[科普中国]-油田自动化

介绍

油田自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对油田的油井、计量间、管汇阀组、转油站、联合站及原油外输系统等实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗和确保安全等目的的综合性技术。

计算机技术、信息技术和网络技术的发展为国外油田自动化技术注入了新的活力，国外油田自动化技术正在向开放性、网络化和集成化方向快速发展。可以预见的是，自动化技术必将为油田生产和管理提供更强有力的保障，促进油田生产管理迈上新台阶。1

发展进程油田自动化早己摆脱了传统的自动化模式，由早期的仪表自动化发展为以微电子学为基础，集微电子技术、电力电子技术、计算机技术和网络通信技术于一体的新一代自动化，进入到大量应用可编程控制系统(简称PLC)、集散控制系统(简称DCS)和数据采集及监控系统(简称SCADA)时期。

譬如苏丹1 /2 /4区油田及其原油外输管道过程控制就采用了先进可靠的SCADA系统，其中的中心处理设施、油田生产设施和外输泵站采用PLC实施过程控制，同时配备基于PLC的紧急关断系统(简称ESD)用来保护工艺设备和人身安全、保护环境、减少和避免事故发生；而位于苏丹6区FULA油田中心处理站的自动化系统则由站内DCS系统、紧急关断系统、消防自动化系统、热媒PLC系统、天然气压缩机PLC系统、仪表风橇PLC系统以及燃气发电机PLC系统等组成。

伊朗雅达油田研制开发的集过程控制、安全仪表和自动化管理于一体的集成化过程控制与安全管理系统(ICSS系统)，实现了从井口到集中处理中心的全油田全数字化自动控制和管理。
虽然国外油田自动化技术己取得长足进步，但各大油田的自动化管理基本上处于对生产过程的控制上，对油气集输自动化控制和管理一体化、安全系统自动化管理以及大容量管理信息平台建立还处于起步阶段。未来的油田自动化技术正在向开放、网络化和集成化方向发展，具体表现在以下方面：（1）OPLC向微型化、PC化、网络化和开放性方向发展;（2） DCS系统设计面向测控管一体化;（3）SCADA系统向标准化和集成化方向发展。又如建成并可靠运行的SCADA系统为巴基斯坦成品油外输管道安全可靠输油提供了强有力的保障。1

发展趋势系统结构管控一体化是当前油田自动化系统的最新模式。目前油田自动化监控系统的结构基本上以面向网络为基础，系统级设备大多采用以太网Ethernet或光纤环网FDDI等通用网络设备连接高性能的微机、工作站、服务器，在被控设备现场则较多地采用PLC或智能现场控制单元如RPC/RTU等，再通过现场总线与基础层的智能I/O设备、智能仪表、远程I/O等相连接构成现场控制子系统，通过以太网Ethernet或光纤环网FDDI等与厂级系统结合形成整个控制系统。进入90年代以来，基于Internet(国际互联网)的Web应用技术爆炸性发展，同样也引发了工业控制领域深刻的技术变革——这一领域的专家们长期追求的以实现“企业综合自动化”为目标的“管控一体化”工业流程生产集成解决方案所面临的各种所谓技术标准化问题、用户程序可移植性问题、系统功能可伸缩性问题、控制设备互操作性问题等等，似乎都已找到了一个已既成事实的解决方法——这就是在全球范围内得到广泛而深层次成功应用的基于TCP/IP协议的网络技术和基于WWW协议的Web技术——也就是说，组成“企业综合自动化”的企业MIS(管理信息系统)和企业生产过程SCADA都以TCP/IP和Web技术为基础，实现了企业“管”、“控”数据流之间无缝连接，“管控一体化”解决方案变得简捷和现实可行，产生了以开放性、网络化为特征的立足于Web和“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术的应用可靠成熟的SCADA系列产品。

硬件构成(1)工业控制网络向有线和无线相结合方向发展油田自动化控制网络向高速交换式以太网技术发展。从现场角度看，油田自动化体系是一个直接由油田生产现场产生的、物理位置分散、分布时变参数多、生产过程及结果透明度高的开放型大系统。现场自动化体系大部分采用无线局域网技术，它可以非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。无线局域网的未来的研究方向主要集中在安全性、移动漫游、网络管理以及与3G等其它移动通信系统之间的关系等问题上。对于数据吞吐量大，且数据传输速率高的骨干网络，一般采用符合IEEE802.3μ标准的100Base-T快速以太网和符合ANSI X3T12标准的FDDI网络。

(2)仪器仪表在向数字、智能、网络、微型方向发展对于现场仪器仪表正在向数字、智能、网络、微型方向发展。智能监控仪表的研究，就目前的发展水平而言，要建立适用于所有油田工况的监控仪表是相当困难的，目前我国仪器仪表行业产品大多属于中低档水平，随着国际上数字化、智能化、网络化、微型化的产品逐渐成为主流，差距还将进一步加大。目前，我国高档、大型仪器设备大多依赖进口。中档产品以及许多关键零部件，国外产品占有我国市场60%以上的份额，而国产分析仪器占全球市场不到千分之二的份额。

