沈阳采油厂GIS平台建设及管网应用设计方案.docx
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沈阳采油厂GIS平台建设及管网应用设计方案
辽河油田沈阳采油厂
2013年02月18日
第一章方案概述
辽河油田沈阳采油厂位于新民市兴隆堡镇，地质构造属大民屯凹陷，整个凹陷的构造面积为800平方公里，地质储量3亿吨，可开采储量2.4亿吨，油品性质为高凝点、高含蜡、低硫、低胶质的石蜡基原油，原油凝固点最高为67℃，最低为37℃，在常温下即成固态，是国内外开发规模最大、现代化程度最高的高凝油油田。
目前，共有大型联合站5座，轻烃站1座，计量站72座；共有油气水井2147口，其中油井1534口，目前开井919口，日产3370多吨。
本方案主要是针对辽河油田沈阳采油厂采油管理科提出的搭建沈阳采油厂生产GIS平台及基于GIS平台的管网应用课题而编制的。
辽河油田沈阳采油厂管理的作业区、井组、联合站、采油站、管线设备等具有管理结点众多，地点分散等特点，为了确保生产运行安全，将建立一个以油气输配SCADA系统、GIS管网管理系统为主的GIS平台。
此GIS平台将是以计算机网络为核心的分布式控制系统，由它完成对管网的监控。
系统总体运行要求是对油气输配SCADA系统、GIS管网管理系统的功能、软件及硬件要求进行描述。
系统构成主要对系统监控中心、后备中心、作业区、工艺场站的RTU/PLC、软件、通讯系统的建设的具体描述。
信息安全是整个系统安全、稳定运行的保障，如何确保信息安全，该部分进行了详细的叙述。
通过辽河油田沈阳采油厂GIS平台系统，可实现监测各站主要站数据，以及整个沈阳采油厂管网的工艺流程，真正做到企业管理的高度集中化。
图1采油管理调控中心图例
第二章需求分析
2.1采用的技术标准
应参照下列标准和规范（不限于）的最新版本（含修改部分）的要求执行。
如果几种规范和标准适用于同一种情况，则应遵循最为严格的规范。
GB50183原油和天然气工程设计防火规范
GB50251输气管道工程设计规范
GB50058爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范
GB3836.1爆炸性气体环境用电气设备第1部分：
通用要求
GB3836.2爆炸性气体环境用电气设备第2部分：
隔爆型“d”
GB3836.4爆炸性气体环境用电气设备第4部分：
本质安全型“i”
GB4208外壳防护等级的分类
GB2887计算站场地技术条件
GB9361计算站场地安全要求
GB7260不间断电源设备
GB50116火灾自动报警系统设计规范
GB50174电子计算机机房设计规范
GBJ93工业自动化仪表工程施工及验收规范
GBJ131自动化仪表安装工程质量检验评定标准
2.2建设需求
1、SCADA油气输配管理系统
SCADA油气输配管理系统完成现场工艺数据采集，包括压力、温度、流量等，由通讯系统传送到调控中心。
2、GIS油气管网管理系统
GIS油气管网管理系统可以实现油气管网的动态管理，为采油厂油气总体规划、管网管理、事故预防及突发事故的处理等迅速、准确地提供管网的相关数据。
3、UPS系统
保障网络设备、控制设备、服务器供电。
2.3建设原则
系统建设时应坚持以下原则：
1、坚持技术进步与适度超前相结合的原则；
2、坚持现在需要与未来发展需求相结合的原则；
3、坚持行业原则：
稳定性的原则、可靠性原则、高性能原则；
4、拓展性原则、经济型原则、可兼容性原则、可集成性原则；
5、坚持用户至上的原则
第三章设计思想
1．系统先进性
该系统兼顾未来发展的需求，应全部采用国际标准布线及接口预留，设备选型均选用目前市场同类产品中较好、用户群广的设备，功能齐全、拓展极强的设备，保证3-5年内在增加新系统时，对新设备提供信号传输的支持，可随时加入设备、技术，无需再花巨资扩容或建网，保护最初投资。
