供水自動化系統在大港油田的應用
供水自動化系統在大港油田的應用
大港油田供水系統是由水電廠負責管理的。自油田成立以來，它就一直擔負著為油田供水的繁重任務，為油田生產和人民生活做出了十分重要的貢獻。隨著油田的發展,供水規模在不斷地擴大，供水任務也越來越繁重。今天，大港油田供水系統除向油田十幾萬職工及其家屬提供符合標準的生活用水外，還為油田提供絕大部分的工業生產用水。
在1980年水廠建成投產以前，油田供水一直靠單一的地下水源，水站、管網分區分片建設，實行分區供水，互不相連。隨著引灤入港工程的完工、水廠的投入使用及取庫水工程的建成投產，北大港地區供水實現了生活飲用水和生活雜用水（含工業用水）分質供水，原本分散的管網也逐步相連形成兩大供水管網系統。因此，加強水源的統一管理、實現管網的統一調度就顯得十分必要。近幾年來，水電廠先后投資上百萬元，逐步建立起一套適合油田實際發展需要的供水自動化系統，為提高油田的供水管理水平，實現管網的優化調度，達到安全、經濟、連續的供水目標打下了良好的基礎。
以下筆者將根據油田的實際情況對油田的供水自動化系統作一一介紹，希望與同行們探討。
1 概述
早在1969年，在油田的港東地區，就開展了早期的供水自動監測工作。當時采用有線通道，監測單井的電壓、電流，啟停深井泵等。1978年，油田成立以來最大的水源地——南水源供水站投產，當時有水井20口，日產水量2萬方以上，最遠的水井距水站有8公里之遙。為解決水井多、距離遠、深井泵運轉前加水、管理復雜等難題，一套實現數據監測和遙控操作的自動化設備同時啟用，這可算是早期的供水站終端系統的雛形。在此之后的供水站在設計時都將自動檢測作為必須考慮的項目之一。凈水廠的二期改造工程中也包含了水廠自動監控系統的建設。因此，在1996年，供水中心站決定將供水系統中所有的自動化設施和系統進行改造，實現統一管理。這就是現在的大港油田供水自動化系統。
目前,大港油田供水系統有凈水廠1座(濱海水廠），負責處理灤河水和水庫水，處理后的灤河水主要作生活飲用水，處理后的水庫水主要作生活雜用水和工業用水；供水站16座，主要負責轉供灤河水和水庫水以及地下水；水源井135口，分屬不同的供水站，為所屬供水站提供地下冷水或熱水。供水系統的生產管理由供水中心站統一協調，實施優化調度。因此相應地，其供水自動化系統也主要由三部分組成：水電廠供水調度SCADA系統、濱海水廠監控系統、各供水站終端系統。各系統間是通過無線方式進行通訊和數據實時傳遞。
2 水電廠供水調度SCADA系統
水電廠供水調度SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition Systems)系統是大港油田供水自動化系統的中樞部分，負責對下一級子系統（水廠監控系統和各供水站終端系統）的數據信息進行采集、匯總，然后傳送到計算機和大模擬屏上，實現數據的實時微機管理和模擬屏動態顯示。其結構如下圖1所示：
供水調度SCADA系統主要由微機監測和模擬屏兩部分組成。微機監測部分主程序選用美國Wonderware公司的工業控制軟件Intouch 設計，能在Win32 & Win95 & win98等環境下運行，該軟件具有如下特點：
▲ 利用Windows 管理內存,擴大存儲空間,因而使Intouch軟件對被監控的點數(回路數)和最大畫面數均不受限制。
▲ 作圖功能完善，圖形逼真；
▲ 有數據報警、速率報警和偏差報警等多種報警設施及報警畫面提示；
▲ 有實時曲線圖、歷史趨勢曲線等；
▲ 多種用戶數據輸入、查詢、鏈接方式；
