油田自動化

油田自動化技術是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對油田的油井、計量間、管匯閥組、轉油站、聯合站及原油外輸系統等實施檢測、控制、優化、調度、管理和決策，達到增加產量、提高質量、降低消耗和確保安全等目的的綜合性技術。

計算機技術、信息技術和網絡技術的發展為國外油田自動化技術注入了新的活力，國外油田自動化技術正在向開放性、網絡化和集成化方向快速發展。可以預見的是，自動化技術必將為油田生產和管理提供更強有力的保障，促進油田生產管理邁上新台階。 ^[1] 

油田自動化早己擺脱了傳統的自動化模式，由早期的儀表自動化發展為以微電子學為基礎，集微電子技術、電力電子技術、計算機技術和網絡通信技術於一體的新一代自動化，進入到大量應用可編程控制系統(簡稱PLC)、集散控制系統(簡稱DCS)和數據採集及監控系統(簡稱SCADA)時期。

譬如蘇丹1 /2 /4區油田及其原油外輸管道過程控制就採用了先進可靠的SCADA系統，其中的中心處理設施、油田生產設施和外輸泵站採用PLC實施過程控制，同時配備基於PLC的緊急關斷系統(簡稱ESD)用來保護工藝設備和人身安全、保護環境、減少和避免事故發生；而位於蘇丹6區FULA油田中心處理站的自動化系統則由站內DCS系統、緊急關斷系統、消防自動化系統、熱媒PLC系統、天然氣壓縮機PLC系統、儀表風橇PLC系統以及燃氣發電機PLC系統等組成。

伊朗雅達油田研製開發的集過程控制、安全儀表和自動化管理於一體的集成化過程控制與安全管理系統(ICSS系統)，實現了從井口到集中處理中心的全油田全數字化自動控制和管理。

雖然國外油田自動化技術己取得長足進步，但各大油田的自動化管理基本上處於對生產過程的控制上，對油氣集輸自動化控制和管理一體化、安全系統自動化管理以及大容量管理信息平台建立還處於起步階段。未來的油田自動化技術正在向開放、網絡化和集成化方向發展，具體表現在以下方面：（1）OPLC向微型化、PC化、網絡化和開放性方向發展;（2） DCS系統設計面向測控管一體化;（3）SCADA系統向標準化和集成化方向發展。又如建成並可靠運行的SCADA系統為巴基斯坦成品油外輸管道安全可靠輸油提供了強有力的保障。 ^[1] 

管控一體化是當前油田自動化系統的最新模式。目前油田自動化監控系統的結構基本上以面向網絡為基礎，系統級設備大多采用以太網Ethernet或光纖環網FDDI等通用網絡設備連接高性能的微機、工作站、服務器，在被控設備現場則較多地採用PLC或智能現場控制單元如RPC/RTU等，再通過現場總線與基礎層的智能I/O設備、智能儀表、遠程I/O等相連接構成現場控制子系統，通過以太網Ethernet或光纖環網FDDI等與廠級系統結合形成整個控制系統。進入90年代以來，基於Internet(國際互聯網)的Web應用技術爆炸性發展，同樣也引發了工業控制領域深刻的技術變革——這一領域的專家們長期追求的以實現“企業綜合自動化”為目標的“管控一體化”工業流程生產集成解決方案所面臨的各種所謂技術標準化問題、用户程序可移植性問題、系統功能可伸縮性問題、控制設備互操作性問題等等，似乎都已找到了一個已既成事實的解決方法——這就是在全球範圍內得到廣泛而深層次成功應用的基於TCP/IP協議的網絡技術和基於WWW協議的Web技術——也就是説，組成“企業綜合自動化”的企業MIS(管理信息系統)和企業生產過程SCADA都以TCP/IP和Web技術為基礎，實現了企業“管”、“控”數據流之間無縫連接，“管控一體化”解決方案變得簡捷和現實可行，產生了以開放性、網絡化為特徵的立足於Web和“Infranet+Intranet+Internet”一體化技術的應用可靠成熟的SCADA系列產品。

(1)工業控制網絡向有線和無線相結合方向發展油田自動化控制網絡向高速交換式以太網技術發展。從現場角度看，油田自動化體系是一個直接由油田生產現場產生的、物理位置分散、分佈時變參數多、生產過程及結果透明度高的開放型大系統。現場自動化體系大部分採用無線局域網技術，它可以非常便捷地以無線方式連接網絡設備，人們可隨時、隨地、隨意地訪問網絡資源，是現代數據通信系統發展的重要方向。無線局域網的未來的研究方向主要集中在安全性、移動漫遊、網絡管理以及與3G等其它移動通信系統之間的關係等問題上。對於數據吞吐量大，且數據傳輸速率高的骨幹網絡，一般採用符合IEEE802.3μ標準的100Base-T快速以太網和符合ANSI X3T12標準的FDDI網絡。

(2)儀器儀表在向數字、智能、網絡、微型方向發展對於現場儀器儀表正在向數字、智能、網絡、微型方向發展。智能監控儀表的研究，就目前的發展水平而言，要建立適用於所有油田工況的監控儀表是相當困難的，目前我國儀器儀表行業產品大多屬於中低檔水平，隨着國際上數字化、智能化、網絡化、微型化的產品逐漸成為主流，差距還將進一步加大。目前，我國高檔、大型儀器設備大多依賴進口。中檔產品以及許多關鍵零部件，國外產品佔有我國市場60%以上的份額，而國產分析儀器佔全球市場不到千分之二的份額。

