摘要：川東地區大部分氣田目前已處于中、后期開采階段，氣田生產工藝已進行了相應的優化簡化，采用了中心站生產管理模式，針對原SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制)系統存在的不適應性，提出了相應的配套優化改造措施：①調整數據傳輸網絡結構；②升級改造數據傳輸電路；③取消單井站自控系統的過剩功能；④調整自控系統的數據傳輸流向，將中心站所管轄的單井站生產數據傳輸到中心站；⑤單井站推廣使用太陽能自動化控制系統；⑥更換設備陳舊、故障率較高的站控系統，刪除已建作業區區域控制中心(RCC)和站控(SCS)無用的報警點和事件觸發點；⑦升級改造調度控制中心(DCC)的硬件和軟件；⑧換代升級自控儀表(設備)；⑨在井站增加視頻監控、脈沖電子阻攔網和語音廣播系統等。改造效果分析結果表明：優化改造后的SCADA系統能滿足該區站點分散、長期平穩和連續遠程監控的生產工藝需求；采用PID控制回路和聯鎖控制回路滿足了各種復雜天然氣生產工藝自動化控制的需要；確保了生產數據采集的高效性和準確性，提高了工作效率；在天然氣生產運行環節中發揮了監控、預警等重要作用；實現了關鍵控制設備就地或遠程控制功能，確保了天然氣生產的安全平穩運行。
關鍵詞：四川盆地東部；天然氣生產；SCADA系統；生產過程自動化；遠程監制；數據采集；優化；效果
1 川東地區SCADA系統簡介
中國石油西南油氣田公司重慶氣礦(以下簡稱重慶氣礦)是川東地區天然氣主要生產單位，年產天然氣70×108m3。川東地區建有兩套生產過程自動化控制系統(SCADA)：大天池構造帶SCADA系統和重慶輸氣管網SCADA系統。大天池SCADA系統建于1997年，2000年投入運行。重慶輸氣管網SCADA系統從2002年進入安裝調試階段，2003年投入運行。大天池SCADA系統監控大天池構造帶(位于重慶開縣、梁平縣、墊江縣和長壽區內)的單井、集氣站、輸氣站和脫水站的天然氣生產。重慶輸氣管網SCADA系統監控重慶地區及部分四川地區輸氣干網及主要集輸氣站的生產運行。目前對這兩個SCADA系統進行了整合，形成了川東地區天然氣生產過程自動化控制系統——川東地區天然氣生產SCADA系統。
1.1 大天池構造帶SCADA系統天然氣生產工藝特點
大天池構造帶實行滾動開發模式，無獨立輸送高含硫天然氣管線。大天池構造帶SCADA系統監控沙坪場氣田、龍門氣田和五百梯氣田等氣田天然氣生產(主要監控氣田內部天然氣生產)，其特點是點多面廣，站場管網復雜，天然氣生產工藝主要有采氣、輸氣、增壓和脫水等[1]。
1.2 重慶輸氣管網SCADA系統天然氣生產工藝特點
重慶輸氣管網SCADA系統監控了重慶氣礦的主要集輸氣管網(含原料氣管線和凈化氣供氣管線)及相關場站，監控的場站為大型集輸氣站，工藝流程復雜，輸氣量大(最高輸氣量達2000×104m3/d，最低輸氣量為1500×104m3/d，平均輸氣量為1800×104m3/d)。輸氣干線實現原料氣和凈化氣的輸送，具備向天然氣脫硫廠、重慶市的一市五縣(區)以及四川省的一市三縣天然氣用戶調壓分輸的能力。
2 川東地區SC舡)A系統的配套優化改造
川東地區大部分氣田目前處于中、后期開采階段，氣田生產工藝已進行了相應的優化簡化，采用了中心站生產管理模式：①簡化單井生產工藝，單井站采用無人值守方式進行生產管理；②在氣田內部設置中心站，中心站實現無人值守方式進行生產管理，中心站人員收集所管轄單井的生產數據并進行周期巡檢；③中心站向作業區上傳生產數據并接受作業區調度室的生產調度指令；④作業區調度室向氣礦上傳生產數據并接受氣礦調度控制中心的生產調度指令。
2.1 SCADA系統數據傳輸系統的調整改造
2.1.1數據傳輸網絡的結構調整
目前隨著重慶氣礦簡化地面工藝、優化管理模式工作的開展，逐步完善了氣礦的管理體制，實現了氣礦、運銷部(或作業區)和中心站(或重點輸配氣站)三級業務管理，為了滿足氣礦生產管理的需要，需要將重點管網、重點場站、關鍵閥門實時生產數據傳輸至作業區區域控制中心(RCC)、氣礦調度控制中心(DCC)及分公司總控中心(GMC)。