应用系统**(1)以WEB为基础形成自动化实时数据库网上发布**

众所诸知，一个功能完善数据库是对整个厂的生产工艺流程参数、报警、报表的及时采集记录、存储，并为服务器处理工作站的数据存储、查询、统计和分析提供依据。随着无人值守工作向纵深的发展和企业管理水平的提高，使企业对生产过程管理有了更高的需求，同时由于个人电脑的普及，数据库技术，特别是Intranet/Internet技术的发展，使得基于Web的自动化实时数据库管理系统的出现发展成为必然。

实时数据库管理系统以单独的计算机来实现，具有美观的人机界面，方便的操作方式和丰富多彩显示形式。这样的配置既减轻了监控系统的负担，减化了监控系统的软件复杂性，增加了监控系统的实时性，作为监控系统的重要组成部分－－实时数据库要为不同的应用系统服务，可能工作在不同的网络平合上，还能通过标准数据库接口SQL、ODBC、JDBC等与其他系统互连，如MIS系统。数据格式多种多样，要方便地进行数据转换，要定期对海量的各类数据进行纠错处理，保证数据完整性并及时传导到别的数据库中保存。只有建立基于WEB方式的工业控制自动化数据库系统的强大的技术能力，才能使广域网络监控系统具有强大的生命力。

(2)以实时数据库为基础建立自动化油田地理信息系统（GIS）

一个功能强大、性能完备、在线实用的油田地理信息系统，要具备以下四个条件：必须有效管理和快速显示海量空间数据，自动生成各类高质量的图件；必须自动生成和管理拓朴关系；必须快速查询空间相关数据、空间网络分析和三维模型分析；必须提供多种空间在线的数据录入和输出。以上各种功能都是以先进GIS技术作支持。自动化油田地理信息系统同时又是一个GIS地理信息系统的实时数据库应用系统。2

PLC技术PLC系统主要用于油田生产过程中的顺序控制，随着计算机技术、信号处理技术和控制技术的不断发展以及用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理及运动控制等功能。如今的PLC不再局限于顺序控制，在过程控制和运动控制等领域也发挥着相当重要的作用。微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。传统PLC虽然得到了长足的发展，但也存在着兼容性差、扩展能力差、功能实现主要依赖硬件以及对使用者和维护人员的专业要求高等不足。随着计算机软硬件技术的发展，在计算机上以软件的方式来实现PLC成为了发展的热点，这也就是软PLC(Soft PLC )。
软PLC是一种基于PC机开放结构的控制装置。它综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理和通信网络等功能，通过一个多任务的控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接的各种I/U系统及网络的开放结构。可以预见，随着软PLC控制组态软件的进一步完善和发展，软PLC的市场份额将逐步增长。

DCS技术DCS起初使用在模拟量回路控制较多的炼油等行业中，主要特点是将控制所造成的危险性分散，而将管理和显示功能集中于一体，即分散控制集中管理。DCS目前在国外油田站场控制系统中得到了广泛应用。它具有如下特点。
(1)系统一般由控制器、I/U板、操作站、通讯网络、图形及编程软件等5部分组成。
(2)硬件系统在恶劣的油田现场具有可靠性高、维修方便及工艺先进等突出优点。软件平台处理功能强大，具备方便的组态复杂控制系统的能力及用户自主开发专用高级控制算法的支持能力，可支持多种现场总线标准以便适应未来的扩充需要。
(3)系统采用冗余设计和诊断至模块级的自诊断功能，可靠性高。
(4)过程参数、事故报警和自诊断等管理功能高度集中在控制室进行显示和打印。
(5)网络结构先进可靠。在操作层，常常采用冗余的100 Mb/s以太网;在控制层，一般采用冗余的100 Mb/s工业以太网;在现场信号处理层，12 Mb/s的PROFIBUS总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块。
(6)开放且可靠的操作系统。在操作层采用Windows NT操作系统；采用成熟的嵌入式实时多任务操作系统以确保控制系统的实时性、安全性和可靠性。2

SCADA系统SCADA(Supervisory Control And Data Acquisi-lion)系统即数据采集与监控系统，是以计算机为基础的产过程控制与调度自动化系统。它可以对油田现场的运行设备进行监视和控制，以实现生产数据采集、现场设备控制、工艺参数调节、信号报警以及智能分析、生产调度等功能。国外油田自动化系统中广泛采用SCADA系统对油田生产过程实施控制与管理。
第1代SCADA系统产生于20世纪70年代以前，是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统。
第2代是20世纪80年代基于通用计算机的SCADA系统，它大量采用VAX等其他计算机或其他通用工作站，操作系统一般是通用UNIX操作系统。第1代与第2代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，系统不具有开放性，因而系统维护、升级以及与其他系统联网存在很大困难。
第3代是20世纪90年代基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现较大范围联网的较为开放的SCADA系统。

第4代SCADA系统的主要特征将是采用面向对象技术、Internet技术以及JAVA技术等扩大系统与其他系统的集成，以满足安全运行以及各种管理的需要。2