蔡權(quán)

（勝利油田信息化管理中心，山東 東營 257091）

1 油田生產(chǎn)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

近年來，隨著油田生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，為解決油氣生產(chǎn)中存在開發(fā)成本持續(xù)攀升、國際油價長期低迷、勞動用工日趨緊張等問題，適應(yīng)智能制造、工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢，很多油田都逐步開展了自動化控制系統(tǒng)的建設(shè)?；谧詣踊姆桨?，油田生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)控，保障油田安全有序生產(chǎn)。但是，從目前油田生產(chǎn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，這種集中監(jiān)控的模式依然存在諸多問題。

以陸地平臺井組為例，各個油井、計量間、配水間、注水站等分別采用獨立的PLC控制系統(tǒng)或是RTU系統(tǒng)。由于各個子系統(tǒng)采用不同廠家的PLC或RTU，并且系統(tǒng)之間缺乏關(guān)聯(lián)，各個控制系統(tǒng)單獨部署人機監(jiān)控平臺，無法整合統(tǒng)一。該架構(gòu)帶來很多弊端，首先，生產(chǎn)現(xiàn)場，控制系統(tǒng)中不同廠家的PLC或RTU之間是獨立的，沒有信息交互，無法實現(xiàn)協(xié)同生產(chǎn)和智能化控制。其次，本地綜合人機交互系統(tǒng)（SCADA）缺失。雖然配水間和注水站單獨部署本地人機監(jiān)控系統(tǒng)，但是油井、計量間、集氣站等系統(tǒng)無本地SCADA系統(tǒng)，數(shù)據(jù)直接上傳到信息中心展示。本地?zé)o綜合人機交互系統(tǒng)，給系統(tǒng)本地安全巡檢、故障維護、本地操作等帶來不便。最后，現(xiàn)場PLC或RTU控制節(jié)點眾多，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，需要逐層排查故障點，維護困難，現(xiàn)場人員勞動強度較大。

2 工業(yè)控制發(fā)展趨勢

工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過3次歷程：機械控制，電子控制，計算機控制。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以進行規(guī)?；写鎯Φ酱髷?shù)據(jù)中心，并利用云計算平臺的計算能力對這些大數(shù)據(jù)進行分析、挖掘和優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率。數(shù)字化的工業(yè)3.0使現(xiàn)場設(shè)備、機器和工廠已經(jīng)變得更“智能”。

但是，我們會發(fā)現(xiàn)，無論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工廠數(shù)字化的3.0，均未對工業(yè)控制系統(tǒng)的“大腦”PLC/DCS做出任何更進一步的技術(shù)變革。這種兩頭重中間輕的現(xiàn)象，就好比是高速路上的收費站，光高速路擴寬遠遠不能夠?qū)崿F(xiàn)更大的汽車吞吐，矗立在高速路上的各個收費站才是這條路上的瓶頸點，因此針對收費站現(xiàn)在都需要設(shè)置更多收費窗口，實現(xiàn)電子收費等舉措改革而適應(yīng)高速、快速增長的車流。適用于工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域也是一樣，控制的核心PLC設(shè)備不能夠靈活擴展，這一限制無疑將會大大減弱工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴展性。

隨著工業(yè)智能化需求的日益增長，以傳統(tǒng)PLC/DCS為代表的第三代控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)智能化的需求，目前業(yè)界針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術(shù)體系探索，重點將圍繞PLC/DCS展開,從而實現(xiàn)第四代的控制技術(shù)。

第四代的控制技術(shù)是軟件定義和虛擬化技術(shù)的結(jié)合，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及智能工業(yè)的控制需求。軟件定義PLC/DCS通過允許用戶更換或添加組件而不影響系統(tǒng)的其他部分，實現(xiàn)輕松的可擴展性和系統(tǒng)模塊化。軟件定義PLC設(shè)計為開放平臺，允許用戶選擇首選組件和解決方案，這意味著用戶可以靈活地按需選擇不同的供應(yīng)商。

3 軟件定義的新型邊緣控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 邊緣控制系統(tǒng)示意圖

