SCADA系统功能及其在油气生产系统的应用

SCADA系统功能及其在油气生产系统的应用

廖立新

大港油田公司审计处天津市 300280

摘要：SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统，随着物联网技术的广泛应用，应用自动化控制技术、网络通信技术实现油气生产站场的无人值守，控制中心集中管理控制已成为可能。本文对SCADA系统构成及功能做了简要叙述，对其在油气生产中控制中心集中管理控制，生产场站无人值守的可能性提出了解决方案。

关键字：SCADA系统，无人值守

1、SCADA系统概述

SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；所具有的基本功能有以下特色：图形操作界面，系统动态模拟，即时和历史资料趋势曲线显示、警报处理系统、数据资料获取与记录，输出报表。涉及到组态软件、数据传输链路（如：数传电台、GPRS等）。

远程终端单元(RemoteTerminalUnit，RTU)，一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元，它将末端检测仪表和执行机构与远程调控中心的主计算机连接起来，具有远程数据采集、控制和通信功能，能接收主计算机的操作指令，控制末端的执行机构动作。

RTU可以用各种不同的硬件和软件来实现，取决于被控现场的性质、现场环境条件、系统的复杂性、对数据通信的要求、实时报警报告、模拟信号测量精度、状态监控、设备的调节控制和开关控制。由于各制造商采用的数据传输协议、信息结构和检错技术不同，各制造厂家一般都生产SCADA系统中配套的专用RTU。

RTU具有一些独特的特点：

(1)通信距离长，同时提供多种通信端口，以适应分散应用和本地的不同通信要求。

(2)CPU计算能力强，提供大容量程序和数据存储空间，适合就地运算和大量数据安全存储。

(3)适应恶劣的温度和湿度环境，工作环境温度为-40~+85℃。

(4)模块结构化设计，便于扩展。

正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。

RTU软件构成

RTU软件分为三种：操作系统、监控软件、功能应用软件：

操作系统

一般RTU采用实时多任务操作系统(RTOS)。RTOS留给用户一个标准API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时间。在RTOS基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数。高效率地进行多任务支持是RTOS设计从始至终的一条主线，采用RTOS管理系统可以统一协调各个任务，优化CPU时间和系统资源的分配。

监控软件

监控软件包括：设备驱动、数据采集与控制、数据库管理、通信、故障诊断和人机接口等程序模块—主要完成以下功能：

(1)连接到SCADA调控中心的通信系统的通信接口驱动。

(2)连接现场I/O设备的设备驱动。

(3)扫描、处理（滤波与定标计算等）、存储现场数据。

(4)信号传输：与SCADA系统调控中心或与其他RTU交换信息。

(5)对从通信网络传过来的SCADA调控巾心命令的响应。

(6)现场调节系统控制，PID回路控制是最基本的方式，一些复杂调节系统也是以PID回路控制为基础的。

(7)逻辑顺序控制，如清管器的收发控制，机泵组的启停控制、鹤管装车控制、油罐倒换流程切换等属于此类。

(8)设备自诊断，程序自恢复，故障诊断到插件级。

(9)人机接口：包括键盘、按钮、显示屏等。

(10)报警与自动保护处理。

(11)一些RTU有文件系统支持文件下载，所支持的下载文件包括用户程序和设定文件。

2、应用系统体系结构及系统构成

2.1体系结构

通常SCADA系统分为两个层面，即客户/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信，进行数据处理和运算。而客户用于人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关、阀门进行操作。还有一种“超远程客户”，它可以通过Web发布在Internet上进行监控。硬件设备（如PLC）一般既可以通过点到点方式连接，也可以以总线方式连接到服务器上。

SCADA由很多任务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个机器上的服务器负责数据采集，数据处理。SCADA系统中的通信分为内部通信、与I/O设备通信、和外界通信。

2.2系统构成

SCADA系统主要有以下部分组成：监控计算机、远程终端单元（RTU）、可编程逻辑控制器（PLC）、通信基础设施、人机界面（HumanMachineInterface,HMI）。

