供水自动化系统在大港油田的应用

刘胜地

　　摘要：本文介绍了大港油田供水自动化系统的情况。该系统由供水调度SCADA系统、水厂监控系统和若干个供水站终端系统组成，有着鲜明的特色。文中还就其日常维护中常见故障、应用效果及发展前景作了进一步的分析。

　　大港油田供水系统是由水电厂负责管理的。自油田成立以来，它就一直担负着为油田供水的繁重任务，为油田生产和人民生活做出了十分重要的贡献。随着油田的发展,供水规模在不断地扩大，供水任务也越来越繁重。今天，大港油田供水系统除向油田十几万职工及其家属提供符合标准的生活用水外，还为油田提供绝大部分的工业生产用水。
　　在1980年水厂建成投产以前，油田供水一直靠单一的地下水源，水站、管网分区分片建设，实行分区供水，互不相连。随着引滦入港工程的完工、水厂的投入使用及取库水工程的建成投产，北大港地区供水实现了生活饮用水和生活杂用水（含工业用水）分质供水，原本分散的管网也逐步相连形成两大供水管网系统。因此，加强水源的统一管理、实现管网的统一调度就显得十分必要。近几年来，水电厂先后投资上百万元，逐步建立起一套适合油田实际发展需要的供水自动化系统，为提高油田的供水管理水平，实现管网的优化调度，达到安全、经济、连续的供水目标打下了良好的基础。
　　以下笔者将根据油田的实际情况对油田的供水自动化系统作一一介绍，希望与同行们探讨。

　　1　概述

　　早在1969年，在油田的港东地区，就开展了早期的供水自动监测工作。当时采用有线通道，监测单井的电压、电流，启停深井泵等。1978年，油田成立以来最大的水源地——南水源供水站投产，当时有水井20口，日产水量2万方以上，最远的水井距水站有8公里之遥。为解决水井多、距离远、深井泵运转前加水、管理复杂等难题，一套实现数据监测和遥控操作的自动化设备同时启用，这可算是早期的供水站终端系统的雏形。在此之后的供水站在设计时都将自动检测作为必须考虑的项目之一。净水厂的二期改造工程中也包含了水厂自动监控系统的建设。因此，在1996年，供水中心站决定将供水系统中所有的自动化设施和系统进行改造，实现统一管理。这就是现在的大港油田供水自动化系统。
　　目前,大港油田供水系统有净水厂1座(滨海水厂），负责处理滦河水和水库水，处理后的滦河水主要作生活饮用水，处理后的水库水主要作生活杂用水和工业用水；供水站16座，主要负责转供滦河水和水库水以及地下水；水源井135口，分属不同的供水站，为所属供水站提供地下冷水或热水。供水系统的生产管理由供水中心站统一协调，实施优化调度。因此相应地，其供水自动化系统也主要由三部分组成：水电厂供水调度SCADA系统、滨海水厂监控系统、各供水站终端系统。各系统间是通过无线方式进行通讯和数据实时传递。

2水电厂供水调度SCADA系统

　　水电厂供水调度SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition Systems)系统是大港油田供水自动化系统的中枢部分，负责对下一级子系统（水厂监控系统和各供水站终端系统）的数据信息进行采集、汇总，然后传送到计算机和大模拟屏上，实现数据的实时微机管理和模拟屏动态显示。其结构如下图1所示：

