基于SCADA系统的海上平台新型工控系统建设方法

吴可嘉，柳敏，周陆平，石振赟，曹亮

(1.中国石油大港油田公司对外合作项目部，天津 300280；2.中国石油天然气股份有限公司大港赵东作业分公司，天津 300457)

0 引言

海上平台建设之初，信息是在不同信息孤岛中采集、存储及展示的，信息集群是工业4.0的基本要求，也是海上平台进行信息整合，挖掘信息价值的必要手段。随着电气自动化技术的普及，海上平台的发展已经完成了从气路控制到电气控制的转变。但新的挑战随之出现，由于各撬块的控制大多由撬块厂家提供，导致海上平台具有很多独立的控制系统，而各控制撬块的运行数据、操作界面、报警信息等均分布于现场，一旦出现异常，需要操作人员前往现场进行异常处理，这大大增加了响应时效、人工作业成本与工作难度。同时，各系统单独进行数据的存储及处理，不便于管理人员从全系统的角度对平台的工艺、安全等进行综合研判。

随着工业信息化的发展，建设智能化的生产平台离不开对底层工业数据的采集和存储，而零星分布的工业控制系统，就像一个个的“数据孤岛”，加大了数据统一采集的难度，不利于工业信息化的发展，而引入数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition, SCADA)正好解决了这方面的困扰，通过SCADA系统集成现场各控制系统的实时数据，可以实现对现场的远程控制操作、数据统一存储以及数据分析，为实现智能化平台提供了坚实基础。

1 新型控制系统建设的必要性

随着海上平台自动控制系统规模不断发展，需求不断增加，传统应用的分布式控制系统(distributed control system, DCS)在某些方面制约了自动化向更深层次发展，主要存在以下问题：

1.1 数据监控范围有局限

DCS系统主要集中于对单个平台的生产控制系统、火气监控系统以及应急关断系统的集成，对平台上其他独立成撬的控制系统的监控也仅限于部分报警和状态变量点，数据监控的范围受到各系统通讯协议以及DCS通讯模块的局限。

1.2 数据分析能力有局限

DCS系统主要专注于对数据的采集和控制，而对于大量的数据处理和综合分析方面的功能较弱，数据的处理工作主要在控制器中完成，数据二次加工的能力不强。

1.3 系统性能有局限

DCS系统主要依托于有限的数据服务器，在数据采集能力上受到单系统硬件以及软件性能的限制，不能很好地胜任对多平台超大范围的数据采集以及存贮工作。

因此，亟需建设一款新型控制系统解决以上局限性问题。

2 海上平台新型工控系统

2.1 系统架构

新型工控系统采用了“HMI+PLC”的SCADA系统构架模式，由中控系统、各独立撬块控制系统、HMI监视控制系统三大部分组成。其中，中控系统由过程控制系统、紧急关断系统和火气监测系统三种子系统构成，通过光纤和以太网通讯，搭配7台服务器实现260余套可编程控制器(programmable logic controller, PLC)设备、贯穿井筒-地面-集输-电力-安全各个系统的数据采集与监视控制。通过创建“井筒-地面-集输-电力-安全”一体化管理模式，构建“二级控制三级管理”的管理架构，实现了生产动态实时监控、生产运行优化分析。创建全生命周期设备完整性管理系 统 (enterprise asset management, EAM)，“ 选型-计划-采购-安装-运行-维护-报废”全业务链信息共享、流程规范、业务协同、监督有效的信息管理平台，各专业、各层级一以贯之、持之以恒推进协同运营创建综合安防管理系统(ISEC)，提高安全管控、生产保障和应急处置能力，降低安防人力需求，提升安防效率。详细系统架构图如图1所示。该模式较传统的DCS系统具有更强大的集成性、拓展性、开放性，以赵东平台已应用的新型工控系统为例介绍该系统特性如下：

图1 海上平台新型工控系统架构图

(1)集成性：实现260套不同的PLC设备之间的稳定通信，可以控制从单台设备到各系统。

(2)拓展性：组态点位受限制较小，满足未来系统改造升级需求，目前赵东平台组态的输入输出(IO)点位达105 000 个。

(3)开放性：系统集成了多种通讯协议接口，能满足市面上绝大数厂家(软件)信息的交互要求。

2.2 生产控制新技术

海上平台新型工控系统研发过程中还形成了两项辅助决策的生产自动化控制新技术，叙述如下。

2.2.1 电网智能脱扣控制系统

利用SCADA系统的监测控制技术与运算功能，设计开发电网智能脱扣控制系统。该系统根据用电负荷的重要程度进行分级管理，实现在单台发电机或多台发电机异常停机的情况下，按负荷卸载优先级顺序自动卸载优先级较高的电气负荷，确保其余正常运行的发电机组继续运转，为平台稳定安全生产提供保障，系统示意图如图2所示。当发生非常停机时，电网智能脱扣系统执行脱扣命名，计算脱扣负荷大小，卸载所需的负荷量；当正常手动停机时，系统不执行脱扣命令，其他机组正常运行。