2．系统的稳定性
该系统应具有良好的稳定性能，整体设备技术成熟，应用广泛，产品应具有相关认证，在使用中能最大程度的满足用户的正常使用、维护、维修、升级。
3．实用、易用性
系统设计应本着安装简单、操作方便的原则设计系统硬件及软件。
4．系统的拓展开放性
系统设计完毕后不需因控制点的增加而重新设计，可以方便的介入其他安全防范设备，如新建站的温度、压力、流量变送器等。
5．系统的兼容性
整个布线系统从设计、安装都要严格按照模块化要求进行，各子系统之间均为模块化连接，各元件均可简单的拔插，使系统的迁移、拓展和重新安装方便。
布线系统接口应采用国际标准，直接满足大多数系统的布线要求。
6．安全性
针对油田属于特殊行业监控，要求所有设备和材料的选择应属于防爆型设备，符合国家制定的相关规定
7．可维修性
该系统应便于诊断故障和更换部件，以缩短故障时间。
预防性维修使故障减少到最低。
8．抗干扰性
该系统应有可靠的抗干扰措施，不受地震及其它系统的电磁干扰，也不对其它系统产生电磁干扰。
所有的电子产品应均满足国家标准规定的电磁兼容性标准。
9．可靠性和安全性原则
系统的技术体系及软硬件成熟可靠，系统设计应充分考虑系统的可靠性和安全性，确保生产和管理安全。
10．经济实用性原则
在保证技术性能的前提下，以最高的性价比实现系统功能，降低总成本。
第四章系统总体设计要求
4.1系统组网拓扑图
4.2系统具体要求
4.2.1油气采集SCADA系统
随着科技水平的发展和采油工艺水平的提高，日常生产中采集到的油气，通过高压力、长距离的长输管线由井输送直至联合站。
SCADA油气输配管理系统是完成对输油管道工况连续稳定的实时监控，目标是保障油气输配安全、稳定进行。
该系统通过现场工艺数据采集，包括压力、温度、流量等，由通讯系统传送到采油管理科，在采油管理科的监控计算机上显示、报警并生成报表。
同时监控计算机可通过VGA数据线将数据传送给大屏幕，将大屏幕作为整套系统的最终显示设备，将SCADA监控系统采集的全部数据和画面，便于了解现场影像和工艺数据，并且大屏幕画面可根据需求进行切换，显示方式灵活。
SCADA油气输配管理系统主要实现安全集输、合理调度、计量和其他系统联网的作用。
1．SCADA系统对安全集输的保障作用
建立SCADA系统，最主要的目的是安全考虑。
首先是解决油气安全输送监控功能。
因为高凝油在输送过程中需要高温高压，所以在输送过程中不可以泄露，这就要求在关键的位置设置压力温度检测传感器，实时监测压力的变化并传送到采油管理科。
2．计量作用
SCADA系统的另一个重要作用是计量作用。
通过在适当的地方安装流量计，计量油气集输进站出站数量变动情况，可进行成本与费用的核算，也可对其他因素引起的油气集输量的变化进行预测。
3．与其它系统的接口作用
SCADA系统提供基础的数据采集，以开放式的数据接口（如ODBC）提供给（GIS）地理信息系统等，实现了SCADA系统数据的再利用，是SCADA系统的另一重要功能。
4.2.1.1SCADA系统结构
SACDA系统的主要功能是支持整个集输管网的操作运行。
整个系统具有三层结构，它包括系统调度中心系统、通信系统和子站系统。
SCADA系统主机对所有井组、采油站、联合站的工艺参数在线实时的监视。
如下图为SCADA系统结构图。
本系统为二级分布式控制系统：
一级：
调控中心为系统的一级调控系统，主要负责沈阳采油厂的油气量管理、预警、数据的处理和监控，并且可对二级调度中心系统的所有数据进行监控。
二级：
井站、作业区、联合站等为二级调度系统，负责现场数据采集和设备控制，并将采集上来重要的数据传送到一级调控中心。
4.2.1.2SCADA系统设计原则
SCADA系统的设计应依据以下原则：