▲ 系統擴展方便,組態方式靈活。
目前的主要監測畫面包含有全油田供集水管網圖、濱海水廠及供水站與中控室通訊圖以及各水站站內外流程圖等。一屏顯示一幅畫面，各畫面間可非常方便地切換，而且系統采集的各數據信息能在相應的動態畫面（通過顏色變換、動態旋轉、填充、任意縮放等方式實現）上實時顯示。
監測的數據有：
水廠的主要參數量：進廠流量、原水池液位、澄清池進口流量、虹吸濾池液位及狀態、清水池液位、廢水池及廢水回收池液位、供水壓力、出廠余氯、濁度、出廠流量、壓力、一級提升泵及二級供水泵電機電流及狀態、加藥泵、污水泵電機電流及狀態等。
水站的主要參數量：各種供水壓力、流量（瞬時流量和累計流量）、電機電流、電壓、水罐液位、泵狀態、水井狀態等。
模擬屏通過RS-232通訊口接收上位機傳送過來的實時數據，實現濱海水廠及各供水站供水壓力、流量的實時顯示，135 口水源井開停狀態的顯示等。上位機系統中大屏幕畫面與模擬屏接線圖案一致。屏主體是大港油田供水系統圖，圖形設計與實際工程情況相符合。模擬屏包括1 座水廠和16個供水站，5個排澇站等，分別用不同的標識標記在圖形上，方向標、圖例、日歷、時鐘等齊全，便于觀看。同時根據管網的實際變動情況（如改造、擴建等），可很方便地在屏體上進行修改。
屏上顯示的數據信息有：
水廠的8個主要調度數據量：灤河水源水池、清水池液位，出廠壓力、流量，水庫水進水流量，清水池液位，出廠壓力、流量。
各供水站的4個主要調度數據量：灤河水壓力、流量，水庫水壓力、流量。
各供水站水源井的開、停狀態。井的種類分冷水井和熱水井兩種，在屏上依靠不同顏色的標記塊區分，塊中心的信號燈指示不同顏色顯示水井的不同狀態，其中綠燈表示開、紅燈表示停狀態。
監測畫面和模擬屏上所有的數據信息都是從水廠監控系統和水站終端系統中采集，并經Modem 傳送到供水中心站SCADA系統，同時由上位機將數據又傳送到模擬屏，兩者數據同步。在上位機中還可對模擬屏進行刷新、數據輸入、燈光亮度調節、單井操作、設置修改權限口令等操作。
水電廠供水調度SCADA系統目前可實現的功能有：
1. 數據的實時監測與處理功能。系統能把各檢測參數在相應畫面和報表中顯示出來，并根據需要對數據進行諸如最大值、最小值、平均值、累加值、定時值等的計算處理，并分類進行存儲，接受各種形式的查詢。
2. 圖形處理功能。能根據數據庫繪制實時曲線圖和歷史趨勢曲線圖，
3. 自動報表生成功能。能根據需要按不同的時間周期如日、周、月、年等自動生成各種報表。
4. 歷史檔案數據存儲功能。能通過打印報表、磁盤備份和讀寫光盤等多種方式存儲歷史數據、歷史曲線等。
5. 多方式的通訊功能。能根據需要對系統進行點測、巡測、定時巡測（時間可調）、實時通訊幀監測等。
6. 自動超限報警功能。系統能根據預先設置的報警限值，在實測值超限時發出報警信息，以便及時采取措施。
7. 輸出打印功能。各種查詢信息、圖形曲線、報表等都能在屏幕上顯示和打印機上打印出來。
3 濱海水廠監控系統
濱海水廠監控系統整個油田供水自動化系統所不可缺少的一部分。因為它既是一個獨立的子系統，承擔了濱海水廠內部的監測工作，直接作用于水量分配、水質監測、供水量和水壓調整等重要工藝環節，對運行管理、確保安全、保證水質、降低消耗等方面都具有很大的作用；同時它還負責采集外部相關供水站(含有灤河水、水庫水)的數據，經處理后與廠內有關數據一起送水廠模擬屏實時顯示。其上位機系統還負責向水電廠供水調度SCADA系統傳遞有關信息。
濱海水廠監控系統所選擇的計算機主系統結構比較類似于PLC+IPC組成的集散式控制系統，整個系統由上位機系統和下位機系統組成。
