西門子PCS7在勝利油田埕島海上中心平臺的應用

分類：解決方案日期：2007-04-04 00:00:00

　　摘要：西門子全集成自動化控制系統PCS7具有過程控制系統的所有特性和功能，過程控制簡單而安全、方便信息網絡和現場總線及儀表的集成，設計模塊化，系統的擴展性強，是企業實現管控一體化的理想集成運行平臺 .
　　一. 項目簡介
　　1. 勝利油田埕島CB30A中心平臺SCADA系統由中心平臺站控系統和所屬井組平臺（一期7座，將來擴展到20座）遠程控制站（簡稱RTU）組成，完成CB30A中心平臺和所屬井組平臺的生產監視及控制，并將數據通過擴頻微波系統傳往原有的陸地中心站。CB30A中心平臺和所屬井組平臺采用主、備數據通信方案，主、備數據通信自動切換，主數據通信采用海底光纜（光纜與動力電纜在同一根電纜內），備數據通信采用數傳電臺。系統結構為“兩級控制、三級網絡”，兩級控制即井組平臺遙測遙控和中心平臺控制，三級網絡指的是自動化系統網絡結構延伸到海洋石油開發公司和管理局綜合信息網。中心平臺為有人值守站，井組平臺為無人值守站。將SCADA系統和工業數字電視監視系統融為一個監控系統，實現CB30A中心平臺和所屬井組平臺的工業電視監視；在SCADA系統操作控制時，電視監視到相應部位，達到操作直觀方便；同時，電視監視井組平臺安全運行和防止人為的破壞及盜竊。
　　2. 埕島油田CB30A中心平臺SCADA系統總體結構如下：

　　二.工藝介紹
　　1. CB30A中心平臺站控系統
　　CB30A中心平臺站控系統由過程控制系統（簡稱PCS）、緊急關斷系統（ESD）和火氣監控系統（F&G）三部分組成，負責中心平臺自身的生產管理和過程控制。
　　（1）過程控制系統（簡稱PCS）
　　過程控制系統（簡稱PCS）完成中心平臺原油處理系統、輔助系統等工藝過程的測量和控制，保障工藝系統可靠、平穩的運行，實現工藝系統參數的顯示、數據處理、報警和數據歸檔。
　　（2）緊急關斷系統（ESD）
　　緊急關斷系統（ESD）完成工藝系統的緊急關斷，保障生產和生活的安全，緊急關斷分為四級。
　　· 一級關斷：全站關斷。在重大事故發生時，手動啟動該級關斷，該級關斷全站所有工藝、公共設施，以確保操作人員及設施的安全。一級關斷信號啟動廣播系統。
　　· 二級關斷：火氣關斷。火災發生時，手動關斷生產系統，儀表風系統不關斷，二級關斷信號啟動廣播系統。為了減少火災造成的損失，火氣關斷為泄壓關斷。
　　· 三級關斷：工藝系統關斷。工藝系統故障時，手動關斷生產系統，，三級關斷信號啟動廣播系統。為了關斷后利于生產恢復，工藝系統關斷為不泄壓關斷。

　　· 四級關斷：單元聯鎖關斷。由單元故障引起的關斷，該級關斷僅關斷故障單元，其它系統不受影響。
　　（3）火氣監控系統（F&G）
　　火氣監控系統（F&G）由現場探測設備和中控室火氣控制柜組成,現場火氣探測設備探測到可燃氣體泄漏或火災時，發出信號給火氣監控系統，以聲光形式報警，提示操作人員確認火情，啟動全廠報警和消防系統，完成有關的緊急關斷。
　　2. 井組平臺遠程控制站（簡稱RTU）
　　CB30A中心平臺所屬井組平臺為：已建的CB302、CB303單井平臺，新建CB30B、CB306井組平臺，二期工程待建的CB30C井組平臺、CB305井組平臺和CB301單井平臺，以及充分考慮將來的擴建，擴展容量預計達20座井組平臺。井組平臺由遠程控制站完成采油平臺的數據采集、處理、判斷、控制、關斷, 并將數據通過光纜信道傳往CB30A中心平臺SCADA系統, 同時接收CB30A中心平臺SCADA系統發來的控制命令, 實現井組平臺的遙測遙控。
　　3. 工業數字電視監視系統
　　CB30A中心平臺和所屬井組平臺工藝裝置區、井口及無人值班的操作間和設備間設置工業數字電視監視系統。
　　 4. 數據通信系統
　　CB30A中心平臺和所屬井組平臺采用主、備數據通信方案，主、備數據通信自動切換，主數據通信采用8芯海底光纜（光纜與動力電纜在同一根電纜內），備數據通信采用數傳電臺。其中，單井平臺僅采用數傳電臺數據通信。海底光纜完成SCADA系統冗余主數據通信、工業數字電視監視系統冗余主數據通信、電力自動化冗余主數據通信。
　　5. I/O數據表
　　（1） CB30A中心平臺PCS系統I/O數據表