1.运行操作简单，易于维护；
2.系统应具有较高的性能价格比；
3.系统具有强大的人机交互能力；
4.SCADA系统软件应允许其它的应用程序和用户读取其数据库的数据。
在保证数据安全性的前提下，数据能够在SCADA系统和其它系统之间传输和使用；
5.整个系统采用热备冗余方式，当发生故障时，能自动进行无扰动切换，自动对系统的数据进行备份；当故障解除后，能自动切换，并对数据进行同步更新；
6.系统采用的硬件、软件和网络应具有先进技术水平，能满足所处环境和工艺条件，并且经过实践考验证明其安全、实用的产品。
7.系统必须具有高可靠性、稳定性和灵活性，以保证安全可靠运行。
系统能定期对自身进行自诊断并且形成报告，能监视整个系统的工作状态，以便于系统的维护和管理；
8.故障诊断、维修简便，并能在最短的时间内恢复正常运行；系统设计合理，能够通过硬、软件的最小变动，获得更好的可操作性、可维护性、后备保障性能；
9.模块化设计，可为现场设备提供报警和现场关机逻辑系统的功能，以及与之相连的模拟过程控制系统，保护和控制现场设备。
如果因任何原因停止向控制中心传输数据，控制模块应储存相关事件信息数据，并基于最后设定值自动执行设备保护和控制；
10.SCADA系统的硬件和软件的可利用率（可用性）应达到99.99%。
当系统同时须完成打印、编程、画面显示时，实时数据采集系统不能被中断。
系统的硬件和软件的设计及配置应满足上述指标；
11.根据管网今后的发展和功能扩展的需要，各项目应用单位的硬件、软件和网络最少应具有100%的扩展能力，并应允许将来数据库、存储器和通信信道等可扩展。
系统设计必须能够避免冲突，系统应使用安全、可靠地的设备（硬件或软件），购买、使用高兼容性的扩展模块；
4.2.1.3一级SCADA调控系统功能要求
1．对现场工艺变量、全线工艺设备运行状态进行监视
显示整个集输管网、联合站的动态工艺流程，可在流程图上直接查询运行参数信息、运行设备信息等。
2．实时和历史数据趋势图、棒状图和其他显示画面
显示实时和历史数据的趋势图、棒状图等，便于操作人员分析数据的变化。
3．实时事故预测及报警管理功能
通过对监测数据的分析处理，并与正常工况进行比较，可及时发现异常现象及事故，并确定发生地点，在显示屏幕上显示出来，同时发出报警信号，发生事故时，由计算机给出发生地局部区域管网布置的详细情况，准确的判断出事故波及影响的范围和相关的设备，指挥抢修人员迅速处理，将事故影响降低到最小的范围内。
报警主要内容包括：
参数越限报警，硬件设备故障报警，系统自诊断报警，电源故障报警，通信故障报警、网络故障报警等。
4．各种报表生成和打印
系统具有报表生成、报表修改、报表浏览和报表打印等功能。
可按班、日、月、季、年自动生成各类型报表，包括生产报表、运行报表、压力报表、考核报表等等。
报表可嵌入曲线图、棒图、饼图及其它图形，形成图文并茂的图表，表格数据月图形数据源于同一数据源，可更形象地对照使用。
报表文件采用EXCEL格式，可方便的进行交流使用。
5．控制权限及访问权限功能
系统管理员为用户建立账号，分配相应的操作权限，指定相应的工作组。
在进行访问和控制前，用户必须输入用户名和密码，权限符合的用户才可进行操作，否则给予警告提示。
用户对自己的密码可随时更改，以预防非法盗用。
6．冗余备份功能
系统支持多台服务器共同承担SCADA任务，在某一单机（服务器）有故障时，双机热备份系统启动，SCADA系统仍能正常运作，对系统的操作使用没有任何影响，系统不停止运行。
7．能方便的与公司计算机管理网络联网
本系统为标准的以太网，能方便的与总公司计算机管理网络联网运行。
公司与关负责人和相关部门，可根据其权限（由软件限定），对管网运行状况和相关数据进行查询、调用。
4.2.1.4二级SCADA调度系统功能要求
1．对现场数据采集与处理功能