眾所諸知，一個功能完善數據庫是對整個廠的生產工藝流程參數、報警、報表的及時採集記錄、存儲，併為服務器處理工作站的數據存儲、查詢、統計和分析提供依據。隨着無人值守工作向縱深的發展和企業管理水平的提高，使企業對生產過程管理有了更高的需求，同時由於個人電腦的普及，數據庫技術，特別是Intranet/Internet技術的發展，使得基於Web的自動化實時數據庫管理系統的出現發展成為必然。

實時數據庫管理系統以單獨的計算機來實現，具有美觀的人機界面，方便的操作方式和豐富多彩顯示形式。這樣的配置既減輕了監控系統的負擔，減化了監控系統的軟件複雜性，增加了監控系統的實時性，作為監控系統的重要組成部分－－實時數據庫要為不同的應用系統服務，可能工作在不同的網絡平合上，還能通過標準數據庫接口SQL、ODBC、JDBC等與其他系統互連，如MIS系統。數據格式多種多樣，要方便地進行數據轉換，要定期對海量的各類數據進行糾錯處理，保證數據完整性並及時傳導到別的數據庫中保存。只有建立基於WEB方式的工業控制自動化數據庫系統的強大的技術能力，才能使廣域網絡監控系統具有強大的生命力。

一個功能強大、性能完備、在線實用的油田地理信息系統，要具備以下四個條件：必須有效管理和快速顯示海量空間數據，自動生成各類高質量的圖件；必須自動生成和管理拓樸關係；必須快速查詢空間相關數據、空間網絡分析和三維模型分析；必須提供多種空間在線的數據錄入和輸出。以上各種功能都是以先進GIS技術作支持。自動化油田地理信息系統同時又是一個GIS地理信息系統的實時數據庫應用系統。 ^[2] 

PLC系統主要用於油田生產過程中的順序控制，隨着計算機技術、信號處理技術和控制技術的不斷髮展以及用户需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理及運動控制等功能。如今的PLC不再侷限於順序控制，在過程控制和運動控制等領域也發揮着相當重要的作用。微型化、網絡化、PC化和開放性是PLC未來發展的主要方向。傳統PLC雖然得到了長足的發展，但也存在着兼容性差、擴展能力差、功能實現主要依賴硬件以及對使用者和維護人員的專業要求高等不足。隨着計算機軟硬件技術的發展，在計算機上以軟件的方式來實現PLC成為了發展的熱點，這也就是軟PLC(Soft PLC )。

軟PLC是一種基於PC機開放結構的控制裝置。它綜合了計算機和PLC的開關量控制、模擬量控制、數學運算、數值處理和通信網絡等功能，通過一個多任務的控制內核，提供了強大的指令集、快速而準確的掃描週期、可靠的操作和可連接的各種I/U系統及網絡的開放結構。可以預見，隨着軟PLC控制組態軟件的進一步完善和發展，軟PLC的市場份額將逐步增長。

DCS起初使用在模擬量回路控制較多的煉油等行業中，主要特點是將控制所造成的危險性分散，而將管理和顯示功能集中於一體，即分散控制集中管理。DCS目前在國外油田站場控制系統中得到了廣泛應用。它具有如下特點。

(1)系統一般由控制器、I/U板、操作站、通訊網絡、圖形及編程軟件等5部分組成。

(2)硬件系統在惡劣的油田現場具有可靠性高、維修方便及工藝先進等突出優點。軟件平台處理功能強大，具備方便的組態複雜控制系統的能力及用户自主開發專用高級控制算法的支持能力，可支持多種現場總線標準以便適應未來的擴充需要。

(3)系統採用冗餘設計和診斷至模塊級的自診斷功能，可靠性高。

(4)過程參數、事故報警和自診斷等管理功能高度集中在控制室進行顯示和打印。

(5)網絡結構先進可靠。在操作層，常常採用冗餘的100 Mb/s以太網;在控制層，一般採用冗餘的100 Mb/s工業以太網;在現場信號處理層，12 Mb/s的PROFIBUS總線連接中央控制單元和各現場信號處理模塊。

(6)開放且可靠的操作系統。在操作層採用Windows NT操作系統；採用成熟的嵌入式實時多任務操作系統以確保控制系統的實時性、安全性和可靠性。 ^[2] 

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisi-lion)系統即數據採集與監控系統，是以計算機為基礎的產過程控制與調度自動化系統。它可以對油田現場的運行設備進行監視和控制，以實現生產數據採集、現場設備控制、工藝參數調節、信號報警以及智能分析、生產調度等功能。國外油田自動化系統中廣泛採用SCADA系統對油田生產過程實施控制與管理。

第1代SCADA系統產生於20世紀70年代以前，是基於專用計算機和專用操作系統的SCADA系統。

第2代是20世紀80年代基於通用計算機的SCADA系統，它大量採用VAX等其他計算機或其他通用工作站，操作系統一般是通用UNIX操作系統。第1代與第2代SCADA系統的共同特點是基於集中式計算機系統，系統不具有開放性，因而系統維護、升級以及與其他系統聯網存在很大困難。

第3代是20世紀90年代基於分佈式計算機網絡以及關係數據庫技術的能夠實現較大範圍聯網的較為開放的SCADA系統。

第4代SCADA系統的主要特徵將是採用面向對象技術、Internet技術以及JAVA技術等擴大系統與其他系統的集成，以滿足安全運行以及各種管理的需要。 ^[2]