　　（2） CB30A中心平臺ESD系統I/O數據表

　　（3）井組平臺RTU I/O數據表

　　三. SCADA系統基本配置
　　1. 調度控制中心
　　SCADA系統的調度控制中心安裝在CB30A中心平臺中心控制室（CCR），調度控制中心包括一套完整的帶有標準的（非用戶設計的）硬件與軟件的計算機系統，詳見SCADA系統配置圖附圖一。主要包括：
　　　　2臺操作員工作站（雙CRT）
　　　　1臺PLC的遠程維護及故障處理站
　　　　1臺工程師站（帶1臺A4彩色激光打印機）
　　　　1臺針式寬行打印機（打印報警及事件）和1臺A3激光打印機（打印報告及報表）
　　　　2臺互為冗余的SCADA系統服務器及磁盤陣列系統；
　　　　一部大屏幕投影儀（2mX2m），通訊采用局域網。
　　上述的這些操作站、服務器及投影儀作為該局域網的節點，并通過工程師站（或具有工程師站功能的操作站）進行組態。調度控制中心還包括必要的接口硬件、軟件及通訊協議。SCADA系統的通訊協議應是基于TCP/IP的工業以太網協議，如DNP 3.0、IEC 60870-5等。
　　2. CB30A中心平臺PCS系統
　　PCS系統安裝在CB30A中心平臺中心控制室（CCR），主要包括：
　　　　2臺操作員工作站，其中一臺兼用作工程師站,用于系統組態,互為熱備用。進行畫面顯示、數據處理、報警、數據歸檔及操作控制。
　　　　PCS機柜（包括端子柜）由賣方根據系統的規模合理配置，并在報價中給出機柜的數量和規格。PCS系統控制網絡1：1冗余，PCB30ACS系統的控制器處理模塊、電源模塊、通訊模塊考慮1：1冗余，配置各PLC通訊接口模塊，I/0模塊的配置依據PCS系統I/O數據表。

　　3. CB30A中心平臺ESD系統
　　緊急關斷系統采用冗余、容錯的控制器，安全級別達TUV3-4級，確保緊急情況下關斷系統實現關斷，緊急關斷系統的信號通過數據通訊在PCS操作站上顯示。
　　4. CB30A中心平臺所屬井組平臺RTU
　　井組平臺RTU控制器處理模塊、電源模塊、通訊模塊考慮1：1冗余。緊急停車及安全聯鎖系統（ESD&SIS）由RTU內相對獨立的特定卡件完成，與ESD有關的I/O點通道冗余，卡件冗余。
　　5. 工業數字電視監視系統
　　1）CB30A中心平臺工業數字電視監視系統配置數字視頻服務器、畫面處理器、離線存儲器、21“彩色監視器.
　　2）CB30A中心平臺和所屬井組平臺工藝裝置區、井口及無人值班的操作間和設備間設置數字攝象機具體參見下表：

　　四. SCADA系統基本功能
　　1. 調度控制中心功能
　　SCADA系統調度控制中心完成以下功能：
　　　　SCADA系統服務器將持續掃描所有的井組平臺RTU的數據、狀態、報警信息，檢查數據的有效性，并更新SCADA系統數據庫。
　　　　SCADA系統調度控制中心完成對CB30A中心平臺有關信息傳送、接受和下達的執行命令。
　　　　SCADA系統調度控制中心完成對埕島油田陸地中心站有關信息傳送、接受和下達的執行命令。
　　　　提供最新的報警狀態及可選擇的數天的歷史報警記錄。
　　　　生成小時及日報表包括：當前報警狀態、當前設備狀態、井口壓力及溫度、單井原油計量。
　　　　生成用戶報表。
　　　　所有井組平臺數據的實時及歷史趨勢，包括系統壓力、溫度、流量、閥狀態、計算值等。
　　　　SCADA系統服務器數據庫應為各操作站提供持續的數據獲取服務。
　　　　所有的操作站均應配置相同的硬件及操作系統軟件。
　　　　所有的操作站均應有運行任何一種應用軟件的能力。
　　　　調度控制中心應具有0.9999的系統可靠性。
　　　　合適的冗余能力。
　　　　CB30A中心平臺所屬井組平臺油井啟、停控制功能。
　　　　緊急關斷指令下達；及時關斷所屬井組平臺油井、安全閥、海管進出口關斷閥等。
　　　　提供中文人機對話的窗口，可實現交接班日志的綜合管理及生產指令發布的聯機綜合管理。
　　　　漢化功能。包括畫面、報警提示、命令條、數據、報表等。