可通过以太网技术对管网中各站实时运行数据（温度、压力、流量等）等进行采集。
2．监控各种工艺设备运行状态、工艺流程及各种参数
显示本站场动态工艺流程，可在流程图上直接查询运行参数信息、运行设备信息等。
3．对供电设备及其相关变量进行监控
供电系统是整个站场运行的关键，需要对其关键设备及关键变量进行监控。
4．站场可燃气体监控和报警
为确保安全，需对站场可燃气体进行重点监控，一旦发生泄露，应由报警界面发出报警警告，并由声光报警器提醒操作人员。
5．显示趋势和历史曲线
显示实时和历史数据的曲线图，便于操作人员分析数据的变化。
6．经通讯接口与第三方的监控系统或智能设备交换信息
系统的通讯接口应符合国际标准，以便与第三方的监控系统或智能设备交换信息。
7．实时事故报警功能
提供全方位的报警功能，可在多种画面中以直观方式通知操作员系统发生异常，不同级别的报警可在所有操作员站上接收，报警没有确认时保持闪烁。
报警主要内容包括：
参数越限报警，硬件设备故障报警，系统自诊断报警，电源故障报警，通信故障报警、网络故障报警等。
8．报表功能
系统具有报表生成、报表修改、报表浏览和报表打印等功能。
可按班、日、月、季、年自动生成各类型报表，包括生产报表、运行报表、压力报表、考核报表等等。
报表可嵌入曲线图、棒图、饼图及其它图形，形成图文并茂的图表，表格数据月图形数据源于同一数据源，可更形象地对照使用。
报表文件采用EXCEL格式，可方便的进行交流使用。
9．控制权限及访问权限功能
系统管理员为用户建立账号，分配相应的操作权限，指定相应的工作组。
在进行访问和控制前，用户必须输入用户名和密码，权限符合的用户才可进行操作，否则给予警告提示。
用户对自己的密码可随时更改，以预防非法盗用。
10．为一级调控中心提供数据
通过网络或其他通讯方式与一级调控中心进行通讯，为其提供数据。
11．系统的可扩充性
系统应留有足够的拓展区。
当需要增加RTU或监测点，只需进行系统组态更改，而不需要编程人员重新设计程序。
系统数据库具有开放的结构，对各种平台再开发具有透明性。
12．系统可维护性
设备出现故障时只需要简单的插入（或移去）备件表中列出的模块/部件替换部件，即可排除故障。
系统硬件和软件应尽可能多的使用“开放系统”，这能增强系统的可维护性，并确保其未来的可拓展性。
4.2.1.5一级监控中心SCADA系统硬件要求及硬件说明
1．硬件要求
1）可靠性要求
（1）备份原则
监控中心设计为全自动冗余系统。
后备中心作为调度控制中心的备份系统。
（2）冗余的一般原则
主计算机系统的结构设计须防止任何个别的软件或硬件故障引起系统丧失某些功能或导致系统误操作，将任何一项系统功能停止运行（包括系统性能降低）的可能性降至最低。
主计算机系统结构的特性包括：
—单个部件或设备的故障不能使所有控制终端失效，任何一个控制终端发生故障均不能影响其它任何控制终端的正常运行。
—通信设备和其它的外设应分开供电。
—报表/事件打印设备互为备份。
当没有备用设备时，打印输出任务在磁盘缓冲区内存储直到设备可用为止。
2）可维护性要求
设备的易维护性是主要的设计目标之一。
设备出现故障时，只需更换备件表中列出的即插即用（或易于拆装）模块/部件替换故障部件即可排除故障。
该系统尽最大可能使用标准的“开放系统”。
以增强系统的可维护性，并确保其未来的可扩展性。
3）可扩展性要求
（1）计算机系统
为了保证业主在计算机系统上完成其它功能，计算机系统中的内存和海量存储器空间必须具有足够的余量和可扩充能力。
（2）通信接口
为了适应未来的通信需求，对于门站的每个计算机系统，业主将安装附加的通信设备。
因此，通信接口控制器支持：
—对将来的扩展，有关软件只需改变参数，而不需重新编程。
—所有供场站使用的未来的通信信道的寻址能力。