上位機系統由雙機熱備的工業計算機IPC-610、網卡、BM-85E網橋、20"屏幕顯示器、水廠模擬屏等組成。上位機除具備顯示濱海水廠內部各工藝流程的流程畫面、實時數據顯示、歷史趨勢顯示、歷史記錄、超限報警、報表打印等功能外，還通過無線數傳機采集各相關供水站的數據（轉供灤河水、水庫水壓力、流量），并負責向水電廠供水調度SCADA系統傳遞信息。其操作主畫面如下圖2所示：
下位機系統分別由PLC(可編程序控制器)或 STD(工業控制計算機) 、一次檢測儀表、轉換器等組成，PLC或STD完成生產過程中的數據采集和邏輯過程控制等功能。其中，水庫水一級泵房設置PLC 984-145，負責灤河水(系統)進廠流量、原水池液位、加氯加藥間和水庫水(系統)一級泵房各檢測點的數據采集；灤河水二級泵房設置STD，負責灤河水(系統)澄清池、虹吸濾池、二級泵房各檢測點的數據采集；水庫水二級泵房設置PLC 984-800，完成水庫水(系統)澄清池、虹吸濾池、加氯加藥間、二級泵房、清水池各檢測點的數據采集。
上位機與下位機間通過對等通訊網MB+網連接，完成數據通訊，并將數據同時送往水廠模擬屏。
濱海水廠監控系統目前設置的主要檢測點有：
1.進廠流量
2.原水池液位
3.原水濁度、溫度
4.水庫水虹吸密封狀態
5.澄清池進口流量
6.原藥池、溶藥池液位及濃度
7.漏氯報警（及堿液泵、風機控制）
8.虹吸濾池液位及狀態
9.清水池液位
10.廢水池及廢水回收池液位
11.供水壓力、溫度
12.出廠余氯、濁度
13.出廠流量、壓力
14.一級提升泵及二級供水泵電機電流及狀態
15.加藥泵、污水泵電機電流及狀態
16.電網電壓、供電量
為了使生產能在自動化系統檢修期間能安全、連續運行以及便于崗位值班人員操作，在水庫水、灤河水的一級泵房、加氯加藥間、虹吸濾池、二級泵房等主要崗位設置了儀表盤，顯示各主要參數：如壓力、液位、流量、離心泵電流、濁度、余氯等。
4 供水站終端系統
各供水站由于其實際的生產過程不一樣，檢測的參數不同，其終端系統也不盡相同。
在所有的供水站中，四站供水站、五十五供水站、測井供水站、濱南供水站、新二站供水站、馬西供水站、二道溝供水站、二號院供水站、東一供水站、上古林供水站共10個供水站一般情況下只對外轉供灤河水和水庫水，很少供地下水。故檢測的數據主要為：灤河水供水壓力、灤河水供水流量（包括瞬時流量和累計流量）、水庫水供水壓力、水庫水供水流量（包括瞬時流量和累計流量）、大罐液位、各供水泵的電機電流及泵狀態。 壓氣站供水站、東二供水站、唐家河供水站、千米橋供水站共4個供水站對外只供地下水，檢測的數據主要為：供水壓力、供水流量、大罐液位、各供水泵的電機電流及泵狀態。
這十四座水站的終端系統主要由STD 工控機、數傳電臺、數傳機、接收天線、檢測儀表等組成。其主要功能是完成站內供水泵工作狀態、運行電流、工作電壓、水罐液位、供水流量、壓力等數據的采集，定時向水電廠供水調度SCADA系統傳送數據，接受反饋回來的信息；同時隨時接受、執行水電廠供水調度主機發來的指令，將所采集的有關數據無線傳輸到水電廠中控室。轉供灤河水和水庫水的供水站還要將數據同時傳送給水廠監控系統。
東水源供水站和南水源供水站，由于其日供水量大，所屬水井多且分布得比較分散、去水井的路程離水站較遠，為滿足用戶的需要啟停水源井比較頻繁，為了便于管理和操作，這兩個供水站的終端系統比別的供水站多了水井狀態檢測和水井遙控啟停功能，其終端系統組成也與別的水站有較大差異。
