整裝油田控制系統規劃及研究

趙才先，張靖瑜

（1.中國石油工程建設有限公司 北京設計分公司，北京 100086；2.蘭州石化職業技術學院 電子電氣工程學院，蘭州 730060）

0 引言

一般油田生產面積大、油井分布廣、站場多而分散，需要大量的人力物力對油田設施設備進行巡查和檢修；同時隨著環保要求越來越嚴格，油田處理設施也變得越來越復雜，這就要求油田需進一步提高油田的自動化和信息化建設，以應對生產成本的上升和快速變化的市場需求。盡管部分油田已經進行了自動化和信息化的升級改造，但多以獨立的形勢存在，整個油田的控制系統沒有形成完整的體系，對于油田的生產決策仍然存在信息不準確和滯后性。本文將以某油田項目建設為背景，詳細論述整裝油田從井口、計量站、接轉站到中心處理站等各個站場控制系統的設置原則，為油田的統籌規劃提供解決方案。

1 油田控制系統簡介

通常根據數據處理規模和系統功能需求，油田控制系統有如下幾種：數據采集與監控系統（SCADA系統），集散控制系統（DCS系統），可編程邏輯控制系統（PLC系統），安全儀表系統（SIS系統），火氣系統（FGS系統）和遠程終端單元（RTU）。

SCADA系統是一個開放的系統，支持很多國際上通用的協議，比如：OPC協議，TCP/IP協議，Modbus RTU協議，NTP協議等。此系統主要負責數據采集，控制與存儲，形成生產報表。

圖1 整裝油田控制系統架構圖Fig.1 Structure diagram of integrated oilfield control system

DCS系統一般應用于大型站場工藝設施的監視和控制，此系統可以接收成千上萬塊現場儀表的輸入輸出信號。數據處理能力強大，可以實現復雜的連續控制，并且支持很多先進控制算法，比如預測控制算法、神經網絡算法、優化算法等，可以實現復雜工藝的卡邊控制，使原油處理指標達到更高的要求。

PLC系統最開始應用于批量處理工藝流程，只能接收數字量信號，對于復雜的邏輯判斷與處理有較大的優勢。隨著技術的進步PLC系統也可以很好地處理模擬量，因此逐漸地在石油化工的連續流程工藝中得到廣泛應用。但信號處理規模仍然有一定的限制，對于工藝設施簡單的中小型規模站場比較適用，可以進行數據采集，報警聯鎖和復雜回路控制。

SIS系統作為工廠的安全保護系統，主要作用是在工藝流程失控之后保護工藝裝置和設備，防止有毒有害介質釋放到外界造成人員傷害和環境污染。當被檢測的工藝參數達到系統中設定的報警值時，系統將自動觸發聯鎖關斷使得部分裝置停車或者全場停車，防止工況進一步惡化。

在油氣生產過程中免不了會有氣體泄漏或者火災發生，為了保護人員和設備安全，需要在現場設置氣體探測器和火焰探測器，這些探測器的信號將進入獨立的FGS系統，實現報警并聯鎖觸發現場聲光報警器，提醒現場操作人員，遠離危險源。

整個油田的系統架構如圖1所示，SCADA系統作為油田控制系統的最頂層系統，負責全油田的數據采集與控制。各個站場根據工藝流程的復雜程度和功能需求設置相應的站控制系統，實現本地站場工藝設備的控制和數據上傳。SCADA系統可以對控制權限進行管理，正常情況下由SCADA系統進行遠程控制，當SCADA系統收到站控制系統控制權限請求時，可以把控制權限下放到站控制系統一級；或者當通信網絡中斷時，站控制系統自動接管控制權限，保證控制的連續性和安全性。

2 井口及計量站遠程終端單元的設置[1]

油田井口工藝設施比較簡單，根據采油方式不同會有抽油機井、電潛泵井和自噴井。一般需要監測井口的溫度、壓力、示功圖模塊數據、井口控制盤數據、電潛泵數據等，井的類型不同，采集的數據量也會有一定的差別，但總體在幾十個數據點范圍內，因此設置一套小規模的遠程終端單元（RTU）負責井口數據的采集和上傳即可。