　　2. CB30A中心平臺站控系統的功能
　　站控制系統除完成對CB30A中心平臺的監視控制及生產管理任務外，還作為將來SCADA系統的現場控制單元，負責將有關信息傳送給調度控制中心并接受和執行其下達的命令。其主要功能（不限于此）：
　　　　對現場的工藝變量進行數據采集和處理；
　　　　對發電機及電力設備相關變量的監控
　　　　壓力、流量控制
　　　　流量計量
　　　　中心平臺可燃氣體的監視和報警；
　　　　火災系統的監視和報警
　　　　邏輯控制
　　　　連鎖保護
　　　　顯示動態工藝流程
　　　　顯示各種工藝參數和其他有關參數；
　　　　顯示報警一覽表
　　　　顯示實時趨勢曲線和歷史曲線
　　　　打印報警和事件報告
　　　　打印生產報表
　　　　數據通信管理
　　3. CB30A中心平臺井組平臺RTU的功能
　　井組平臺RTU除完成對井組平臺的測量和控制外，還作為將來SCADA系統的現場控制單元，負責將有關信息傳送給調度控制中心并接受和執行其下達的命令。其主要功能（不限于此）：
　　對現場的工藝變量進行數據采集和處理；
　　對電力設備相關變量的監控
　　流量計量
　　可燃氣體的監視和報警；
　　火災系統的監視和報警
　　邏輯控制
　　連鎖保護
　　緊急關斷控制
　　五. 基于全集成自動化思想的新一代過程控制系統PCS7
　　隨著工業自動化過程控制理論和計算機技術的迅猛發展，以及對工業自動化過程控制系統的可靠性、復雜性、功能的完善性、系統的可維護性、人機界面的友好性、數據的可分析可管理性等各個方面都提出了愈來愈高的要求, 同時也為工業自動化過程控制系統的發展指明了方向:
　　系統之間的橫向數據交換日益增加
　　系統與管理層和現場儀表級的數據交換日益增加
　　現場總線的應用越來越廣泛
　　廠商的產品日益開放，通過OPC、SQL等技術使得不同系統之間的準確、高速、大量的數據交換得以實現
　　全集成，一體化的解決方案
　　因此，傳統的DCS系統已經不能滿足90年代自動化過程控制系統的設計標準和要求，SIMATIC PCS7過程控制系統就是在這種形勢下開發的新一代過程控制系統，它是一個全集成的、結構完整、功能完善、面向整個生產過程的過程控制系統。
　　SIMATIC PCS7是西門子公司結合最先進的計算機軟、硬件技術，在西門子公司S5，S7系列可編程控制器及TELEPERM系列集散系統的基礎上，面向所有過程控制應用場合的先進過程控制系統。
　　SIMATIC PCS7采用優秀的上位機軟件WinCC作為操作和監控的人機界面，利用開放的現場總線和工業以太網實現現場信息采集和系統通訊，采用S7自動化系統作為現場控制單元實現過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現場傳感檢測信號。
　　SIMATIC PCS7是基于全集成自動化思想的系統，其集成的核心是統一的過程數據庫和唯一的數據庫管理軟件，所有的系統信息都存儲于一個數據庫中而且只需輸入一次，這樣就大大增強了系統的整體性和信息的準確性。
　　SIMATIC PCS7的通訊系統采用的是工業以太網和PROFIBUS現場總線。工業以太網用于系統站之間的數據通訊， SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現場設備庫，提供連續控制、順序控制及高級編程語言。現場設備庫提供大量的常用的現場設備信息及功能塊，可大大簡化組態工作，縮短工程周期。SIMATIC PCS7具有ODBC、OLE等標準接口，并且應用以太網、PROFIBUS現場總線等開放網絡，從而具有很強的開放性，可以很容易地連接上位機管理系統和其它廠廠商的控制系統。
　　全集成自動化系統控制網絡總圖操作員站和服務器采用客戶機/服務器結構，客戶機與服務器之間通過100MHz以太網通訊。服務器與AS417H自動化系統的CPU之間采用光纜介質連接，通過100MHz的工業以太網來交換數據.
　　PCS7系統的工程師站同時掛在兩個網絡上，即連接客戶機/服務器的100MHz以太網和連接自動化系統的CPU的100MHz工業以太網。工程師站可以完成控制畫面和控制策略的組態。
AS417H自動化系統與遠程I/O子站的通訊采用PROFIBUS-DP。AS417H通過PROFIBUS-DP的專用雙絞線直接與遠程I/O子站相連接。其它AS417H將通過冗余的光纜和冗余的接口模塊與各自的遠程I/O子站進行通訊，滿足分散控制系統技術規范書中(1.5工廠及裝置簡況)提出的要求。
　　六.生產實時系統