2.2.1监控计算机是SCADA系统的核心，收集过程数据并向现场连接的设备发送控制命令。它是指负责与现场连接控制器通信的计算机和软件，这些现场连接控制器是RTU和PLC，包括运行在控制中心的HMI软件。在较小的SCADA系统中，监控计算机可能由一台PC组成，在这种情况下，HMI是这台计算机的一部分。在大型SCADA系统中，主站可能包含多台托管在客户端计算机上的HMI，多台服务器用于数据采集，分布式软件应用程序以及灾难恢复站点。

2.2.2远程终端单元(RTU），连接到过程中的传感器和执行器，并与监控计算机系统联网。RTU是“智能I/O”，并且通常具有嵌入式控制功能，例如梯形逻辑，以实现布尔逻辑操作。

2.2.3可编程逻辑控制器(PLC)，它们连接到过程中的传感器和执行器，并以与RTU相同的方式联网到监控系统。与RTU相比，PLC具有更复杂的嵌入式控制功能，并且采用一种或多种IEC61131-3编程语言进行编程。PLC经常被用来代替RTU作为现场设备，因为它们更经济、功能多、灵活和可配置。

2.2.4通信基础设施

这将监控计算机系统连接到远程终端单元（RTU）和PLC，并且可以使用行业标准或制造商专有协议。RTU和PLC都使用监控系统提供的最后一个命令，在过程的近实时控制下自主运行。

3、应用示例

油田/天然气田大多位于沼泽、沙漠和盆地、浅海等区域，因远离城市地广人稀，交通通信等设施较为落后。且油气井分布范围面积大，分布比较零散，以往采用人工巡井并记录设备及采油数据的方式，严重影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。将SCADA系统应用到油气生产系统中，以无人值守+远程控制中心方式控制，实现新的油气采集方式成为可能且很有必要。

无人值守场站系统主要包括现场参数采集与控制系统、数据传输系统和远程监控系统组成。

数据采集与监控

数据采集主要包括生产系统的数据采集与监控，视频监控、场站四周边界报警等内容。

在数据采集的基础上，通过设定相应的运行控制参数，可实现自动控制功能，如：

当来油压力高于设定压力，可自动关停混输泵，打开倒流程阀，原油经旁路阀直接进入系统。

当外输泵房内的可燃气体高于设定浓度时，自动打开风机，将可燃气体抽出，降低其浓度，当其浓度低于设定值时可自动停止风机。

注水泵出口压力：当压力超限时停泵。自动打开泄压阀。

曲轴箱温度：当曲轴箱温度超限时停泵。

污油池的液位高于设定值后自动启动污油泵，当液位低于设定值后，自动停止液下泵。

视频监控系统需根据站内环境和监控需求配置视频采集设备，按照要求需存储。

场站四周边界报警系统根据站场围墙设计，安装红外对射设备，能够与视频监控系统实现报警联动。

数据传输系统

为了保证生产控制信息的传送安全，一般控制系统都建立专用的通信网络，保证控制信息的安全传输。

远程监控系统

远程监控系统部署在控制中心，实现油气生产无人值守站场的远程监控。主要包括四大部分：

生产数据监测：实现站内集输系统、注水系统、加热炉系统、污油池系统等生产数据的自动采集监测。

生产过程控制：实现远程设备的启停、自动连锁保护及设备运行参数远程调控等功能。

生产环节监测：包括气体报警系统、视频及周界报警系统等。

物联设备监控：主要对采集设备运行状态、网络联通情况进行监控。

4.结束语

随着物联网技术的发展，无人值守生产场站建设已是油气地面系统简化优化的重要内容，是优化劳动组织、降低管理成本、提高生产效率的重要手段。

参考资料

1.项晓春,刘广魁.SCADA系统及其应用[J].自动化技术与应用,2000,19(6):19-22.

2.文本颖,谈顺涛,袁荣湘.SCADA系统中主动实时数据库技术的研究与应用[J].电力系统自动化,2004,28(6):85-87.