圖2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、軟件定義控制理念，充分利用計算機平臺強大的計算能力以及操作系統(tǒng)的能力，在每個油田現(xiàn)場部署一套服務(wù)器。服務(wù)器內(nèi)部通過高實時虛擬化的Intewell操作系統(tǒng)，通過軟件定義控制的方式，取代傳統(tǒng)、分散的多個PLC控制器，現(xiàn)場傳感器、設(shè)備的信號采用遠程分布式IO方式連接。將原來分散的多個PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、RTU數(shù)據(jù)采集到1個統(tǒng)一的人機監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)本地綜合監(jiān)控。由本地綜合監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一的對外數(shù)據(jù)訪問接口，與遠程調(diào)度中心、監(jiān)控中心連接，實現(xiàn)邊云協(xié)同。

3.2 油田現(xiàn)場生產(chǎn)控制

傳統(tǒng)方式的工業(yè)控制系統(tǒng)每口油井配置1臺油井RTU，油田現(xiàn)場各油井RTU通過網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)遠端監(jiān)控中心，由遠端監(jiān)控中心做運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析和調(diào)度。由于網(wǎng)絡(luò)時延，這種集中調(diào)度往往不能對現(xiàn)場突發(fā)做到及時響應(yīng)。

智慧油田邊緣控制系統(tǒng)利用油田現(xiàn)場的1套服務(wù)器，通過軟件定義多個虛擬PLC系統(tǒng)作為主站，將各個油井通過遠程IO從站的方式組網(wǎng)。遠程IO模塊部署到油井側(cè)，采集的主要數(shù)據(jù)有電機電流、電壓、耗電量、載荷、井口溫度和回壓等信息，連接的控制對象有電磁閥、電動閥等。遠程IO模塊通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞到現(xiàn)場監(jiān)控室的服務(wù)器，由服務(wù)器內(nèi)部的虛擬PLC執(zhí)行各個油井的控制計算功能。同時，服務(wù)器內(nèi)用虛擬化軟件定義的方式再配置1個協(xié)同的PLC系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制所有油井的虛擬PLC系統(tǒng)。

為了防止單一服務(wù)器故障，實現(xiàn)系統(tǒng)可用性，服務(wù)器采用熱備冗余配置，2臺冗余服務(wù)器的虛擬PLC之間、數(shù)據(jù)庫之間采用定期數(shù)據(jù)同步、冗余診斷等手段，確保故障時勿擾切換，保證運行安全。

3.3 邊云同步監(jiān)控

油田現(xiàn)場布置的服務(wù)器提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫采集所有現(xiàn)場的虛擬PLC上送數(shù)據(jù)，一方面與現(xiàn)場的各個操作員站同步，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控；另一方面數(shù)據(jù)庫支持OPC UA、MQTT等通信協(xié)議，在工程設(shè)計階段，進行人機監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫組態(tài)時，按照云端監(jiān)控的需要，選擇數(shù)據(jù)庫點配置其OPC UA或MQTT屬性，直接與云端的監(jiān)控中心、調(diào)度中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

按照油氣生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)的要求，現(xiàn)場側(cè)的操作員站其重點是需要保證操作的響應(yīng)時間、操作員站畫面刷新速度、畫面容量等要求，并且操作員站是面向操作員，從人因工程角度考慮，對現(xiàn)場的傳感器、儀表、閥門等元素采用2D或2.5D組件進行組態(tài)，簡化操作員的操作，操作員站應(yīng)設(shè)計為C/S架構(gòu)。而云端監(jiān)控中心、調(diào)度中心是面向油田的管理層人員，管理層人員更關(guān)注油田的全景可視化，所以應(yīng)采用3D組件設(shè)計，設(shè)計為B/S架構(gòu)。

3.4 邊緣計算

圖3 邊緣控制系統(tǒng)流程圖

利用服務(wù)器強大的計算性能，將針對油田現(xiàn)場的一些行業(yè)應(yīng)用從云端下層部署到邊緣側(cè)的服務(wù)器。在服務(wù)器的虛擬桌面系統(tǒng)上，運行設(shè)備預(yù)測性維護、能耗管理、邊緣數(shù)據(jù)清洗等應(yīng)用，這些應(yīng)用統(tǒng)一從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，然后計算，并將計算結(jié)果反向?qū)懭霐?shù)據(jù)庫，再通過數(shù)據(jù)庫將相應(yīng)信息上送云端監(jiān)控中心、下發(fā)虛擬PLC或發(fā)送操作員站展示。