川東地區SCADA系統的數據傳輸流向存在2種模式：①無人值守站等站場RTU(Remote Terminal Unit，遠程終端設備)自控系統將生產數據傳輸到中心站站控系統(SCS)，SCS將生產數據直接上傳至DCC并接收其指令，DCC通過信息系統網絡將生產數據發布到各作業區調度室[2]。②RTU將生產數據傳輸到SCS并接收其指令，SCS將生產數據傳至RCC并接收其指令，再上傳至DCC。
上述2種數據傳輸流向模式的存在，造成了川東地區SCADA系統操作維護的不便，使得控制管理無法統一模式，作業區無法對其監管的井站進行控制，不利于在事故情況下及時實現管理控制。重慶氣礦目前的生產管理模式為井站生產均由作業區直接監控和管理，而川東地區已建SCADA系統的數據流向主要都到RCC，因此模式①不滿足三級業務管理的需要，需要調整。為了確保氣田的安全生產，保證發生事故時SCADA系統能及時響應，減少事故的危害，重慶氣礦的數據傳輸模式全部統一為模式②。
2.1.2數據傳輸電路的升級改造
2.1.2.1 大天池氣田數據傳輸系統優化改造
重慶氣礦五百梯氣田、龍門氣田和沙坪氣田1999年建成窄帶無線數傳電臺，工作頻段為200MHz，傳輸速率為4800bps，為點對多點通信系統，主要采用異頻轉發和輪詢的通信方式。該系統數據傳輸速率慢、穩定性差，技術已經落后，廠家已停止生產此類型設備，而微波通信系統由于技術落后、設備嚴重老化和故障已報廢停止使用。為此，提出以下數據傳輸系統的升級改造技術措施。
1) 租用電信部門DDN(Digital Data Network，數字數據網)電路將SCS數據傳輸至相應的RCC，再由RCC租用2M公網數據傳輸電路與DCC連接。
2) 在大天池3個主力氣田(五百梯氣田、龍門氣田和沙坪氣田)分別采用工業以太網設備建立光纖通信網作為RTU與SCS數據傳輸的主通道。
3) 將RTU電臺升級為數字式無線數傳電臺作為備用數據傳輸通道。
改造后的大天池構造帶SCADA系統數據傳輸網絡圖如圖1所示。
2.1.2.2 重慶輸氣管網SCADA系統數據傳輸系統的優化改造
1) 將重慶輸氣管網SCADA系統數據傳輸主通道由VSAT(Very Small Aperture Terminal，甚小口徑衛星終端站)衛星數據傳輸電路調整為公網DDN電路。
2) GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線服務)數據傳輸效果好的地方采用GPRS數據傳輸作為SCADA系統的備用數據傳輸通道。
3) 對于新納入到重慶輸氣管網SCADA系統進行監控的站場(如地處偏遠且公網難以到達的重要站場)采用VSAT衛星系統數據傳輸電路作為重慶輸氣管網SCADA系統數據傳輸主通道，GPRS數據傳輸作為SCADA系統備用數據傳輸通道。重慶氣礦VSAT衛星通信系統網絡圖如圖2所示。
2.2 單井站自控系統的優化改造
2.2.1取消單井站自控系統的過剩功能
1) 由于單井站壓力下降，不可能出現超壓情況，需要將單井流量、壓力、溫度串級PID(Proportion Integration Differentiation，比例積分微分)調節回路改為單井流量PID調節回路。這樣一方面需要調整流量調節閥的參數，另一方面需要修改控制程序。
2) 單井生產實施降阻改造，不需要使用水套爐來保溫，因此自動化控制程序取消了水套爐水溫及熄火保護聯鎖。
3) 優化井口安全截斷系統功能。有些氣井井口壓力已經低于天然氣外輸壓，需取消井口安全截斷系統的高導功能，同時增加氣井中壓力超高聯鎖控制回路，一旦氣井壓力超過設定壓力，直接由RTU發出關井命令，提升氣井抗風險能力。
2.2.2調整數據傳輸流向，將中心站所管轄的單井站數據傳輸到中心站
