)底層工業(yè)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，而零星分布的工業(yè)控制系統(tǒng)，就像一個(gè)個(gè)的“數(shù)據(jù)孤島”，加大了數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集的難度，不利于工業(yè)信息化的發(fā)展，而引入數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition, SCADA)正好解決了這方面的困擾，通過SCADA系統(tǒng)集成現(xiàn)場各控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程控制操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)分析，為實(shí)現(xiàn)智能化平臺(tái)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 新型控制系統(tǒng)建設(shè)的必要性

隨著海上平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)模不斷發(fā)展，需求不斷增加，傳統(tǒng)應(yīng)用的分布式控制系統(tǒng)(distributed control system, DCS)在某些方面制約了自動(dòng)化向更深層次發(fā)展，主要存在以下問題：

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控范圍有局限

DCS系統(tǒng)主要集中于對(duì)單個(gè)平臺(tái)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)、火氣監(jiān)控系統(tǒng)以及應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的集成，對(duì)平臺(tái)上其他獨(dú)立成撬的控制系統(tǒng)的監(jiān)控也僅限于部分報(bào)警和狀態(tài)變量點(diǎn)，數(shù)據(jù)監(jiān)控的范圍受到各系統(tǒng)通訊協(xié)議以及DCS通訊模塊的局限。

1.2 數(shù)據(jù)分析能力有局限

DCS系統(tǒng)主要專注于對(duì)數(shù)據(jù)的采集和控制，而對(duì)于大量的數(shù)據(jù)處理和綜合分析方面的功能較弱，數(shù)據(jù)的處理工作主要在控制器中完成，數(shù)據(jù)二次加工的能力不強(qiáng)。

1.3 系統(tǒng)性能有局限

DCS系統(tǒng)主要依托于有限的數(shù)據(jù)服務(wù)器，在數(shù)據(jù)采集能力上受到單系統(tǒng)硬件以及軟件性能的限制，不能很好地勝任對(duì)多平臺(tái)超大范圍的數(shù)據(jù)采集以及存貯工作。

因此，亟需建設(shè)一款新型控制系統(tǒng)解決以上局限性問題。

2 海上平臺(tái)新型工控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

新型工控系統(tǒng)采用了“HMI+PLC”的SCADA系統(tǒng)構(gòu)架模式，由中控系統(tǒng)、各獨(dú)立撬塊控制系統(tǒng)、HMI監(jiān)視控制系統(tǒng)三大部分組成。其中，中控系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣監(jiān)測系統(tǒng)三種子系統(tǒng)構(gòu)成，通過光纖和以太網(wǎng)通訊，搭配7臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)260余套可編程控制器(programmable logic controller, PLC)設(shè)備、貫穿井筒-地面-集輸-電力-安全各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。通過創(chuàng)建“井筒-地面-集輸-電力-安全”一體化管理模式，構(gòu)建“二級(jí)控制三級(jí)管理”的管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化分析。創(chuàng)建全生命周期設(shè)備完整性管理系 統(tǒng) (enterprise asset management, EAM)，“ 選型-計(jì)劃-采購-安裝-運(yùn)行-維護(hù)-報(bào)廢”全業(yè)務(wù)鏈信息共享、流程規(guī)范、業(yè)務(wù)協(xié)同、監(jiān)督有效的信息管理平臺(tái)，各專業(yè)、各層級(jí)一以貫之、持之以恒推進(jìn)協(xié)同運(yùn)營創(chuàng)建綜合安防管理系統(tǒng)(ISEC)，提高安全管控、生產(chǎn)保障和應(yīng)急處置能力，降低安防人力需求，提升安防效率。詳細(xì)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。該模式較傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的集成性、拓展性、開放性，以趙東平臺(tái)已應(yīng)用的新型工控系統(tǒng)為例介紹該系統(tǒng)特性如下：

圖1 海上平臺(tái)新型工控系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)集成性：實(shí)現(xiàn)260套不同的PLC設(shè)備之間的穩(wěn)定通信，可以控制從單臺(tái)設(shè)備到各系統(tǒng)。

(2)拓展性：組態(tài)點(diǎn)位受限制較小，滿足未來系統(tǒng)改造升級(jí)需求，目前趙東平臺(tái)組態(tài)的輸入輸出(IO)點(diǎn)位達(dá)105 000 個(gè)。

(3)開放性：系統(tǒng)集成了多種通訊協(xié)議接口，能滿足市面上絕大數(shù)廠家(軟件)信息的交互要求。

2.2 生產(chǎn)控制新技術(shù)

