整装油田控制系统规划及研究

赵才先，张靖瑜

（1.中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100086；2.兰州石化职业技术学院 电子电气工程学院，兰州 730060）

0 引言

一般油田生产面积大、油井分布广、站场多而分散，需要大量的人力物力对油田设施设备进行巡查和检修；同时随着环保要求越来越严格，油田处理设施也变得越来越复杂，这就要求油田需进一步提高油田的自动化和信息化建设，以应对生产成本的上升和快速变化的市场需求。尽管部分油田已经进行了自动化和信息化的升级改造，但多以独立的形势存在，整个油田的控制系统没有形成完整的体系，对于油田的生产决策仍然存在信息不准确和滞后性。本文将以某油田项目建设为背景，详细论述整装油田从井口、计量站、接转站到中心处理站等各个站场控制系统的设置原则，为油田的统筹规划提供解决方案。

1 油田控制系统简介

通常根据数据处理规模和系统功能需求，油田控制系统有如下几种：数据采集与监控系统（SCADA系统），集散控制系统（DCS系统），可编程逻辑控制系统（PLC系统），安全仪表系统（SIS系统），火气系统（FGS系统）和远程终端单元（RTU）。

SCADA系统是一个开放的系统，支持很多国际上通用的协议，比如：OPC协议，TCP/IP协议，Modbus RTU协议，NTP协议等。此系统主要负责数据采集，控制与存储，形成生产报表。

图1 整装油田控制系统架构图Fig.1 Structure diagram of integrated oilfield control system

DCS系统一般应用于大型站场工艺设施的监视和控制，此系统可以接收成千上万块现场仪表的输入输出信号。数据处理能力强大，可以实现复杂的连续控制，并且支持很多先进控制算法，比如预测控制算法、神经网络算法、优化算法等，可以实现复杂工艺的卡边控制，使原油处理指标达到更高的要求。

PLC系统最开始应用于批量处理工艺流程，只能接收数字量信号，对于复杂的逻辑判断与处理有较大的优势。随着技术的进步PLC系统也可以很好地处理模拟量，因此逐渐地在石油化工的连续流程工艺中得到广泛应用。但信号处理规模仍然有一定的限制，对于工艺设施简单的中小型规模站场比较适用，可以进行数据采集，报警联锁和复杂回路控制。

SIS系统作为工厂的安全保护系统，主要作用是在工艺流程失控之后保护工艺装置和设备，防止有毒有害介质释放到外界造成人员伤害和环境污染。当被检测的工艺参数达到系统中设定的报警值时，系统将自动触发联锁关断使得部分装置停车或者全场停车，防止工况进一步恶化。

在油气生产过程中免不了会有气体泄漏或者火灾发生，为了保护人员和设备安全，需要在现场设置气体探测器和火焰探测器，这些探测器的信号将进入独立的FGS系统，实现报警并联锁触发现场声光报警器，提醒现场操作人员，远离危险源。

整个油田的系统架构如图1所示，SCADA系统作为油田控制系统的最顶层系统，负责全油田的数据采集与控制。各个站场根据工艺流程的复杂程度和功能需求设置相应的站控制系统，实现本地站场工艺设备的控制和数据上传。SCADA系统可以对控制权限进行管理，正常情况下由SCADA系统进行远程控制，当SCADA系统收到站控制系统控制权限请求时，可以把控制权限下放到站控制系统一级；或者当通信网络中断时，站控制系统自动接管控制权限，保证控制的连续性和安全性。

2 井口及计量站远程终端单元的设置[1]

油田井口工艺设施比较简单，根据采油方式不同会有抽油机井、电潜泵井和自喷井。一般需要监测井口的温度、压力、示功图模块数据、井口控制盘数据、电潜泵数据等，井的类型不同，采集的数据量也会有一定的差别，但总体在几十个数据点范围内，因此设置一套小规模的远程终端单元（RTU）负责井口数据的采集和上传即可。

RTU有一体化和模块化两种类型，一体化的RTU结构比较紧凑，处理器（CPU）单元、电源单元、通信单元、输入输出单元等都集成在一起，体积小、耗电量少，不需要专门的机柜室进行放置。在无外电的情况下也可以借助太阳能供电，并且RTU的宽温性能使其更适应恶劣的环境，对于偏远地区的单井井口是一种很好的选择。但一体化的RTU输入输出接口数量有限，无法进行较大量的扩容改造，并且其中一个单元故障就需要整体更换。