　　生產實時系統采用WinCC MULTI-CLIENT方式，主服務器作為WinCC CLIENT 并作為WEB SERVER，與辦公室標準以太網相連。網絡通訊協議采用TCP/IP。在工程師站上進行工藝操作畫面、報警畫面、歷史趨勢、報表等功能的組態（這些都是WINCC的基本功能），然后在SERVER和CLIENT上運行組態的項目。由于實時系統的工位號容量為2000個，所以選用64K點的WINCC運行系統。
　　WinCC SERVER完成與DCS之間的數據交換。服務器位于各DCS控制室，由局域網相連，通過WINDOWS共享機制實現數據共享。為了與WINCC CLIENT通訊, WINCC SERVER端運行于WINDOWS NT4.0 SERVER或WINDOWS 2000 SERVER操作系統,并安裝WinCC 和 WinCC SERVER選件軟件包。WINCC SERVER向WINCC CLIENT提供數據。每臺SERVER 最多可以帶 16臺CLIENT站，在本系統中，連接5臺WINCC CLIENT。
　　WinCC Web Navigator選件包：
　　WinCC可選軟件包Web Navigator使用戶可以通過Internet、LAN或公司局域網瀏覽或操作 WinCC過程畫面。根據系統需要，設置可以通過WEB瀏覽生產過程畫面的用戶，并分配不同的權限，以進一步提高安全性。
　　軟件配置：
　　1. Server端：WinCC V6+Web Navigator Server
　　2. Client端：IE+Web Navigator Clien
　　七. 項目中的難點:
　　1. CB30A中心平臺: 泵,閥的時間聯鎖控制關系.倒泵計量程序控制.
　　2. 緊急關斷系統（ESD）:S7400FH故障安全系統的軟硬件調試.
　　3. 遠程井組平臺控制器S7300H軟冗余程序的調試,投運.遠程無線通訊調試.
　　不過,SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現場設備庫，提供連續控制、順序控制及高級編程語言SCL。SCL是一種類PASCAL的高級語言，它采用IEC－1131的標準。利用SCL可以很方便地編制用戶功能塊。用SCL生成的功能塊可在CFC中被多次調用。用戶可以把過程的數學模型和優化控制策略用SCL編成功能塊，直接下載到控制器中運行。這樣，可以把過程的優化控制放在控制器中，全面實現對工藝過程的優化控制。如能熟練使用連續控制、順序控制及高級編程語言SCL就可大大簡化組態工作，縮短工程周期。許多工藝控制上的難點就會迎刃而解.
　　八. 結束語
　　系統的投入時間:2004/11/20
　　運行情況:良好.
　　九.應用體會
　　項進行當中，使用西門子自動化產品的體會:
　　1. 具有過程控制系統的所有特性和功能,過程控制簡單而安全、方便信息網絡和現場總線及儀表的集成，設計模塊化，系統的擴展性強.
　　2. 現場總線技術,大量節省了電纜的費用，也相應節省了施工調試以及系統投運后的維護時間和費用.
　　3. SIMATIC PCS7采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現場設備庫，提供連續控制、順序控制及高級編程語言。現場設備庫提供大量的常用的現場設備信息及功能塊，可大大簡化組態工作, 縮短工程周期.
　　4. SIMATIC PCS7具有ODBC、DDE、OPC、OLE等標準接口，并且應用以太網、PROFIBUS現場總線等開放網絡，從而具有很強的開放性，可以很容易地連接上位機管理系統和其它廠廠商的控制系統。
　　5. S7400FH故障安全系統是第一次在中國應用,其軟件編程和硬件的接線調試方式都有別于S7400H系統,約束條件較多,故障安全理念比較復雜.但真正了解后,系統的安全和穩定性還是很不錯的.
　　6. S7-300軟冗余系統在七個遠程無人職守油井平臺得到應用,此系統剛調試階段,很不穩定,但了解和掌握其規律后,系統運行一年多非常穩定.
　　7. 西門子的網絡系統非常穩定強大,特別是在中心平臺通過無線網絡系統對遠程幾公里外的S7300H系統進行軟件參數修改,調試,下載,非常安全,順利.此性能得到用戶的高度贊賞.
　　8. 西門子的Web Navigator功能安裝調試非常簡單方便. 此性能也得到用戶的高度贊賞
　　9. 西門子的Wincc Server-Client結構在對歸檔數據,和歷史趨勢時間同步的實施過程比較復雜,且容易出錯,需要改進.