海上平臺(tái)新型工控系統(tǒng)研發(fā)過程中還形成了兩項(xiàng)輔助決策的生產(chǎn)自動(dòng)化控制新技術(shù)，敘述如下。

2.2.1 電網(wǎng)智能脫扣控制系統(tǒng)

利用SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測控制技術(shù)與運(yùn)算功能，設(shè)計(jì)開發(fā)電網(wǎng)智能脫扣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)用電負(fù)荷的重要程度進(jìn)行分級(jí)管理，實(shí)現(xiàn)在單臺(tái)發(fā)電機(jī)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)異常停機(jī)的情況下，按負(fù)荷卸載優(yōu)先級(jí)順序自動(dòng)卸載優(yōu)先級(jí)較高的電氣負(fù)荷，確保其余正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，為平臺(tái)穩(wěn)定安全生產(chǎn)提供保障，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。當(dāng)發(fā)生非常停機(jī)時(shí)，電網(wǎng)智能脫扣系統(tǒng)執(zhí)行脫扣命名，計(jì)算脫扣負(fù)荷大小，卸載所需的負(fù)荷量；當(dāng)正常手動(dòng)停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)不執(zhí)行脫扣命令，其他機(jī)組正常運(yùn)行。

圖2 電網(wǎng)智能脫扣控制系統(tǒng)示意圖

2.2.2 地層破裂壓力監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于注水破裂壓力數(shù)據(jù)模型，搭配SCADA實(shí)時(shí)采集注水壓力和流量，在異常情況下觸發(fā)SDS(緊急關(guān)停系統(tǒng))聯(lián)鎖關(guān)斷注水系統(tǒng)，有效防范海上油田地質(zhì)性溢油風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)主要包括破裂模型、數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析報(bào)警、聯(lián)鎖關(guān)斷四大模塊。破裂模型的建立主要根據(jù)注水壓力-流量變化趨勢，當(dāng)壓力上升時(shí)，流量上升或下降，均為正常現(xiàn)象；當(dāng)壓力下降時(shí)，流量也隨之下降，也屬正常現(xiàn)象；當(dāng)壓力下降而流量上升時(shí)，則判定為低層破裂可能發(fā)生。系統(tǒng)以30 s作為一個(gè)計(jì)算周期，當(dāng)檢測到壓力下降超過20 psi/min((即一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)下降10 psi))，同時(shí)檢測到該計(jì)算周期內(nèi)流量增加5 %，則系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警指示地層破裂可能發(fā)生，如果生產(chǎn)人員在5 min內(nèi)沒有采取行動(dòng)，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)斷注水系統(tǒng)。

2.3 油藏?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理實(shí)現(xiàn)方法

近些年油田智能信息化的迅速發(fā)展導(dǎo)致油田群平臺(tái)所產(chǎn)生的油藏?cái)?shù)據(jù)呈現(xiàn)出了指數(shù)式增長趨勢，因此，石油企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營管理面臨著油藏?cái)?shù)據(jù)的數(shù)目巨大、類型豐富多樣以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等一系列挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)難以解決這一困局。SCADA系統(tǒng)明顯區(qū)別于DCS系統(tǒng)的另一方面在于海上平臺(tái)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集儲(chǔ)存。運(yùn)用油井電泵監(jiān)測技術(shù)搭配SCADA系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)單井采集數(shù)據(jù)點(diǎn)位46 個(gè)、采集速率≤200 ms/次，同步搭建數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)油藏?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)收集存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)化處理。

數(shù)據(jù)湖是一種能統(tǒng)一存儲(chǔ)海量源數(shù)據(jù)于系統(tǒng)或庫中的手段，其優(yōu)勢在于可以用各種結(jié)構(gòu)模式來配置數(shù)據(jù)。其主要目標(biāo)是將最初的自然數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用于實(shí)現(xiàn)畫面展示、技術(shù)分析、基礎(chǔ)運(yùn)算和人工智能等任務(wù)的各類目標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)湖中的數(shù)據(jù)類型包含了結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化三大類，因而能集中儲(chǔ)存涵蓋所有形態(tài)的數(shù)據(jù)。其中，油藏的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括：設(shè)備管理、隨鉆測井、地質(zhì)建模、生產(chǎn)監(jiān)測等數(shù)據(jù)；油藏的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要是指一些無定義的數(shù)據(jù)模型或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)雜亂無序、殘缺不全，如：E-mail、Word、Excel、PDF、圖像、聲像、影像等；半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)介于結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化之間，如：CSV、XML、JSON等。油藏?cái)?shù)據(jù)湖可用于平臺(tái)電泵診斷、產(chǎn)量預(yù)測、協(xié)同調(diào)用、油藏分析、設(shè)計(jì)決策等，完美解決了原DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的局限性。目前該數(shù)據(jù)湖已保存十二年油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為未來數(shù)字油藏奠定基礎(chǔ)。