東水源供水站和南水源供水站終端系統分為站內和站外兩部分：站內系統由雙CPU的STD 工控機、兩套不同頻率的數傳電臺、數傳機、接收天線、檢測儀表等組成。其主要功能是采集站內供水泵工作狀態、運行電流、工作電壓、水罐液位、供水流量、壓力等數據，向井組RTU發出指令，接受反饋回來的信息，接受、執行水電廠供水調度主機發來的指令，將站內和水源井有關數據無線傳輸到水電廠中控室；站外系統由井組現場RTU單元、和站內某一頻率相同的數傳電臺、數傳機、接收天線、現場儀表、控制繼電器等組成。其主要功能是接受、執行站內RTU發來的指令，實現對水源井的遙控起停操作，負責采集潛水泵工作狀態、運行電流、工作電壓、出口壓力等數據，并將其傳送到站內RTU。
各供水站的數傳機均采用了比較有效的濾波及隔離技術，增強抗干擾的能力，保證了數據傳送的準確度。
5 系統常見故障分析與處理
自動化系統能否正常發揮作用，除了設計要合理外，關鍵還在于系統的可靠性。因此，加強系統的日常維護工作，及時排除系統的有關故障就顯得尤為必要。以下是有關本系統的一些常見故障及我們的處理辦法和體會：
故障現象1 監控系統的遙控操作失靈，而系統的其他功能都正常。到現場可進行正常的人工操作。
原因分析 遙控操作的失靈通常是由控制用繼電器的損壞所引起的.通過多次檢查發現，現場的電壓過高，經常處于450—480伏，使得用于控制遙控操作的繼電器長期處于過壓運行狀態（繼電器運行額定電壓為 380伏），時間長了就會使繼電器線圈過熱而燒壞繼電器，控制用繼電器燒壞自然也就無法進行遙控操作。
解決方法 通過更換好的繼電器問題就已經解決了。為保護設備，節省能源，我們也聯系了有關單位和部門，將電壓調整到合適的范圍。同時定期到現場檢查，發現有過熱或損壞跡象的繼電器就及時更換，確保了遙控操作的順利進行。
思索體會 關于電壓過高或者過低而影響系統正常運轉的現象在給水自動化系統中很多地方都出現過，特別是有些地方需要的5伏或者是24伏電壓不正常也是造成系統出現故障的主要原因之一。所以有時系統出現故障，不僅僅要在系統內部找原因，還要注意系統運行所處的外部所需條件是否也符合要求。
故障現象2 現場RTU經常出現死機現象,系統自動復位有時難以解決。
原因分析 可以造成現場RTU死機的因素很多，主要有以下四種可能：(1)系統軟件編寫不當,應用程序中出現死循環或鏈接不上；(2)硬件設施的損壞；(3)瞬間失電時系統來不及反應；(4)多次的誤操作所發出的指令使系統無所適從等。
解決方法 對第(1)種情況，必須對系統軟件進行重新調試或修改；對第(2)種情況，則要更換掉相應的懷損設備；這里主要介紹對第(3) 、(4)這兩類情況引起的死機問題的處理，通過對現場RTU進行強制復位可很好地解決這個問題。供水中心站自動化組通過一段時間的研制，自行開發了一種強制復位裝置，使它能夠在：(1) 瞬間失電后10—15秒待電壓正常后對系統進行一次復位，使系統能很恢復正常運行。(2) 正常運行時每2—6小時（可調時間）對系統進行一次復位，消除誤操作等因素對系統的影響，使系統正常運行。
思索體會 通過對大港油田東水源水站部分井組現場RTU加裝這樣的復位裝置后，這些井組現場RTU沒有再出現類似的死機現象，整個系統的運行也比較正常。各給水泵站的RTU有時也出現類似的死機現象，都是通過人工強制復位予以解決。在條件允許的情況下，我們建議可在給水泵站自動化系統設計時就加上這樣的強制復位裝置，以提高整個系統的可靠性。
故障現象3RTU出現死機，按復位健重新啟動后同樣出現死機現象。停電一段時間后重新啟動，系統恢復正常，但一段時間后又重新出現死機。