　　供水调度SCADA系统主要由微机监测和模拟屏两部分组成。微机监测部分主程序选用美国Wonderware公司的工业控制软件Intouch 设计，能在Win32 & Win95 & win98等环境下运行，该软件具有如下特点：
　　▲ 利用Windows 管理内存,扩大存储空间,因而使Intouch软件对被监控的点数(回路数)和最大画面数均不受限制。
　　▲ 作图功能完善，图形逼真；
　　▲ 有数据报警、速率报警和偏差报警等多种报警设施及报警画面提示；
　　▲ 有实时曲线图、历史趋势曲线等；
　　▲ 多种用户数据输入、查询、链接方式；
　　▲ 系统扩展方便,组态方式灵活。
　　目前的主要监测画面包含有全油田供集水管网图、滨海水厂及供水站与中控室通讯图以及各水站站内外流程图等。一屏显示一幅画面，各画面间可非常方便地切换，而且系统采集的各数据信息能在相应的动态画面（通过颜色变换、动态旋转、填充、任意缩放等方式实现）上实时显示。
　　监测的数据有：
　　水厂的主要参数量：进厂流量、原水池液位、澄清池进口流量、虹吸滤池液位及状态、清水池液位、废水池及废水回收池液位、供水压力、出厂余氯、浊度、出厂流量、压力、一级提升泵及二级供水泵电机电流及状态、加药泵、污水泵电机电流及状态等。
　　水站的主要参数量：各种供水压力、流量（瞬时流量和累计流量）、电机电流、电压、水罐液位、泵状态、水井状态等。
　　模拟屏通过RS-232通讯口接收上位机传送过来的实时数据，实现滨海水厂及各供水站供水压力、流量的实时显示，135 口水源井开停状态的显示等。上位机系统中大屏幕画面与模拟屏接线图案一致。屏主体是大港油田供水系统图，图形设计与实际工程情况相符合。模拟屏包括1 座水厂和16个供水站，5个排涝站等，分别用不同的标识标记在图形上，方向标、图例、日历、时钟等齐全，便于观看。同时根据管网的实际变动情况（如改造、扩建等），可很方便地在屏体上进行修改。
　　屏上显示的数据信息有：
　　水厂的8个主要调度数据量：滦河水源水池、清水池液位，出厂压力、流量，水库水进水流量，清水池液位，出厂压力、流量。
　　各供水站的4个主要调度数据量：滦河水压力、流量，水库水压力、流量。
　　各供水站水源井的开、停状态。井的种类分冷水井和热水井两种，在屏上依靠不同颜色的标记块区分，块中心的信号灯指示不同颜色显示水井的不同状态，其中绿灯表示开、红灯表示停状态。
　　监测画面和模拟屏上所有的数据信息都是从水厂监控系统和水站终端系统中采集，并经Modem 传送到供水中心站SCADA系统，同时由上位机将数据又传送到模拟屏，两者数据同步。在上位机中还可对模拟屏进行刷新、数据输入、灯光亮度调节、单井操作、设置修改权限口令等操作。
　　水电厂供水调度SCADA系统目前可实现的功能有：
　　1. 数据的实时监测与处理功能。系统能把各检测参数在相应画面和报表中显示出来，并根据需要对数据进行诸如最大值、最小值、平均值、累加值、定时值等的计算处理，并分类进行存储，接受各种形式的查询。
　　2. 图形处理功能。能根据数据库绘制实时曲线图和历史趋势曲线图，
　　3. 自动报表生成功能。能根据需要按不同的时间周期如日、周、月、年等自动生成各种报表。
　　4. 历史档案数据存储功能。能通过打印报表、磁盘备份和读写光盘等多种方式存储历史数据、历史曲线等。
　　5. 多方式的通讯功能。能根据需要对系统进行点测、巡测、定时巡测（时间可调）、实时通讯帧监测等。
　　6. 自动超限报警功能。系统能根据预先设置的报警限值，在实测值超限时发出报警信息，以便及时采取措施。
　　7. 输出打印功能。各种查询信息、图形曲线、报表等都能在屏幕上显示和打印机上打印出来。