使用數(shù)據(jù)湖的優(yōu)勢在于：(1)不同形態(tài)的數(shù)據(jù)有了一致的儲(chǔ)存位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，方便使用；(2)采用了開放式混合架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯聚和存儲(chǔ)，擴(kuò)展性強(qiáng)；(3)以初始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)的原始性、自然性、保真性；(4)不需要提前定義數(shù)據(jù)模型，不必進(jìn)行統(tǒng)一建模。

3 系統(tǒng)建設(shè)的創(chuàng)新點(diǎn)

信息整合是海上平臺(tái)進(jìn)行新型工控系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)工作之一，面對(duì)海上平臺(tái)復(fù)雜的控制系統(tǒng)分布，建設(shè)高度集中的自動(dòng)化系統(tǒng)，并提供一體化的信息服務(wù)，是新型的工控系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容，系統(tǒng)建設(shè)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)搭建開放式SCADA系統(tǒng)，提高了多系統(tǒng)的集成能力。采用SCADA系統(tǒng)架構(gòu)，將多個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)集成在一起，方便操作，一個(gè)平臺(tái)可以控制管理多個(gè)平臺(tái)的所有設(shè)備，降低用戶維護(hù)成本，提高響應(yīng)時(shí)間。多協(xié)議數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合能力。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)涉及到平臺(tái)各個(gè)方面，并對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和結(jié)構(gòu)化處理，為工業(yè)信息化奠定良好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。分布式資源支撐數(shù)據(jù)的集中處理，加強(qiáng)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。通過收集不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，依托服務(wù)器的計(jì)算能力和分布式計(jì)算優(yōu)勢，全局性的計(jì)算分析影響，從而提供相應(yīng)決策，并可自行相應(yīng)控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集群設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性。SCADA系統(tǒng)架構(gòu)采用集群的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可利用計(jì)算機(jī)群實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，大大提高了系統(tǒng)性能，并增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)通過多維聯(lián)動(dòng)，快速定位設(shè)施、設(shè)備及數(shù)據(jù)，集成調(diào)用不同業(yè)務(wù)模塊數(shù)據(jù)綜合展示，支持生產(chǎn)管理決策，提升各專業(yè)生產(chǎn)協(xié)同作業(yè)能力、監(jiān)控指揮能力和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)能力，從而提高生產(chǎn)效率、實(shí)時(shí)決策水平和應(yīng)急管理水平。

(3)通過實(shí)現(xiàn)油藏?cái)?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了石油企業(yè)分散油田的油藏?cái)?shù)據(jù)的集中管理，同時(shí)，可以根據(jù)權(quán)限級(jí)別的設(shè)定，業(yè)務(wù)人員可直接訪問和獲取所需的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了企業(yè)對(duì)油藏?cái)?shù)據(jù)關(guān)鍵指標(biāo)的提取與有效分析，同時(shí)標(biāo)注出油藏?cái)?shù)據(jù)的關(guān)鍵指標(biāo)以及數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行有效分析和合理分類預(yù)測，這大大激發(fā)了海量油藏?cái)?shù)據(jù)的潛在應(yīng)用。統(tǒng)一了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，使得當(dāng)各個(gè)部門需要數(shù)據(jù)匯總決策分析時(shí)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)定義和統(tǒng)計(jì)單位等不一致性問題，大大提高了油田企業(yè)的管理效率與工作效率。

4 結(jié)語

依托于工業(yè)4.0體系，構(gòu)建信息集群，實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)工控系統(tǒng)向著集中化、規(guī)模化方向發(fā)展，并伴隨著工業(yè)信息化的大力推行，傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)已無法滿足智能化平臺(tái)發(fā)展的需求。基于SCADA系統(tǒng)的海上平臺(tái)新型工業(yè)控制系統(tǒng)整合各方控制資源，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)分析能力，幫助運(yùn)行人員減輕繁重的監(jiān)視工作，降低運(yùn)維成本，智能化的提供科學(xué)高效的決策信息。隨著工業(yè)信息化的不斷發(fā)展，SCADA系統(tǒng)也將不斷地發(fā)展、豐富和創(chuàng)新。以趙東作業(yè)平臺(tái)為例，該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行六年，將平臺(tái)非人為關(guān)停次數(shù)控制在1 次/年以內(nèi)，有效避免平臺(tái)失電12次，極大提高了平臺(tái)的生產(chǎn)效率，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。