原因分析 對這種死機現象，在排除非硬件故障因素后，一般是連續運行使某些電路板過熱所造成的。
解決辦法 解決電路板的過熱問題，又要不影響系統的24小時連續運行，增強散熱是很好的辦法。為此，我們給機箱增加透風口，并在機箱頂上加裝上一個小風扇以強制散熱，取得了很好的效果。
思索體會 供水自動化系統的計算機系統一般都是24小時連續運行，要注意解決好類似的散熱問題，使系統能安全、平穩、連續運行。計算機自有的散熱裝置不足以散熱時，應考慮強制散熱，特別是在高溫季節。
故障現象4現場一次儀表檢測數據與實際一致，而傳送到計算機系統中的數據有的卻與實際有較大的差異。
原因分析 由于不存在檢測儀表的問題，所以我們就從一次儀表出來的信號接入RTU的數據板端子盤那一點開始查起。后來發現在數據板上不是每個端子上都接入了檢測信號，但接入檢測信號的端子所對應于數據板上的數據卻總是準確的，只是在計算機通訊進行數據傳送時有些信號出現干擾現象。而將數據板上所有的端子都接上信號時，干擾現象不再存在，數據傳送上來也非常準確。很明顯，由于數據板上有端子沒有接入信號懸空而對計算機數據通訊造成干擾，端子懸空的原因可能是那一點原本就沒有檢測信號，也可能是檢測儀表損壞一時無法修復或更換而撤掉的。
解決辦法 將這些懸空的端子接地或者與24伏電源的負極相連，通訊干擾影響傳送數據準確性現象基本消除。同時遇到損壞的檢測儀表一時無法修復或更換的，也將其與24伏電源斷開，對應與數據板上的端子也接地或與24伏電源的負極相連。
思索體會 由于沒有良好的接地而影響系統的可靠性在計算機應用系統中是經常遇見的，而接地并沒有很多的技術性可談，只是需要我們在工作中更多一些細心和耐心。
6 應用效果及前景分析
大港油田供水自動化系統的統一改造完成，保證了整個油田范圍內的用水需求的穩定供應。供水中心站通過供水調度SCADA系統對整個供水系統進行統一調度管理，杜絕了斷水情況的發生；通過不同檢測點供水壓力和流量的異常變動，能及早發現管網的漏損并進行處理，減少了水資源的浪費。水廠監控系統也已成為水廠工作可靠和水質合乎要求的必要保證，同時也是水廠實現降低電耗、藥耗，減員增效所依賴的途徑之一。供水站終端系統也為各供水站安全、穩定、連續、經濟供水提供了保障，特別是在東水源和南水源兩座水站，通過使用其自動化終端系統對水源井進行遙控操作，大大節省了人力、物力、財力（車輛的保養、使用、維修費用），經濟效益十分可觀。系統所擁有的報警功能，使水池（罐）水位一旦高于或低于警戒水位時即刻報警，避免了水池（罐）溢水或抽空，既節約了寶貴的水資源，又保護了設備。
總之，供水自動化系統在大港油田的應用所帶來的經濟效益和社會效益是十分可觀的。
當然，整個系統還有需要進一步完善的地方。目前正在開發的供水調度專家系統作為供水調度SCADA系統的輔助部分，包括管網圖紙資料的計算機管理、閘門管理、事故處理等部分,它的完成必將為提高供水調度水平提供更多的支持；在濱海水廠準備改裝的自動加藥系統、混凝工業電視監測系統等也將為水廠監控系統增添新的內容；各供水站終端系統中的STD將逐步被PLC所替代，并將增添新的檢測點和自動恒壓供水系統；無線通信技術和網絡技術的發展，為數據的傳輸帶來了無限的生機，現在的無線話傳信道用做無線數傳信道的，必將為網絡通訊技術所代替。這樣不僅以后對系統的維護更加方便，而且能進一步提高供水質量，節省能源。
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