图2 电网智能脱扣控制系统示意图

2.2.2 地层破裂压力监测预警系统

该系统基于注水破裂压力数据模型，搭配SCADA实时采集注水压力和流量，在异常情况下触发SDS(紧急关停系统)联锁关断注水系统，有效防范海上油田地质性溢油风险。该系统主要包括破裂模型、数据监测、分析报警、联锁关断四大模块。破裂模型的建立主要根据注水压力-流量变化趋势，当压力上升时，流量上升或下降，均为正常现象；当压力下降时，流量也随之下降，也属正常现象；当压力下降而流量上升时，则判定为低层破裂可能发生。系统以30 s作为一个计算周期，当检测到压力下降超过20 psi/min((即一个计算周期内下降10 psi))，同时检测到该计算周期内流量增加5 %，则系统将自动报警指示地层破裂可能发生，如果生产人员在5 min内没有采取行动，则系统自动关断注水系统。

2.3 油藏数据结构化处理实现方法

近些年油田智能信息化的迅速发展导致油田群平台所产生的油藏数据呈现出了指数式增长趋势，因此，石油企业的生产运营管理面临着油藏数据的数目巨大、类型丰富多样以及结构复杂等一系列挑战，而传统关系型数据库应用的存储技术已经难以解决这一困局。SCADA系统明显区别于DCS系统的另一方面在于海上平台数据的统一采集储存。运用油井电泵监测技术搭配SCADA系统强大的数据采集功能，实现单井采集数据点位46 个、采集速率≤200 ms/次，同步搭建数据库，实现油藏数据自动收集存储的结构化处理。

数据湖是一种能统一存储海量源数据于系统或库中的手段，其优势在于可以用各种结构模式来配置数据。其主要目标是将最初的自然数据转化为用于实现画面展示、技术分析、基础运算和人工智能等任务的各类目标数据。数据湖中的数据类型包含了结构化、非结构化、半结构化三大类，因而能集中储存涵盖所有形态的数据。其中，油藏的结构化数据包括：设备管理、随钻测井、地质建模、生产监测等数据；油藏的非结构化数据，主要是指一些无定义的数据模型或者数据结构杂乱无序、残缺不全，如：E-mail、Word、Excel、PDF、图像、声像、影像等；半结构化数据介于结构化与非结构化之间，如：CSV、XML、JSON等。油藏数据湖可用于平台电泵诊断、产量预测、协同调用、油藏分析、设计决策等，完美解决了原DCS系统数据采集应用的局限性。目前该数据湖已保存十二年油水井生产数据，为未来数字油藏奠定基础。

使用数据湖的优势在于：(1)不同形态的数据有了一致的储存位置，实现数据集成，方便使用；(2)采用了开放式混合架构对数据进行分类汇聚和存储，扩展性强；(3)以初始数据存储，保证了数据的原始性、自然性、保真性；(4)不需要提前定义数据模型，不必进行统一建模。

3 系统建设的创新点

信息整合是海上平台进行新型工控系统建设的重点工作之一，面对海上平台复杂的控制系统分布，建设高度集中的自动化系统，并提供一体化的信息服务，是新型的工控系统建设的主要内容，系统建设具有以下创新点：

(1)搭建开放式SCADA系统，提高了多系统的集成能力。采用SCADA系统架构，将多个平台的系统集成在一起，方便操作，一个平台可以控制管理多个平台的所有设备，降低用户维护成本，提高响应时间。多协议数据集成平台，实现了系统数据的整合能力。系统采集的数据涉及到平台各个方面，并对有效数据进行存储和结构化处理，为工业信息化奠定良好数据基础。分布式资源支撑数据的集中处理，加强了系统的数据处理能力。通过收集不同系统的数据，依托服务器的计算能力和分布式计算优势，全局性的计算分析影响，从而提供相应决策，并可自行相应控制。计算机系统集群设计，提高了系统的鲁棒性。SCADA系统架构采用集群的架构设计，可利用计算机群实现数据采集和处理，大大提高了系统性能，并增加了系统的稳定性。

(2)通过多维联动，快速定位设施、设备及数据，集成调用不同业务模块数据综合展示，支持生产管理决策，提升各专业生产协同作业能力、监控指挥能力和应急联动能力，从而提高生产效率、实时决策水平和应急管理水平。

(3)通过实现油藏数据的结构化存储，实现了石油企业分散油田的油藏数据的集中管理，同时，可以根据权限级别的设定，业务人员可直接访问和获取所需的数据。实现了企业对油藏数据关键指标的提取与有效分析，同时标注出油藏数据的关键指标以及数据的特点，并对其进行有效分析和合理分类预测，这大大激发了海量油藏数据的潜在应用。统一了数据存储方式，使得当各个部门需要数据汇总决策分析时，避免出现数据定义和统计单位等不一致性问题，大大提高了油田企业的管理效率与工作效率。

4 结语

依托于工业4.0体系，构建信息集群，实现海上平台工控系统向着集中化、规模化方向发展，并伴随着工业信息化的大力推行，传统的DCS系统已无法满足智能化平台发展的需求。基于SCADA系统的海上平台新型工业控制系统整合各方控制资源，提供了强大的数据处理能力和数据分析能力，帮助运行人员减轻繁重的监视工作，降低运维成本，智能化的提供科学高效的决策信息。随着工业信息化的不断发展，SCADA系统也将不断地发展、丰富和创新。以赵东作业平台为例，该系统持续稳定运行六年，将平台非人为关停次数控制在1 次/年以内，有效避免平台失电12次，极大提高了平台的生产效率，具有较好的推广应用价值。