　　3　滨海水厂监控系统

　　滨海水厂监控系统整个油田供水自动化系统所不可缺少的一部分。因为它既是一个独立的子系统，承担了滨海水厂内部的监测工作，直接作用于水量分配、水质监测、供水量和水压调整等重要工艺环节，对运行管理、确保安全、保证水质、降低消耗等方面都具有很大的作用；同时它还负责采集外部相关供水站(含有滦河水、水库水)的数据，经处理后与厂内有关数据一起送水厂模拟屏实时显示。其上位机系统还负责向水电厂供水调度SCADA系统传递有关信息。
　　滨海水厂监控系统所选择的计算机主系统结构比较类似于PLC+IPC组成的集散式控制系统，整个系统由上位机系统和下位机系统组成。
　　上位机系统由双机热备的工业计算机IPC-610、网卡、BM-85E网桥、20"屏幕显示器、水厂模拟屏等组成。上位机除具备显示滨海水厂内部各工艺流程的流程画面、实时数据显示、历史趋势显示、历史记录、超限报警、报表打印等功能外，还通过无线数传机采集各相关供水站的数据（转供滦河水、水库水压力、流量），并负责向水电厂供水调度SCADA系统传递信息。其操作主画面如下图2所示：

　　下位机系统分别由PLC(可编程序控制器)或 STD(工业控制计算机) 、一次检测仪表、转换器等组成，PLC或STD完成生产过程中的数据采集和逻辑过程控制等功能。其中，水库水一级泵房设置PLC 984-145，负责滦河水(系统)进厂流量、原水池液位、加氯加药间和水库水(系统)一级泵房各检测点的数据采集；滦河水二级泵房设置STD，负责滦河水(系统)澄清池、虹吸滤池、二级泵房各检测点的数据采集；水库水二级泵房设置PLC 984-800，完成水库水(系统)澄清池、虹吸滤池、加氯加药间、二级泵房、清水池各检测点的数据采集。
　　上位机与下位机间通过对等通讯网MB+网连接，完成数据通讯，并将数据同时送往水厂模拟屏。
　　滨海水厂监控系统目前设置的主要检测点有：
　　1.进厂流量
　　2.原水池液位
　　3.原水浊度、温度
　　4.水库水虹吸密封状态
　　5.澄清池进口流量
　　6.原药池、溶药池液位及浓度
　　7.漏氯报警（及碱液泵、风机控制）
　　8.虹吸滤池液位及状态
　　9.清水池液位
　　10.废水池及废水回收池液位
　　11.供水压力、温度
　　12.出厂余氯、浊度
　　13.出厂流量、压力
　　14.一级提升泵及二级供水泵电机电流及状态
　　15.加药泵、污水泵电机电流及状态
　　16.电网电压、供电量
　　为了使生产能在自动化系统检修期间能安全、连续运行以及便于岗位值班人员操作，在水库水、滦河水的一级泵房、加氯加药间、虹吸滤池、二级泵房等主要岗位设置了仪表盘，显示各主要参数：如压力、液位、流量、离心泵电流、浊度、余氯等。

　4　供水站终端系统

　　各供水站由于其实际的生产过程不一样，检测的参数不同，其终端系统也不尽相同。
　　在所有的供水站中，四站供水站、五十五供水站、测井供水站、滨南供水站、新二站供水站、马西供水站、二道沟供水站、二号院供水站、东一供水站、上古林供水站共10个供水站一般情况下只对外转供滦河水和水库水，很少供地下水。故检测的数据主要为：滦河水供水压力、滦河水供水流量（包括瞬时流量和累计流量）、水库水供水压力、水库水供水流量（包括瞬时流量和累计流量）、大罐液位、各供水泵的电机电流及泵状态。 压气站供水站、东二供水站、唐家河供水站、千米桥供水站共4个供水站对外只供地下水，检测的数据主要为：供水压力、供水流量、大罐液位、各供水泵的电机电流及泵状态。
　　这十四座水站的终端系统主要由STD 工控机、数传电台、数传机、接收天线、检测仪表等组成。其主要功能是完成站内供水泵工作状态、运行电流、工作电压、水罐液位、供水流量、压力等数据的采集，定时向水电厂供水调度SCADA系统传送数据，接受反馈回来的信息；同时随时接受、执行水电厂供水调度主机发来的指令，将所采集的有关数据无线传输到水电厂中控室。转供滦河水和水库水的供水站还要将数据同时传送给水厂监控系统。
　　东水源供水站和南水源供水站，由于其日供水量大，所属水井多且分布得比较分散、去水井的路程离水站较远，为满足用户的需要启停水源井比较频繁，为了便于管理和操作，这两个供水站的终端系统比别的供水站多了水井状态检测和水井遥控启停功能，其终端系统组成也与别的水站有较大差异。
　　东水源供水站和南水源供水站终端系统分为站内和站外两部分：站内系统由双CPU的STD 工控机、两套不同频率的数传电台、数传机、接收天线、检测仪表等组成。其主要功能是采集站内供水泵工作状态、运行电流、工作电压、水罐液位、供水流量、压力等数据，向井组RTU发出指令，接受反馈回来的信息，接受、执行水电厂供水调度主机发来的指令，将站内和水源井有关数据无线传输到水电厂中控室；站外系统由井组现场RTU单元、和站内某一频率相同的数传电台、数传机、接收天线、现场仪表、控制继电器等组成。其主要功能是接受、执行站内RTU发来的指令，实现对水源井的遥控起停操作，负责采集潜水泵工作状态、运行电流、工作电压、出口压力等数据，并将其传送到站内RTU。
　　各供水站的数传机均采用了比较有效的滤波及隔离技术，增强抗干扰的能力，保证了数据传送的准确度。

