应用软件定义控制理念打造智慧油田生产边缘控制系统探究

蔡权

（胜利油田信息化管理中心，山东 东营 257091）

1 油田生产控制系统的现状

近年来，随着油田生产规模的不断扩大，为解决油气生产中存在开发成本持续攀升、国际油价长期低迷、劳动用工日趋紧张等问题，适应智能制造、工业4.0的发展趋势，很多油田都逐步开展了自动化控制系统的建设。基于自动化的方案，油田生产系统实现集中监控，保障油田安全有序生产。但是，从目前油田生产控制系统的应用现状来看，这种集中监控的模式依然存在诸多问题。

以陆地平台井组为例，各个油井、计量间、配水间、注水站等分别采用独立的PLC控制系统或是RTU系统。由于各个子系统采用不同厂家的PLC或RTU，并且系统之间缺乏关联，各个控制系统单独部署人机监控平台，无法整合统一。该架构带来很多弊端，首先，生产现场，控制系统中不同厂家的PLC或RTU之间是独立的，没有信息交互，无法实现协同生产和智能化控制。其次，本地综合人机交互系统（SCADA）缺失。虽然配水间和注水站单独部署本地人机监控系统，但是油井、计量间、集气站等系统无本地SCADA系统，数据直接上传到信息中心展示。本地无综合人机交互系统，给系统本地安全巡检、故障维护、本地操作等带来不便。最后，现场PLC或RTU控制节点众多，容易出现数据丢失现象，需要逐层排查故障点，维护困难，现场人员劳动强度较大。

2 工业控制发展趋势

工业控制系统的发展经过3次历程：机械控制，电子控制，计算机控制。

随着工业互联网的快速发展，使生产数据可以进行规模化集中存储到大数据中心，并利用云计算平台的计算能力对这些大数据进行分析、挖掘和优化，从而提高生产效率。数字化的工业3.0使现场设备、机器和工厂已经变得更“智能”。

但是，我们会发现，无论是工业互联网还是工厂数字化的3.0，均未对工业控制系统的“大脑”PLC/DCS做出任何更进一步的技术变革。这种两头重中间轻的现象，就好比是高速路上的收费站，光高速路扩宽远远不能够实现更大的汽车吞吐，矗立在高速路上的各个收费站才是这条路上的瓶颈点，因此针对收费站现在都需要设置更多收费窗口，实现电子收费等举措改革而适应高速、快速增长的车流。适用于工业控制系统领域也是一样，控制的核心PLC设备不能够灵活扩展，这一限制无疑将会大大减弱工业控制系统灵活性和可扩展性。

随着工业智能化需求的日益增长，以传统PLC/DCS为代表的第三代控制系统已经不能满足工业智能化的需求，目前业界针对工业互联网、工业4.0等的技术体系探索，重点将围绕PLC/DCS展开,从而实现第四代的控制技术。

第四代的控制技术是软件定义和虚拟化技术的结合，满足工业互联网及智能工业的控制需求。软件定义PLC/DCS通过允许用户更换或添加组件而不影响系统的其他部分，实现轻松的可扩展性和系统模块化。软件定义PLC设计为开放平台，允许用户选择首选组件和解决方案，这意味着用户可以灵活地按需选择不同的供应商。

3 软件定义的新型边缘控制系统

3.1 系统架构

图1 边缘控制系统示意图

图2 软件系统架构图

应用工业互联网、软件定义控制理念，充分利用计算机平台强大的计算能力以及操作系统的能力，在每个油田现场部署一套服务器。服务器内部通过高实时虚拟化的Intewell操作系统，通过软件定义控制的方式，取代传统、分散的多个PLC控制器，现场传感器、设备的信号采用远程分布式IO方式连接。将原来分散的多个PLC控制系统数据、RTU数据采集到1个统一的人机监控平台数据库，实现本地综合监控。由本地综合监控平台数据库提供统一的对外数据访问接口，与远程调度中心、监控中心连接，实现边云协同。

3.2 油田现场生产控制

传统方式的工业控制系统每口油井配置1台油井RTU，油田现场各油井RTU通过网络上联远端监控中心，由远端监控中心做运行监视、数据分析和调度。由于网络时延，这种集中调度往往不能对现场突发做到及时响应。

智慧油田边缘控制系统利用油田现场的1套服务器，通过软件定义多个虚拟PLC系统作为主站，将各个油井通过远程IO从站的方式组网。远程IO模块部署到油井侧，采集的主要数据有电机电流、电压、耗电量、载荷、井口温度和回压等信息，连接的控制对象有电磁阀、电动阀等。远程IO模块通过以太网将数据传递到现场监控室的服务器，由服务器内部的虚拟PLC执行各个油井的控制计算功能。同时，服务器内用虚拟化软件定义的方式再配置1个协同的PLC系统，协调控制所有油井的虚拟PLC系统。