RTU有一體化和模塊化兩種類型，一體化的RTU結構比較緊湊，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，不需要專門的機柜室進行放置。在無外電的情況下也可以借助太陽能供電，并且RTU的寬溫性能使其更適應惡劣的環境，對于偏遠地區的單井井口是一種很好的選擇。但一體化的RTU輸入輸出接口數量有限，無法進行較大量的擴容改造，并且其中一個單元故障就需要整體更換。

計量站負責油井產液量、產氣量的計量，主要由計量匯管、量油設施和收發球筒等工藝設施組成。站內檢測回路較多，還需要對氣量和液量進行單回路自動控制，但一體化RTU已無法滿足要求，并且為了保證系統的可靠性，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行冗余配置，以保證其中一個單元出現故障，自動切換到備用單元，保證系統的連續運行和工藝設施的安全。因此，模塊化的RTU將是一個很好的選擇，各個單元以卡件的形式獨立存在，并且支持熱插拔。當一個卡件出現故障的時候，移除故障卡件直接插入新的卡件即可。一般在設計中都有備用卡槽，當計量站擴容改造輸入輸出接口不夠用時，可購買新的卡件插入備用卡槽即可，可維護性和可擴展性比較好，但占用的空間也相對較大，一般采用標準機柜進行安裝，如果放置在戶外需要采用IP65級的機柜，防止灰塵和雨水進入機柜損壞元器件。

RTU采集的數據需要上傳到SCADA系統進行集中監控，可以根據通信依托條件選擇光纜傳輸方式，或者采用無線通信方式，如微波或者無線4G方式。

3 接轉站控制系統的設置

接轉站主要匯集單井井口來油和計量站來油，進行簡單地處理后通過轉油泵輸送到中心處理站，站內設施相對比較復雜。對于常規的過程控制設置一套PLC系統進行數據監控，由于站內存在油氣泄漏的風險，因而需要設置單獨的火氣系統（FGS）。為防止上游來液超出設計容量或者操作不當造成介質溢流或者壓力過高損壞工藝設備，需要設置安全儀表（SIS）系統。此3套系統為獨立的控制系統，其安全級別和操作要求也不盡相同。

PLC[2]系統為常規的工藝操作系統，可以進行正常地開閥關閥，啟泵停泵，修改報警值，修改控制回路設定值等參數，以滿足正常的工藝生產操作，減少現場操作頻次，降低操作人員勞動強度。

FGS[3]系統主要接收現場可燃氣體探測器、有毒氣體探測器和火焰探測器的檢測信號。當輸入信號達到報警值時，輸出報警信號到操作員工作站上提醒操作員。受制于探測原理的限制，探測器誤報率比較高，為避免裝置頻繁停車影響生產，通常FGS只做報警控制不做聯鎖關斷。待操作員現場確認后，進行相應的關斷操作。規范中并沒有對FGS系統的安全完整性等級（SIL）做出要求，但為了系統的可靠性，通常要求采用SIL 3等級的FGS系統。

SIS[4]系統作為工廠的安全保護系統，是在常規過程控制失控情況下導致裝置超壓、超溫或者超液位等工況下，自動采取關斷措施保護裝置和設備的安全。SIS系統自動檢測、自動切斷無需人工干預。因此，對系統的可靠性提出了很高的要求，通常需要做安全完整性（SIL）研究和保護層分析（LOPA），工業領域SIL最高等級為SIL3級。

站控制室需要設置操作站、工程師站和輔助操作臺。對于PLC系統可以設置1臺工程師站、1臺操作站，工程師站可兼做數據存儲服務器。FGS系統和SIS系統可共用1臺工程師站，操作站可根據系統規模分開設置也可以共用，輔助操作臺主要用于操作員進行全場性關斷或者關斷一部分工藝系統。FGS系統和SIS系統的數據可以通過RS485接口傳輸到PLC系統，PLC系統統一打包，通過光通信系統上傳到SCADA系統內。

4 中心處理站的設置

中心處理站作為全油田的中心，需要把井場、計量站、接轉站等來的原油進行脫水、脫氣、脫鹽、脫硫等工藝處理，達到可以外輸的要求。工藝流程比較復雜，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：儀表風系統、氮氣（N2）系統、消防系統、注水系統等。控制系統信號接入量大，除了常規的單回路控制之外，還會涉及串級控制、分程控制、前饋反饋等復雜控制。由于PLC系統對于輸入輸出信號的讀取為周期掃描形式，當系統規模變大之后，無法滿足控制回路的實時性要求，因而過程控制系統需要采用DCS[5]系統來實時監視和控制各個工藝流程。