　　5　系统常见故障分析与处理

　　自动化系统能否正常发挥作用，除了设计要合理外，关键还在于系统的可靠性。因此，加强系统的日常维护工作，及时排除系统的有关故障就显得尤为必要。以下是有关本系统的一些常见故障及我们的处理办法和体会：
　　故障现象1 监控系统的遥控操作失灵，而系统的其他功能都正常。到现场可进行正常的人工操作。
　　原因分析 遥控操作的失灵通常是由控制用继电器的损坏所引起的.通过多次检查发现，现场的电压过高，经常处于450—480伏，使得用于控制遥控操作的继电器长期处于过压运行状态（继电器运行额定电压为 380伏），时间长了就会使继电器线圈过热而烧坏继电器，控制用继电器烧坏自然也就无法进行遥控操作。
　　解决方法 通过更换好的继电器问题就已经解决了。为保护设备，节省能源，我们也联系了有关单位和部门，将电压调整到合适的范围。同时定期到现场检查，发现有过热或损坏迹象的继电器就及时更换，确保了遥控操作的顺利进行。
　　思索体会 关于电压过高或者过低而影响系统正常运转的现象在给水自动化系统中很多地方都出现过，特别是有些地方需要的5伏或者是24伏电压不正常也是造成系统出现故障的主要原因之一。所以有时系统出现故障，不仅仅要在系统内部找原因，还要注意系统运行所处的外部所需条件是否也符合要求。
　　故障现象2 现场RTU经常出现死机现象,系统自动复位有时难以解决。
　　原因分析 可以造成现场RTU死机的因素很多，主要有以下四种可能：(1)系统软件编写不当,应用程序中出现死循环或链接不上；(2)硬件设施的损坏；(3)瞬间失电时系统来不及反应；(4)多次的误操作所发出的指令使系统无所适从等。
　　解决方法 对第(1)种情况，必须对系统软件进行重新调试或修改；对第(2)种情况，则要更换掉相应的怀损设备；这里主要介绍对第(3) 、(4)这两类情况引起的死机问题的处理，通过对现场RTU进行强制复位可很好地解决这个问题。供水中心站自动化组通过一段时间的研制，自行开发了一种强制复位装置，使它能够在：(1) 瞬间失电后10—15秒待电压正常后对系统进行一次复位，使系统能很恢复正常运行。(2) 正常运行时每2—6小时（可调时间）对系统进行一次复位，消除误操作等因素对系统的影响，使系统正常运行。
　　思索体会 通过对大港油田东水源水站部分井组现场RTU加装这样的复位装置后，这些井组现场RTU没有再出现类似的死机现象，整个系统的运行也比较正常。各给水泵站的RTU有时也出现类似的死机现象，都是通过人工强制复位予以解决。在条件允许的情况下，我们建议可在给水泵站自动化系统设计时就加上这样的强制复位装置，以提高整个系统的可靠性。
　　故障现象3RTU出现死机，按复位健重新启动后同样出现死机现象。停电一段时间后重新启动，系统恢复正常，但一段时间后又重新出现死机。
　　原因分析 对这种死机现象，在排除非硬件故障因素后，一般是连续运行使某些电路板过热所造成的。
　　解决办法 解决电路板的过热问题，又要不影响系统的24小时连续运行，增强散热是很好的办法。为此，我们给机箱增加透风口，并在机箱顶上加装上一个小风扇以强制散热，取得了很好的效果。
　　思索体会 供水自动化系统的计算机系统一般都是24小时连续运行，要注意解决好类似的散热问题，使系统能安全、平稳、连续运行。计算机自有的散热装置不足以散热时，应考虑强制散热，特别是在高温季节。
　　故障现象4现场一次仪表检测数据与实际一致，而传送到计算机系统中的数据有的却与实际有较大的差异。
　　原因分析 由于不存在检测仪表的问题，所以我们就从一次仪表出来的信号接入RTU的数据板端子盘那一点开始查起。后来发现在数据板上不是每个端子上都接入了检测信号，但接入检测信号的端子所对应于数据板上的数据却总是准确的，只是在计算机通讯进行数据传送时有些信号出现干扰现象。而将数据板上所有的端子都接上信号时，干扰现象不再存在，数据传送上来也非常准确。很明显，由于数据板上有端子没有接入信号悬空而对计算机数据通讯造成干扰，端子悬空的原因可能是那一点原本就没有检测信号，也可能是检测仪表损坏一时无法修复或更换而撤掉的。
　　解决办法 将这些悬空的端子接地或者与24伏电源的负极相连，通讯干扰影响传送数据准确性现象基本消除。同时遇到损坏的检测仪表一时无法修复或更换的，也将其与24伏电源断开，对应与数据板上的端子也接地或与24伏电源的负极相连。
　　思索体会 由于没有良好的接地而影响系统的可靠性在计算机应用系统中是经常遇见的，而接地并没有很多的技术性可谈，只是需要我们在工作中更多一些细心和耐心。