—对于将来有可能增加的有关通信设备，预留机柜空间和供电能力。
（3）运行稳定性要求
所有的数字设备包括电源设计要求：
按照本说明书规定的性能，至少应连续运行12个月而无须手动调整或维修。
所有的AD和DA转换设备应至少连续运行12个月而无须手动校准或维护。
2．硬件说明
1）服务器
（1）实时数据服务器
实时数据服务器负责处理、存储、管理从站场采集传送来的实时数据，并为网络中的其它服务器和工作站提供实时数据。
实时数据存放在案实时数据库中，实时数据服务器中运行通信管理软件，完成与各站场的通信连接、协议转换、网络管理等任务。
（2）历史数据服务器
历史数据服务器主要完成历史数据的存储、管理，并为网络中的其它服务器和工作站提供数据服务。
能自动恢复通信中断期间的数据。
服务器运行标准数据库软件（如Oracle、SQLSever等），提供开放软件接口和标准物理接口。
（3）模拟仿真服务器
模拟仿真服务器基于实时数据库提供的管网运行参数，负责管网的模拟、运行工况仿真、事故工况的处理、需求与供给的在线分析。
为管网的运行、事故抢修、流量调度管理提供科学依据。
（4）Web服务器
系统将有关信息写入Web服务器，并对其实时更新。
Web服务器在网络中以网站的形式出现，它既为用户提供生产信息，又避免了与系统无直接关系的计算机直接访问系统服务器。
2）工作站
⑴操作员工作站
操作员工作站是调度、操作人员使用的调度中心计算机监控系统的操作平台，它在调度控制中心计算机监控系统中作为客户机，操作员通过它可详细了解管网的运行状况并下达命令，它们通过LAN与服务器互联并交换信息。
⑵工程师工作站
工程师工作站是系统工程师的操作平台。
工程师可通过它们对计算机监控系统的数据库等进行维护和管理；同时还可以对系统进行二次开发，实现其所允许的功能。
⑶培训工作站
培训工作站运行培训软件，通过LAN共享服务器的资源。
3）网络
系统运行的局域网必须支持网络上连接的所有设备的数据交换。
应满足实时、多任务、多参数的要求。
采用标准的开放型局域网结构，按冗余设置；能与上位计算机系统联网并进行数据交换；能兼容异种机型工作；与异种局域网或同类局域网的互联。
局域网采用分布式服务器、总线拓扑结构。
通常网络连接采用交换机，其速率最低为100Mbps，且易于升级。
网上所有设备均可交互访问，支持TCP/IP协议；网络媒介采用5类双绞线或光纤。
4）SCADA系统与外部工作站的接口
SCADA系统的局域网应与企业的局域网连接，同时提供企业局域网的用户通过企业局域网实时访问系统遥测数据的功能。
企业局域网用户对系统数据的访问不应有用户许可证的限制，企业局域网访问系统数据的工作站数量也应没有用户许可证的限制。
SCADA系统也应提供远程工作站（便携计算机、掌上电脑等）通过PSTN、INTERNET、GSM/GPRS/CDMA等方式接入系统实时访问遥测数据的功能。
远程访问工作站的数量也应没有用户许可证的限制。
系统应有管理远程工作站访问的安全、权限机制。
4.2.1.6二级调度中心SCADA系统硬件要求及硬件说明
1．硬件要求
设备的选型以技术先进、性能稳定、可靠性高、性能价格比高、能够满足所需精度要求、能够满足现场工作条件要求等为原则。
设备的选型应尽量选用相同的系列，规格型号和生产厂商的数量亦应尽量地少。
在PLC、RTU的选择上优先选用国际知名品牌，如AB、西门子等。
所有电气设备和材料应采用获得“长城”认证或UL认证的产品，且设备和材料上应带有认证机构的标识。
2．硬件说明
1）可编程序逻辑控制器（PLC）
为保证系统的可靠性，PLC的处理器（包括各控制子系统的处理器）应按采用双机热备系统，热备套件必须固化热备切换程序，实现无扰切换。
用户无需编写切换程序，热备系统为硬件切换型。
PLC所选用的的模板应是带电可插拔型模板，且每块模板都应有自诊断功能。