为了防止单一服务器故障，实现系统可用性，服务器采用热备冗余配置，2台冗余服务器的虚拟PLC之间、数据库之间采用定期数据同步、冗余诊断等手段，确保故障时勿扰切换，保证运行安全。

3.3 边云同步监控

油田现场布置的服务器提供了统一的数据库，该数据库采集所有现场的虚拟PLC上送数据，一方面与现场的各个操作员站同步，实现现场监控；另一方面数据库支持OPC UA、MQTT等通信协议，在工程设计阶段，进行人机监控平台数据库组态时，按照云端监控的需要，选择数据库点配置其OPC UA或MQTT属性，直接与云端的监控中心、调度中心实现数据交互。

按照油气生产SCADA系统的要求，现场侧的操作员站其重点是需要保证操作的响应时间、操作员站画面刷新速度、画面容量等要求，并且操作员站是面向操作员，从人因工程角度考虑，对现场的传感器、仪表、阀门等元素采用2D或2.5D组件进行组态，简化操作员的操作，操作员站应设计为C/S架构。而云端监控中心、调度中心是面向油田的管理层人员，管理层人员更关注油田的全景可视化，所以应采用3D组件设计，设计为B/S架构。

3.4 边缘计算

图3 边缘控制系统流程图

利用服务器强大的计算性能，将针对油田现场的一些行业应用从云端下层部署到边缘侧的服务器。在服务器的虚拟桌面系统上，运行设备预测性维护、能耗管理、边缘数据清洗等应用，这些应用统一从数据库获取数据，然后计算，并将计算结果反向写入数据库，再通过数据库将相应信息上送云端监控中心、下发虚拟PLC或发送操作员站展示。

4 软件定义控制应用优势

4.1 智能化水平提升

油田生产过程中，现场侧的监控系统与云端调度中心、监控中心边云统一的部署方式优势明显，通过应用软件定义控制，能够进一步提升整个油田生产过程的智能化水平。在常规运行时，可以做到无人化值守，由云端远程监控。现场维护时，由现场的操作员通过监控系统来发挥作用。在运行异常时，由于油田的运行数据都在现场数据库储存，操作员可以调出监控系统的历史运行数据进行分析，及时处理故障。另外，由于现场的服务器支持部署边缘计算以及协同控制，可以设计节能策略、整体应急保护策略，实现对油田现场的智能化调节。

4.2 减少建设成本和运维成本

由于采用了软件定义控制的服务器作为整个控制系统的大脑，减少了大量的PLC控制器，在建设阶段，整个控制系统的控制器设备成本、占用空间都得到了简化。

在运行维护阶段，由于整个控制系统的大脑集中到了服务器，维护工程师无需维护多套PLC甚至是多处RTU。另外，减少了PLC或RTU的学习周期和成本，油田运维成本显著降低。

4.3 扩展灵活，适应生产扩建

软件定义控制系统方案，由于采用了安装Intewell操作系统以及国产软件定义控制的控制编程软件MaVIEW的服务器，可以支持在服务器上用软件定义的方式增加或减少业务。比如油田现场后期增加采油井，则只需在服务器上用软件定义的方式增加1个虚拟PLC，相应的采集数据保存到现场侧SCADA数据库，操作员站增加相应的画面，在油井侧增加一套远程IO系统，即可实现对新采油井的控制；希望在油田现场增加1套消防控制系统，也可以直接在服务器上用软件定义的方式增加1个虚拟PLC，在消防喷淋、泵房配置1套远程IO系统，即可实现消防控制功能。

4.4 国产自主可控，达到本质安全

软件定义的控制系统方案，其核心的基础技术是国产高实时虚拟化的Intewell操作系统以及国产软件定义控制的控制编程软件MaVIEW。Intewell操作系统，通过了工信部电子五所严格的功能、性能测试及源代码自主率扫描，内核及部分关键模块源码自主率达100%。MaVIEW软件包括开发环境及运行环境2部分，均为国产自主研发，与Intewell操作系统配合，使服务器具备了PLC控制功能。在根技术上保障了控制系统的自主化，从而达到本质安全。

5 结语

近年来，随着智能制造、工业4.0理念的提出，油田企业在逐步走向数字化油田建设的道路。软件定义控制的油田现场控制方案，融合了自动化、虚拟化、边缘计算、云计算多种技术，有效提升了油田智能监控体系的构建，提升了油田企业的经济与社会效益，并提高了油田生产安全性。