　　6　应用效果及前景分析

　　大港油田供水自动化系统的统一改造完成，保证了整个油田范围内的用水需求的稳定供应。供水中心站通过供水调度SCADA系统对整个供水系统进行统一调度管理，杜绝了断水情况的发生；通过不同检测点供水压力和流量的异常变动，能及早发现管网的漏损并进行处理，减少了水资源的浪费。水厂监控系统也已成为水厂工作可靠和水质合乎要求的必要保证，同时也是水厂实现降低电耗、药耗，减员增效所依赖的途径之一。供水站终端系统也为各供水站安全、稳定、连续、经济供水提供了保障，特别是在东水源和南水源两座水站，通过使用其自动化终端系统对水源井进行遥控操作，大大节省了人力、物力、财力（车辆的保养、使用、维修费用），经济效益十分可观。系统所拥有的报警功能，使水池（罐）水位一旦高于或低于警戒水位时即刻报警，避免了水池（罐）溢水或抽空，既节约了宝贵的水资源，又保护了设备。
　　总之，供水自动化系统在大港油田的应用所带来的经济效益和社会效益是十分可观的。
　　当然，整个系统还有需要进一步完善的地方。目前正在开发的供水调度专家系统作为供水调度SCADA系统的辅助部分，包括管网图纸资料的计算机管理、闸门管理、事故处理等部分,它的完成必将为提高供水调度水平提供更多的支持；在滨海水厂准备改装的自动加药系统、混凝工业电视监测系统等也将为水厂监控系统增添新的内容；各供水站终端系统中的STD将逐步被PLC所替代，并将增添新的检测点和自动恒压供水系统；无线通信技术和网络技术的发展，为数据的传输带来了无限的生机，现在的无线话传信道用做无线数传信道的，必将为网络通讯技术所代替。这样不仅以后对系统的维护更加方便，而且能进一步提高供水质量，节省能源。

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作者单位：刘胜地，大港油田集团公司水电厂工程师。天津市大港区大港油田水电厂供水中心站（300280）

电话：022-25932326