這需要進行以下調整：①設置SCS；②修改單井數據接口傳輸程序；③增加網絡設備，調整網絡結構。
2.2.3單井站推廣使用太陽能自動化控制系統
無市電供應的井站采用太陽能供電的無線數據遠控采集系統來完成數據的采集和控制。太陽能自動化控制系統由數據采集、協議轉換、數據傳輸及電源控制4大功能模塊組成，是整個無線數據傳輸系統的核心單元。這要求RTU的功耗較低，以適應沒有外接電源的環境條件。
2.3 RCC和SCS的優化改造
部分井站控制系統使用時間較長，設備出現故障的頻率增加；部分新建的中心站尚沒有設置控制系統，對生產數據無法進行自動采集和傳輸。根據重慶氣礦采用的數據流向模式，結合生產管理模式，按照簡化站場地面工藝、優化管理工作的要求，對重慶氣礦的RCC和SCS進行以下優化改造：
1) 在新建中心站設置站控系統，使其具有數據采集上傳功能，將其納入RCC監控范圍，使其具有對重要中心站遠程控制的能力。
2) 更換設備陳舊、故障率較高的站控系統；對關鍵網絡設備進行升級換代，提高網絡設備性能；部分設備采用軟件冗余和硬件冗余相結合的方式提高整個系統的可靠性。
3) 刪除已建RCC和SCS無用的報警點和事件觸發點。
優化改造后的重慶氣礦RCC系統配置圖如圖3所示。
2.4 DCC硬件、軟件的升級改造
2.4.1原DCC的不適應性分析
1) DCC系統僅能對部分井、站場進行綜合調度管理，其他已建或在建的多個站控系統尚未接入SCADA進行實時數據采集監控，未實現重慶氣礦生產數據的統一監管，管理機構扁平化建立的大部分中心站也未納入系統管理，不能滿足氣礦目前的生產管理需求。
2) DCC系統歷史數據庫數據不夠完整，不能形成歷史數據趨勢圖，對歷史數據的查詢也較困難，且系統報警等級的劃分不明確，DCC數據報警設置需要完善。
3) DCC系統從2003年投入運行以來，已不間斷連續運行多年，系統設備逐漸老化，接近報廢年限，硬件出現故障的頻率增多，且系統現使用的主要硬件設備(主服務器)供應商HP公司已于2007年4月停產該型號服務器，零部件只支持到2009年底。
4) DCC的操作員控制軟件基于TRU 64 UNIX操作系統，操作界面不友好，操作復雜，圖形修改、更新困難，必須依賴操作系統的廠家完成，在降低工作效率的同時，加大了維護難度，不便于系統的擴展應用。
5) DCC系統硬件的處理能力、存儲能力等難以滿足新井站數據納入的需要，將對SCADA系統的運行監控造成一定影響，成為系統運行的瓶頸。
2.4.2 DCC的優化改造
1) 對DCC系統的軟件、硬件進行全面升級改造，配置目前世界上主流的硬件設備及技術先進、通用易維護的國際知名品牌軟件，增補必要的硬件設備，提高系統容量和處理、存儲能力，加強系統的可靠性和穩定性。
2) 提高DCC系統的開放性，使其能方便地接入新增站場的生產數據、完成編程組態以及畫面的制作。
3) 優化SCADA系統功能，改善HMI(Human Machine Interface，也叫人機界面)畫面，改進系統報警管理，方便歷史數據的調用，完善趨勢圖的顯示。
4) 在SCADA系統與其他應用系統之間建立中間共享數據平臺，在確保SCADA系統安全、穩定運行的條件下，實現單向、實時、完整提供生產數據。
5) 加強SCADA系統網絡安全的建設，提高系統的安全性和可靠性，提高系統防病毒能力，確保系統能安全、穩定、不間斷地運行。
優化改造后的重慶氣礦DCC系統配置圖如圖4所示。
2.5 自控儀表(設備)的升級換代
川東地區SCADA系統(特別是大天池SCADA系統)自控儀表(設備)有的投用時間超過10年，已經嚴重老化；有的精度較低(速度較慢)；有的在使用過程中已經損壞，降低了各種控制回路(連鎖回路)的使用效果，直接影響了安全生產。為此，采用以下2種方法對自控儀表(設備)進行改進。
1) 對隔離器、液位計、流量計、開關電源、報警音響、壓力(差壓)變送器、鉑熱電阻、火焰檢測儀和計算機等精度較低的自控儀表(設備)進行成套升級換代，提高設備精度。