4 軟件定義控制應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 智能化水平提升

油田生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場側(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)與云端調(diào)度中心、監(jiān)控中心邊云統(tǒng)一的部署方式優(yōu)勢明顯，通過應(yīng)用軟件定義控制，能夠進一步提升整個油田生產(chǎn)過程的智能化水平。在常規(guī)運行時，可以做到無人化值守，由云端遠程監(jiān)控?，F(xiàn)場維護時，由現(xiàn)場的操作員通過監(jiān)控系統(tǒng)來發(fā)揮作用。在運行異常時，由于油田的運行數(shù)據(jù)都在現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫儲存，操作員可以調(diào)出監(jiān)控系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)進行分析，及時處理故障。另外，由于現(xiàn)場的服務(wù)器支持部署邊緣計算以及協(xié)同控制，可以設(shè)計節(jié)能策略、整體應(yīng)急保護策略，實現(xiàn)對油田現(xiàn)場的智能化調(diào)節(jié)。

4.2 減少建設(shè)成本和運維成本

由于采用了軟件定義控制的服務(wù)器作為整個控制系統(tǒng)的大腦，減少了大量的PLC控制器，在建設(shè)階段，整個控制系統(tǒng)的控制器設(shè)備成本、占用空間都得到了簡化。

在運行維護階段，由于整個控制系統(tǒng)的大腦集中到了服務(wù)器，維護工程師無需維護多套PLC甚至是多處RTU。另外，減少了PLC或RTU的學(xué)習(xí)周期和成本，油田運維成本顯著降低。

4.3 擴展靈活，適應(yīng)生產(chǎn)擴建

軟件定義控制系統(tǒng)方案，由于采用了安裝Intewell操作系統(tǒng)以及國產(chǎn)軟件定義控制的控制編程軟件MaVIEW的服務(wù)器，可以支持在服務(wù)器上用軟件定義的方式增加或減少業(yè)務(wù)。比如油田現(xiàn)場后期增加采油井，則只需在服務(wù)器上用軟件定義的方式增加1個虛擬PLC，相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)保存到現(xiàn)場側(cè)SCADA數(shù)據(jù)庫，操作員站增加相應(yīng)的畫面，在油井側(cè)增加一套遠程IO系統(tǒng)，即可實現(xiàn)對新采油井的控制；希望在油田現(xiàn)場增加1套消防控制系統(tǒng)，也可以直接在服務(wù)器上用軟件定義的方式增加1個虛擬PLC，在消防噴淋、泵房配置1套遠程IO系統(tǒng)，即可實現(xiàn)消防控制功能。

4.4 國產(chǎn)自主可控，達到本質(zhì)安全

軟件定義的控制系統(tǒng)方案，其核心的基礎(chǔ)技術(shù)是國產(chǎn)高實時虛擬化的Intewell操作系統(tǒng)以及國產(chǎn)軟件定義控制的控制編程軟件MaVIEW。Intewell操作系統(tǒng)，通過了工信部電子五所嚴(yán)格的功能、性能測試及源代碼自主率掃描，內(nèi)核及部分關(guān)鍵模塊源碼自主率達100%。MaVIEW軟件包括開發(fā)環(huán)境及運行環(huán)境2部分，均為國產(chǎn)自主研發(fā)，與Intewell操作系統(tǒng)配合，使服務(wù)器具備了PLC控制功能。在根技術(shù)上保障了控制系統(tǒng)的自主化，從而達到本質(zhì)安全。

5 結(jié)語

近年來，隨著智能制造、工業(yè)4.0理念的提出，油田企業(yè)在逐步走向數(shù)字化油田建設(shè)的道路。軟件定義控制的油田現(xiàn)場控制方案，融合了自動化、虛擬化、邊緣計算、云計算多種技術(shù)，有效提升了油田智能監(jiān)控體系的構(gòu)建，提升了油田企業(yè)的經(jīng)濟與社會效益，并提高了油田生產(chǎn)安全性。