蘇南集氣站站控SCADA系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

唐瑞志，文靜，羅媛媛，王小勇

1.西安石油大學(xué)（陜西 西安 710065）2.中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安710018）

蘇南集氣站日設(shè)計處理能力400×104m3，是蘇里格地區(qū)處理規(guī)模最大的集氣站，各井叢開采的天然氣通過管道輸送到集氣站進行預(yù)分離處理，然后通過外輸計量流程管線集中輸入至外輸集氣管線，輸往蘇里格第五天然氣處理廠處理后，進入供氣管網(wǎng)。蘇南集氣站既要實現(xiàn)站內(nèi)高效處理能力，也要集中監(jiān)控所轄井區(qū)所有井叢生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，生產(chǎn)數(shù)據(jù)龐雜、處理能力遠高于蘇里格氣田常規(guī)集氣站，安全生產(chǎn)的風險等級較高。為實現(xiàn)無人值守, 保障生產(chǎn)安全、優(yōu)化人力資源和提高勞動生產(chǎn)效率，一種適用于蘇南生產(chǎn)模式的站控系統(tǒng)成為必然選擇，以此來適應(yīng)氣田大規(guī)模開發(fā)建設(shè)的需要，對實現(xiàn)天然氣安全、高效的生產(chǎn)及輸送有著重要意義[1-2]。

1 蘇南集氣站站控系統(tǒng)建設(shè)概況

蘇南項目地面集輸系統(tǒng)采用“井下節(jié)流、井叢集中注醇，中壓集氣，井口帶液連續(xù)計量，常溫分離，兩次增壓，氣液分輸，集中處理”的集輸總工藝。

蘇南集氣站站控系統(tǒng)采用國際先進的SCADA架構(gòu)模式搭建。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測控制系統(tǒng)，主要由監(jiān)控計算機、遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎(chǔ)設(shè)施、人機界面（HMI）等部分組成（圖1）。

圖1 蘇南-C1集氣站SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井叢控制系統(tǒng)及站控系統(tǒng)主要負責采集集氣站及轄區(qū)所有井叢生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)。PKS冗余服務(wù)器主要負責收集并分析井叢控制系統(tǒng)或站控系統(tǒng)控制器上傳的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史存儲，實時采集顯示，報警功能。交換機用于搭建站控系統(tǒng)內(nèi)部通訊冗余網(wǎng)絡(luò)，負責服務(wù)器及各控制器間網(wǎng)絡(luò)通訊。

一般可以將SCADA 系統(tǒng)分為三級：上位機、網(wǎng)絡(luò)通信及下位機。先將壓力變送器、溫度變送器、液位計、流量計等現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)由站控系統(tǒng)PLC（BB 控制器）采集處理后，通過modbus 通訊協(xié)議傳輸至本地端站控服務(wù)器（PKS），最后通過OPC 協(xié)議上傳至數(shù)字化生產(chǎn)指揮平臺[3]。

2 站控系統(tǒng)搭建

2.1 硬件組成

站控系統(tǒng)硬件主要由現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備（壓變、溫變、執(zhí)行機構(gòu)等）、信號采集分析控制設(shè)備（CCRS 冗余控制器、各類數(shù)據(jù)采集卡件、串口服務(wù)器等）、數(shù)據(jù)采集存儲設(shè)備（服務(wù)器、操作員計算機）等構(gòu)成（圖2）。

圖2 蘇南集氣站架構(gòu)

由霍尼韋爾公司的Experion PKS 和戴爾公司的R730 機架式服務(wù)器搭建的冗余服務(wù)器和基于戴爾公司的T5820圖形工作站搭建的操作員站組成了上位機部分，上位機采用典型的S/C 結(jié)構(gòu)。PKS 服務(wù)器主要用于運行Experion PKS 系統(tǒng)軟件，負責采集站控系統(tǒng)控制器及轄區(qū)井叢控制器中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過站控系統(tǒng)控制器或井叢控制器實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的控制，在PKS 服務(wù)器中匯集處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲，分析，實時數(shù)據(jù)顯示、報警，通過連接打印機自動生產(chǎn)報表功能。