2) 對電(氣)動執行機構、自控閥門、安全檢測設備(可燃性氣體檢測儀、H2S氣體檢測儀)、井口安全系統、點火裝置和UPS(Uninterruptible Power System，不間斷電源系統)等進行維護，更換無法修復或使用到期的零部件。
2.6 站場增加視頻監控、脈沖電子阻攔網和語音廣播系統
井站設置攝像機并配備異常入侵報警控制器和聲光報警器，異常情況發生時，系統能觸發攝像機攝像或拍照，同時發出聲光報警并驅動站內設置的高音喇叭。中心站人員也可以直接向管轄井站進行語音廣播，如通過講話警示非法人員闖入等。這樣就大大方便了中心站對所管轄站場的生產管理。
3 川東地區SCADA系統優化改造效果分析
川東地區SCADA系統優化改造后在重慶氣礦天然氣生產各個環節發揮了巨大的作用，較好地實現了對重慶氣礦站場的數據采集、生產過程的實時監控等，確保了重慶氣礦天然氣的安全、平穩生產。
3.1 滿足了重慶氣礦站點分散、需要長期平穩和連續的遠程監控的生產工藝需求
重慶氣礦產氣區域廣，井站分散且數量多，管網復雜。優化改造后的SCADA系統采用分散控制和集中管理的方式實現了對生產過程自動化的遠程監視、控制和數據采集。自動化監控系統網絡覆蓋了梁平、開縣等11個作業區(運銷部)，DCC監控著116座井、站的生產運行狀況，生產數據采集點約為19000個，DCC和RCC對脫水站、增壓站、自動化集輸配氣站和自控單井站的壓力、溫度、液位和閥位等生產信息實現了遠程監視，對關鍵閥門實現了遠程控制。
3.2 在天然氣生產運行環節中發揮了監控、預警等重要作用
SCADA系統在線采集實時生產數據，能模擬工藝流程圖，具有報警、歷史生產數據存儲、生產趨勢分析和生產報表自動生成等功能，有助于生產管理人員及時掌握生產動態、發現并處理現場生產異常情況。
3.3 確保了生產數據采集的高效性和準確性，提高了工作效率
與人工錄取生產數據相比，SCADA系統錄取生產數據的準確性、連續性和及時性都得到很大的提高，井站的匯報制度也由過去的每小時匯報制改變為8小時匯報制，減小了人工錄入的工作量[3]。
3.4 采用了PID控制回路和聯鎖控制回路，滿足各種復雜天然氣生產工藝自動化控制的需要
每套國產脫水裝置采用了6個PID控制回路，4個聯鎖控制回路，每套整體式增壓裝置采用了17個連鎖控制回路。
3.5 實現了關鍵控制設備就地或遠程控制功能，確保了天然氣生產安全平穩運行
安裝了先進的井口安全截斷系統，實現了就地或遠程關井功能；采用87只電(氣)動控制閥門完成了進(出)站天然氣的壓力和流量等生產參數的控制，實現了場站的緊急截斷功能；采用436只電(氣)動控制閥門完成了工藝裝置、單體設備、管線壓力、溫度和流量等生產過程參數的控制。
4 結論及建議
1) 川東地區SCADA系統適時根據生產管理體制的變化和生產工藝適應性改造情況來進行配套優化改造，適應了天然氣生產新形勢下生產工藝和生產管理的要求，極大地發揮了SCADA系統的強大功能。
2) 建議無市電井站推廣使用太陽能自動化控制系統，輔以視頻監控、脈沖電子阻攔網和語音廣播系統來強化中心站對所轄井站的生產管理，提升天然氣生產管理水平。
3) 建議控制系統部分的自控儀表(設備)從國外進口，其他自控儀表(設備)選用技術成熟的國內配套產品，在滿足功能的情況下減少投資。
參考文獻
[1] 屈彥.大天池SCADA系統運行分析[C]∥中國石油西南油氣田公司重慶氣礦采氣四廠技術交流會論文集.重慶：中國石油西南油氣田公司重慶氣礦，2001.
[2] 李峰，唐勝安.分公司站場數據采集、傳輸與通信標準化[R].成都：中國石油西南油氣田公司，2009.
[3] 冷一奎，屈彥.大天池構造帶SCADA系統的應用及管理[C]∥油氣集輸及處理工藝技術座談會文集.北京：中國石油天然氣股份有限公司，2003.
(本文作者：屈彥 中國石油西南油氣田公司重慶氣礦)
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