FGS系統和SIS系統的要求及配置與接轉站類似，只是系統的規模會比較大一些。

近幾年隨著控制系統的發展，一些控制系統廠家推出了ICSS系統即集成控制與安全系統，使得DCS系統、FGS系統和SIS系統在同一個網絡內，數據的交互和傳輸更加便利，減少了不同系統之間的兼容性和數據傳輸問題。上位機軟件也可以整合到一個軟件框架內，不論是對前期的工程實施還是后期的運行維護都帶來了很大的便利性。

由于控制系統規模比較大，為了保障數據的安全性，通常設置一套獨立的數據存儲服務器來存儲DCS系統、FGS系統和SIS系統的數據，同時數據存儲服務器還將把數據上傳到SCADA系統。DCS工程師站需要1～2臺為前期的組態編程，后期運維中的擴容改造，控制參數整定，報警設定值修改等操作提供接口；DCS操作員站需要3～4臺用于顯示整個站內的工藝參數以及進行相應的流程操作，報警處理等。同樣地，對于FGS系統和SIS系統也需要設置單獨的工程師站和操作員站，數量可根據系統規模大小設置1～2臺。

5 油田SCADA系統的設置

SCADA[6]系統作為全油田的數據中心，需要采集、存儲和控制油田各個區塊的工藝設施和設備。由于數據來源于不同的控制系統，因而要求SCADA系統是一個開放的系統，需要兼容不同的工業標準協議如OPC，MODBUS，TCP/IP，NTP等，從而保證與其他系統數據通信的可靠和順暢。通常情況下，SCADA系統與其他控制系統進行交互采用OPC協議，為了避免系統負荷過重，需要單獨設置1臺OPC協議服務器，專門負責數據收發，為了增加系統的可靠性，OPC協議服務器冗余配置。

SCADA系統的數據服務器可分為實時數據服務器和歷史數據服務器，實時數據服務器存儲實時數據并且把實時監測的工藝參數發送到操作員操作站，使得工藝流程畫面可以實時顯示工藝生產參數和實時趨勢，同時實時數據服務器把數據傳送給歷史數據服務器進行存儲。當操作員工作站要調用歷史趨勢圖時，歷史服務器將請求的一定時間段內的數據送到操作站顯示。因此，所有的存儲數據都需要有時間標簽，便于調用和存取。為了保證數據的完整性和可靠性，實時數據服務器和歷史數據服務器應分開設置，并且都進行冗余配置。

SCADA系統的另一個大功能就是報表生成，可以根據用戶需求對報表格式進行定制，以實現周報、月報、季報、年報等數據報表，供生產決策使用。

SCADA系統還負責整個生產網絡IP地址分配和管理，時鐘同步，網頁發布等功能。其中，網頁發布功能可以把工藝流程畫面發布到辦公網絡里面，這樣即使不在中控室也可以實時查看工藝生產狀態，為生產管理人員提供便利性。為了不占用生產網絡資源，需要單獨配置一套WEB服務器，并且進入辦公網時需要配置單向網閘和防火墻，使得工藝生產數據只能查看而不能修改，保證生產網的安全。

SCADA系統除了服務器之外，也需要配置相應的工程師站和操作員站。通常工程師站配置2臺互為備用，操作員站根據油田規模和顯示畫面的數量可以配置3臺或者更多。服務器的硬盤數量可根據油田總的數據量以及未來擴容量，選擇獨立的磁盤陣列機柜或者在服務器機柜內預留一定數量的擴展盤位。

SCADA中心可以單獨設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目有3個中心處理站及下轄的油田群，則可以單獨建設一個SCADA中心站作為油田最高的生產管理層。通常情況下，SCADA中心與中心處理站站控制系統合建即可，共享機柜間和控制室。

6 結束語

本文提供了整裝油田項目控制系統架構的一種思路，對于不同的油田項目，根據油田管理的需求數據流向和系統機構可以靈活變化，比如RTU的數據可以不直接流向SCADA系統，而是隨著工藝介質流向進入相應的接轉站或者計量站，接轉站或計量站把本站數據和井口RTU數據進行打包統一上傳到SCAD系統，數據傳輸介質可以以光纜為主，衛星通信為輔，未來也可以以5G通信為輔，達到油田數據傳輸的高可靠性。