PLC处理器应能接受、处理其它站拷贝来的子程序，并可将本站的一些功能程序移植到需要的站场，以减少重复编程的工作量。
处理器的版本升级应采用FLASH方式，而不用更换处理器。
PLC系统应能够满足所需的热备冗余配置要求。
对硬件的地址分配设置、I/O的量化等应采用组态的方式完成。
热备系统由应由两套配置完全相同的独立CPU单元（即双CPU模块、双电源模块、双通讯模块等）通过热备网络来通讯，其中一台作为控制主机，另一台作为后备机同步扫描。
I/O模块必须采用和CPU对应的同等级、同系列的模块。
PLC的CPU机架与I/O机架之间采用以太网连接，该网络应符合IEC控制网络标准，速率宜不小于10M。
1）处理器模件处理器模块应以32bitCPU为基础，处理能力应相当于Intel586，CPU主频不小于100MHz。
当电源掉电恢复后，处理器应不需人工干预而自动重新启动。
主、从处理器之间切换时间不大于1ms，处理器具有在线编程组态、修改、运行模式下扩展组态。
内存至少为4M（包括附加的内存模块），单个CPUI/O处理能力不低于300个AI/AO点和800个DI/DO点。
存储器应是锂电池支持的CMOS（存储时间不少于六个月）或不易失效的其它类型的存储器。
存储器应可用软件将其分区,分别用于存储控制程序和数据表。
存储器应备有相当余量，其扩展应是模块化的，不用更换原设备和变动程序。
PLC处理器的处理能力应有40%以上的余量。
具有至少存储24h数据（带时间标签）的能力。
2）I/O模件
PLC的输入模件和输出模件应有故障自诊断功能，且应具有抗电浪涌保护功能。
I/O模件应是多通道的，但通道数量不应大于下列要求：
—模拟输入模件8通道；
—模拟输出模件8通道；
—数字量输入模件16通道；
—数字量输出模件16通道；
—热电阻输入模件6通道；
—通信模件只用其中1个通信口。
（1）模拟输入模件
模/数转换器最少为14位,共模抑制比大于80dB,输入相互隔离。
模拟量输入模板上应有报警限位设定。
供给现场两线制变送器24VDC电源由PLC系统提供。
输入信号4～20mADC或1～5VDC可任选，有源输入或无源输入可任选。
（2）模拟输出模件
数/模转换器最少为12位,输出4～20mADC或1～5VDC信号，具有输出隔离，具有短路保护和断路报警等功能。
带负载能力不小于500Ω。
（3）热电阻输入模件
接收现场采用三线制或四线制热电阻信号。
现场采用铂热电阻,分度号：
Pt100。
（4）开关量输入模件
开关量输入模件应采用光电隔离,能承受380V的峰值电压，输入与地隔离。
现场触点为无源型。
所需24VDC电源由PLC系统提供。
（5）开关量输出模件
开关量输出模件的接点容量不小于24VDC、1A，输出应有短路保护且与地隔离。
（6）通信模件应能完成不同通信协议间的转换，该模件具有与第三方智能设备通信的能力，最少应能支持BASIC或C语言编程。
通信接口应是RS-232或RS-485串行通信接口，通信速度可在1200～19200bit/s之间任选，通信协议为ModbusRTU。
（6）网络
PLC的CPU机架与PLC的I/O机架之间采用网络连接，该网络应符合IEC控制网络标准，其速率宜大于2Mbps。
3）安装附件
用于安装可编程序逻辑控制器,包括输入/输出模件等设备的全部安装附件、机柜（架）、内部连接电缆（线）、与现场信号连接的端子排等,安装附件按20%的余量设计。
与现场连接用于增加接点容量的中间继电器（需要时）包括在本合同之内。
系统所需的按钮、转换开关、指示/报警灯、报警铃等包括在本合同之内。
4）电源
供电电源220VAC，50HZ，所有机架采用冗余电源模块，2块冗余电源，安装在两个槽位，其中一个损坏时，可以不中断运行，在线更换。
PLC系统向现场二线制仪表回路、无源触点以及继电
升级会员 