由 Bristol Babcock 公司的 CW 及 CWM 系列產(chǎn)品搭建的集氣站站控系統(tǒng)SCS，其核心是CCRS冗余控制器，通過標準數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場各類生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控。圖3為蘇南集氣站站控系統(tǒng)SCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 蘇南集氣站站控SCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集模塊分為 4 類：AI（Analog Input Module）卡件，AO（Analog Output Module）卡件，DI（Digital Input Module）卡件及 DO（Digital Output Module）卡件。AI 卡件主要作用是采集現(xiàn)場的模擬量（4～20 mA）信號，對應(yīng)現(xiàn)場的設(shè)備包括壓力、溫度，差壓，液位、閥門開度、可燃氣體濃度等。AO 卡件主要作用是控制現(xiàn)場的設(shè)備，輸出受控模擬量信號，單個卡件有4 個AO 通道，對應(yīng)現(xiàn)場的設(shè)備有調(diào)節(jié)閥、變頻器等。DI（Digital Input Module）卡件主要作用是采集現(xiàn)場的閉合開關(guān)量信號，對應(yīng)現(xiàn)場的設(shè)備包括閥門開關(guān)到位、消防系統(tǒng)報警輸出等。DO 卡件主要作用是控制現(xiàn)場的受控設(shè)備，輸出開關(guān)量信號，對應(yīng)現(xiàn)場的設(shè)備包括閥門開關(guān)命令、泵啟停命令等。

站控系統(tǒng)交換機主要實現(xiàn)控制器與采集模塊，上位機PKS服務(wù)器等設(shè)備間的通訊。

Comtrol 串口服務(wù)器，主要實現(xiàn)對站控系統(tǒng)的串口進行拓展，站控系統(tǒng)通過Comtrol串口服務(wù)器的虛擬串口，實現(xiàn)對集氣站站內(nèi)第三方設(shè)備如：壓縮機、UPS、空壓機、高低壓配電柜等設(shè)備的運行數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)重要設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)控，操作平臺統(tǒng)一，方便操作人員及時掌控集氣站各生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)。

站控系統(tǒng)CCRS 冗余控制器，主要負責處理各類卡件的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)上下位機間的數(shù)據(jù)通訊，并執(zhí)行自動控制邏輯，如分離器自動排液邏輯，站內(nèi)ESD緊急停車邏輯，全區(qū)井叢聯(lián)鎖站內(nèi)ESD 停產(chǎn)邏輯等。

圖4 為CCRS 冗余控制器通過IO 卡件實現(xiàn)對現(xiàn)場的部分設(shè)備的監(jiān)控的功能原理圖。

2.2 站控系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

站控系統(tǒng)軟件設(shè)計包括下位機編程軟件和上位機組態(tài)軟件兩部分。下位機：通過ControlWave Designer 對下位機站控系統(tǒng)進行組態(tài)，主要實現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)采集、運算和自動控制。上位機：上位機采用Honeywell的PKS系統(tǒng)，主要功能是監(jiān)測由下位機傳來的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，同時下發(fā)生產(chǎn)控制指令[4]。

3 站控SCADA系統(tǒng)實施效果

蘇南公司集氣站站控系統(tǒng)涵蓋進站區(qū)、閥組區(qū)、分離器區(qū)、壓縮機等13個功能區(qū)塊，具備兼容性強、可擴展性、建設(shè)成本低、運行穩(wěn)定等特征，可實現(xiàn)以下功能。

1）設(shè)置不同級別的報警級別，監(jiān)測蘇南氣田安全生產(chǎn)運行。

2）對上位機PKS 系統(tǒng)設(shè)計不同的操作員權(quán)限，嚴格把控系統(tǒng)的各項下發(fā)指令。系統(tǒng)自動采集并生成蘇南氣田每日生產(chǎn)報表。

3）檢測、控制并顯示進站區(qū)來氣干管氣動球閥狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程控制開關(guān)氣動球閥。

4）檢測、控制并顯示進站區(qū)來氣干管放空氣動球閥狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程開關(guān)氣動球閥。

5）檢測、控制并顯示進站區(qū)放空管線氣動調(diào)節(jié)閥閥位反饋，控制閥門開度。當任意一個放空閥門打開，氣動調(diào)節(jié)閥進行PID 調(diào)壓控制，使上下游壓差不超過0.03 MPa,保護放空管線及下游設(shè)備安全。

6）檢測、控制并顯示分離器相關(guān)氣動球閥狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程開關(guān)氣動球閥。

7）分離器自動排液，采用正常排液和非正常排液兩種模式，手動切換到正常排液模式，實行PID 自動控制，保護排液管線安全，避免因液量過大造成刺漏等安全事故；如分離器液位超過邏輯程序設(shè)定值（按照設(shè)計院根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況進行設(shè)定），分離器排液系統(tǒng)即自動切換到非正常排液模式，利用氣動球閥開關(guān)控制分離器液位。

圖4 蘇南集氣站數(shù)據(jù)采集功能原理圖

8）監(jiān)測并顯示外輸4 路孔板流量計所測外輸天然氣溫度、壓力、差壓、瞬時流量、累計流量等參數(shù)。瞬時流量與累計流量由PLC計算獲取。

9）監(jiān)測、控制并顯示清管接收區(qū)氣動球閥狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程開關(guān)氣動球閥。當集氣支線來氣管線壓力觸發(fā)高限或低限報警時，蘇南-C2 集氣站、蘇南-C3 集氣站來氣管線緊急切斷閥關(guān)閉。