计量站负责油井产液量、产气量的计量，主要由计量汇管、量油设施和收发球筒等工艺设施组成。站内检测回路较多，还需要对气量和液量进行单回路自动控制，但一体化RTU已无法满足要求，并且为了保证系统的可靠性，通常情况下要求RTU的CPU单元、电源单元、通信单元和控制回路单元进行冗余配置，以保证其中一个单元出现故障，自动切换到备用单元，保证系统的连续运行和工艺设施的安全。因此，模块化的RTU将是一个很好的选择，各个单元以卡件的形式独立存在，并且支持热插拔。当一个卡件出现故障的时候，移除故障卡件直接插入新的卡件即可。一般在设计中都有备用卡槽，当计量站扩容改造输入输出接口不够用时，可购买新的卡件插入备用卡槽即可，可维护性和可扩展性比较好，但占用的空间也相对较大，一般采用标准机柜进行安装，如果放置在户外需要采用IP65级的机柜，防止灰尘和雨水进入机柜损坏元器件。

RTU采集的数据需要上传到SCADA系统进行集中监控，可以根据通信依托条件选择光缆传输方式，或者采用无线通信方式，如微波或者无线4G方式。

3 接转站控制系统的设置

接转站主要汇集单井井口来油和计量站来油，进行简单地处理后通过转油泵输送到中心处理站，站内设施相对比较复杂。对于常规的过程控制设置一套PLC系统进行数据监控，由于站内存在油气泄漏的风险，因而需要设置单独的火气系统（FGS）。为防止上游来液超出设计容量或者操作不当造成介质溢流或者压力过高损坏工艺设备，需要设置安全仪表（SIS）系统。此3套系统为独立的控制系统，其安全级别和操作要求也不尽相同。

PLC[2]系统为常规的工艺操作系统，可以进行正常地开阀关阀，启泵停泵，修改报警值，修改控制回路设定值等参数，以满足正常的工艺生产操作，减少现场操作频次，降低操作人员劳动强度。

FGS[3]系统主要接收现场可燃气体探测器、有毒气体探测器和火焰探测器的检测信号。当输入信号达到报警值时，输出报警信号到操作员工作站上提醒操作员。受制于探测原理的限制，探测器误报率比较高，为避免装置频繁停车影响生产，通常FGS只做报警控制不做联锁关断。待操作员现场确认后，进行相应的关断操作。规范中并没有对FGS系统的安全完整性等级（SIL）做出要求，但为了系统的可靠性，通常要求采用SIL 3等级的FGS系统。

SIS[4]系统作为工厂的安全保护系统，是在常规过程控制失控情况下导致装置超压、超温或者超液位等工况下，自动采取关断措施保护装置和设备的安全。SIS系统自动检测、自动切断无需人工干预。因此，对系统的可靠性提出了很高的要求，通常需要做安全完整性（SIL）研究和保护层分析（LOPA），工业领域SIL最高等级为SIL3级。

站控制室需要设置操作站、工程师站和辅助操作台。对于PLC系统可以设置1台工程师站、1台操作站，工程师站可兼做数据存储服务器。FGS系统和SIS系统可共用1台工程师站，操作站可根据系统规模分开设置也可以共用，辅助操作台主要用于操作员进行全场性关断或者关断一部分工艺系统。FGS系统和SIS系统的数据可以通过RS485接口传输到PLC系统，PLC系统统一打包，通过光通信系统上传到SCADA系统内。

4 中心处理站的设置

中心处理站作为全油田的中心，需要把井场、计量站、接转站等来的原油进行脱水、脱气、脱盐、脱硫等工艺处理，达到可以外输的要求。工艺流程比较复杂，除了原油处理工艺之外，还有气处理工艺、水处理工艺；配套的公用工程如：仪表风系统、氮气（N2）系统、消防系统、注水系统等。控制系统信号接入量大，除了常规的单回路控制之外，还会涉及串级控制、分程控制、前馈反馈等复杂控制。由于PLC系统对于输入输出信号的读取为周期扫描形式，当系统规模变大之后，无法满足控制回路的实时性要求，因而过程控制系统需要采用DCS[5]系统来实时监视和控制各个工艺流程。