10）監(jiān)測、控制并顯示清管發(fā)送區(qū)氣動球閥狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程開關(guān)氣動球閥。當集氣支線來氣管線壓力觸發(fā)高限或低限報警時，外輸去第五天然氣處理廠管線緊急切斷閥關(guān)閉。

11）遠程自動點火控制。

12）監(jiān)測、控制并顯示分液罐氣動球閥狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程開關(guān)氣動球閥。

13）監(jiān)測、控制并顯示閃蒸罐區(qū)氣動閥門狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)，遠程開關(guān)氣動球閥。

14）兩臺螺桿泵遠程啟停，并在全場緊急停車情況下自動關(guān)停處于運行狀態(tài)的螺桿泵。

15）檢測并顯示陰極保護控制臺相關(guān)運行參數(shù)。

16）實現(xiàn)三種緊急關(guān)斷程序（ESD）。

17）壁掛式按鈕緊急停車（放空）：聯(lián)鎖關(guān)斷該集氣站所轄井叢井口截斷閥、BB9’井叢注醇泵停車、集氣站站內(nèi)進出口所有氣動緊急截斷閥關(guān)斷、集氣站站內(nèi)螺桿泵停車，3、4 號分離器進口放空氣動球閥打開、火炬遠程點火。

18）HMI手動啟動全站緊急停車（不放空）：聯(lián)鎖關(guān)斷該集氣站所轄井叢井口截斷閥、BB9’井叢注醇泵停車、集氣站站內(nèi)進出口所有氣動緊急截斷閥關(guān)斷、集氣站站內(nèi)螺桿泵停車。

19）站場設(shè)備緊急停車，為每個干管建立HMI急停按鈕，聯(lián)鎖關(guān)斷每條干管進站緊急截斷閥及所轄井叢井口截斷閥。

20）檢測、控制并顯示中間閥室氣液聯(lián)動閥閥門狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)、遠程或就地控制狀態(tài)，遠程開關(guān)閥，綜合故障（以第三方設(shè)備通訊參數(shù)列表為準，通過通訊方式實現(xiàn)）。

21）檢測、控制并顯示所有BB9’井叢電動閥門狀態(tài)：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)、遠程開關(guān)閥。監(jiān)測、控制并顯示兩臺雙頭注醇泵每個泵的運行狀態(tài)，遠程關(guān)泵（BB9’井叢電動閥突然斷電后依然保持原狀態(tài)，不會造成斷電關(guān)閥導(dǎo)致井叢憋壓情況）。

22）檢測、控制并顯示所有井叢井口截斷閥：閥門開狀態(tài)、閥門關(guān)狀態(tài)、遠程關(guān)閥。

23）檢測并顯示所有井叢井口智能一體化流量計所測外輸天然氣溫度、壓力、瞬時流量、累計流量等參數(shù)（以第三方設(shè)備通信參數(shù)列表為準，以通訊方式實現(xiàn)）。

24）檢測兩座集氣站自用氣流量、溫度、壓力。

25）檢測兩座集氣站地埋污水罐液位。

26）檢測兩座集氣站可燃氣體濃度并設(shè)濃度超限報警[5]。

4 結(jié)論

1）增強了安全生產(chǎn)能力。實現(xiàn)了遠程關(guān)井、干線遠程聯(lián)鎖放空、自用氣壓力監(jiān)控、集氣站紅外對射防闖入報警等功能，同時利用蘇南公司3 種不同工況下ESD緊急停車系統(tǒng)，增強了現(xiàn)場安全生產(chǎn)能力。

2）提升了管控能力。在現(xiàn)場工藝流程基礎(chǔ)上，構(gòu)建了覆蓋生產(chǎn)全過程的監(jiān)控流程，該站控系統(tǒng)在系統(tǒng)模型架構(gòu)、PLC 硬件的應(yīng)用以及Modbus 及OPC等關(guān)鍵通訊技術(shù)應(yīng)用上都有所創(chuàng)新，生產(chǎn)管理終端直接將監(jiān)控中心延伸至生產(chǎn)現(xiàn)場，提升了集氣站管理水平。

3）提高了勞動生產(chǎn)效率。集氣站站控SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用推進了傳統(tǒng)條件下勞動組織構(gòu)架的改變。在集氣站生產(chǎn)巡護工作中，降低運行成本及用工總量，提升管理效率，夯實“提質(zhì)增效、持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)”基礎(chǔ)。