FGS系统和SIS系统的要求及配置与接转站类似，只是系统的规模会比较大一些。

近几年随着控制系统的发展，一些控制系统厂家推出了ICSS系统即集成控制与安全系统，使得DCS系统、FGS系统和SIS系统在同一个网络内，数据的交互和传输更加便利，减少了不同系统之间的兼容性和数据传输问题。上位机软件也可以整合到一个软件框架内，不论是对前期的工程实施还是后期的运行维护都带来了很大的便利性。

由于控制系统规模比较大，为了保障数据的安全性，通常设置一套独立的数据存储服务器来存储DCS系统、FGS系统和SIS系统的数据，同时数据存储服务器还将把数据上传到SCADA系统。DCS工程师站需要1～2台为前期的组态编程，后期运维中的扩容改造，控制参数整定，报警设定值修改等操作提供接口；DCS操作员站需要3～4台用于显示整个站内的工艺参数以及进行相应的流程操作，报警处理等。同样地，对于FGS系统和SIS系统也需要设置单独的工程师站和操作员站，数量可根据系统规模大小设置1～2台。

5 油田SCADA系统的设置

SCADA[6]系统作为全油田的数据中心，需要采集、存储和控制油田各个区块的工艺设施和设备。由于数据来源于不同的控制系统，因而要求SCADA系统是一个开放的系统，需要兼容不同的工业标准协议如OPC，MODBUS，TCP/IP，NTP等，从而保证与其他系统数据通信的可靠和顺畅。通常情况下，SCADA系统与其他控制系统进行交互采用OPC协议，为了避免系统负荷过重，需要单独设置1台OPC协议服务器，专门负责数据收发，为了增加系统的可靠性，OPC协议服务器冗余配置。

SCADA系统的数据服务器可分为实时数据服务器和历史数据服务器，实时数据服务器存储实时数据并且把实时监测的工艺参数发送到操作员操作站，使得工艺流程画面可以实时显示工艺生产参数和实时趋势，同时实时数据服务器把数据传送给历史数据服务器进行存储。当操作员工作站要调用历史趋势图时，历史服务器将请求的一定时间段内的数据送到操作站显示。因此，所有的存储数据都需要有时间标签，便于调用和存取。为了保证数据的完整性和可靠性，实时数据服务器和历史数据服务器应分开设置，并且都进行冗余配置。

SCADA系统的另一个大功能就是报表生成，可以根据用户需求对报表格式进行定制，以实现周报、月报、季报、年报等数据报表，供生产决策使用。

SCADA系统还负责整个生产网络IP地址分配和管理，时钟同步，网页发布等功能。其中，网页发布功能可以把工艺流程画面发布到办公网络里面，这样即使不在中控室也可以实时查看工艺生产状态，为生产管理人员提供便利性。为了不占用生产网络资源，需要单独配置一套WEB服务器，并且进入办公网时需要配置单向网闸和防火墙，使得工艺生产数据只能查看而不能修改，保证生产网的安全。

SCADA系统除了服务器之外，也需要配置相应的工程师站和操作员站。通常工程师站配置2台互为备用，操作员站根据油田规模和显示画面的数量可以配置3台或者更多。服务器的硬盘数量可根据油田总的数据量以及未来扩容量，选择独立的磁盘阵列机柜或者在服务器机柜内预留一定数量的扩展盘位。

SCADA中心可以单独设置也可以与中心处理站合建，如果SCADA中心管理的范围比较广如某油田项目有3个中心处理站及下辖的油田群，则可以单独建设一个SCADA中心站作为油田最高的生产管理层。通常情况下，SCADA中心与中心处理站站控制系统合建即可，共享机柜间和控制室。

6 结束语

本文提供了整装油田项目控制系统架构的一种思路，对于不同的油田项目，根据油田管理的需求数据流向和系统机构可以灵活变化，比如RTU的数据可以不直接流向SCADA系统，而是随着工艺介质流向进入相应的接转站或者计量站，接转站或计量站把本站数据和井口RTU数据进行打包统一上传到SCAD系统，数据传输介质可以以光缆为主，卫星通信为辅，未来也可以以5G通信为辅，达到油田数据传输的高可靠性。