浅水测试场监控系统的设计与搭建

Design and Setup of the Monitoring System for Shallow Water Test Site

杨　安1　陈　斌1　谢　超2　张汝彬1　蔡玉龙2　陈东良2　王立权2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津　300051；哈尔滨工程大学机电学院2，黑龙江 哈尔滨　150001)

浅水测试场监控系统的设计与搭建

Design and Setup of the Monitoring System for Shallow Water Test Site

杨安1陈斌1谢超2张汝彬1蔡玉龙2陈东良2王立权2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津300051；哈尔滨工程大学机电学院2，黑龙江 哈尔滨150001)

摘要：为了搭建浅水测试场监控系统，设计了基于WinCC搭建的SCADA系统。整个系统由5个子任务系统组成，每个子任务系统具有自己的工程师站与操控站。主服务器通过TCP/IP实现与子任务服务器的数据通信，结合大屏幕监控技术，实现了监控大屏幕上各任务的全屏与分屏显示，避免总监控系统对各个子任务画面的二次组态。搭建得到的监控系统具有更好的稳定性和可维护性，搭建工作量更小。通过Web Navigator和Data Monitor实现远程监控和数据下载，为其他监控系统搭建提供参考。

关键词：浅水测试场分布式监控系统WinCC远程监控主/从服务器

Abstract：To setup the monitoring system for shallow water test site, the SCADA based on WinCC is setup. The entire system is composed of five sub task systems; each sub task system has its own engineer station and operator control station. The data communication between main server and sub task server is implemented via TCP/IP; combining with large screen monitoring technology, each sub task can be displayed in full screen and split-screen on monitoring large screen, thus the secondary configuration for each sub task graphic can be avoided in total monitoring system. The system is easy to setup and possesses better stability and maintainability; remote monitoring and data download can be implemented through Web Navigator and Data Monitor; it provides reference for setting up other monitoring systems.

Keywords：Shallow water test siteDistributed control systemWinCCRemote monitoringMaster/slave server

0引言

深海油气开采过程中，水下生产技术具有受天气影响小、可靠性强等特点，是开采深海油气田的关键技术之一。水下生产设施监控技术是深海油气田开采中的重要一环，对于水下生产设施生产系统的设计验证起着非常重要的作用[1]。

目前，水下生产系统测试主要包括基础的单元测试、子系统工厂接收测试、系统集成测试、现场接收测试以及生产调试等。测试所使用的水池主要分为以下三种：①气密性测试水池，一般的设备制造商或者设备维修公司均建有这类水池；②安装测试水池，主要用于水下处理系统等水下生产设施的测试，世界共5座且均位于挪威；③模型测试水池，用于水下系统模型测试，主要分布在高校及科研机构。国内也有不少海洋测试水池，但是由于受水池大小、水深与场地的限制，无法做大型水下生产系统安装测试[2]。

本文根据国内外水下监控系统技术的调研，设计与搭建了用于水下生产系统测试的浅水测试场监控系统，研究适合我国的水下设施监控技术。

1分布式监控系统(DCS)

浅水测试场监控采用分布式监控系统(distributed control system，DCS)，现有的分布式监控系统通常可分为工程师站、操作员站、服务器站、控制器站等功能站[3]，每个功能站通过TCP/IP进行通信与数据交互。通过将所有的功能站组合在一起就成为了一个统一的系统，以此来实现分散控制、集中监视、集中控制等功能[4]。对于单个子任务系统来说，组态工作简单，分布式系统能够提高系统的可靠性与稳定性，降低主服务器的工作量。但对于多个子任务系统，需要将子任务系统重新整合并进行功能站的划分，不仅使得系统组态工作量增加，而且在后期单个子任务系统的升级中需要整个系统的重新组态，影响整个系统运行，增加了维护成本。本系统在分布式监控系统的基础上，将整个任务分成5个子任务系统，每个子任务系统具有自己的工程师站与操控站。主服务器通过TCP/IP实现与子任务服务器的数据通信，结合大屏幕监控技术实现子任务监控画面在总监控中的显示，从而避免将5个子任务进行画面的二次组态。系统功能分布在各个子服务器中，减小主从服务器的工作量，使得总监控系统更易于维护，可靠性更高。

2浅水测试场系统软件设计

2.1　总体方案设计

根据浅水测试场监控系统的控制要求以及水下生产系统工艺流程，本课题基于以下原则进行了监控系统设计。

(1) 浅水测试场监控系统应具有远程监控能力，并且其系统结构应该具有一定的可靠性和稳定性；

(2) 组态画面的设计应按照水下生产工艺流程设计，尽量采用与实际的水下生产工艺流程相接近的图解与动画表示；

(3) 对于出现频率比较高的水下生产系统的阀门、传感器数据、控制变量、状态变量及报警状态，应完善其显示方式，方便管理员和现场操作员及时查询当前生产工艺过程，重要的状态变量及报警状态应在组态软件系统监控界面中用醒目的颜色显示；

(4) 监控系统的设计应制定合理的密码管理和操作访问权限，同时要制定完善的管理规则，强化管理者与现场操作员的安全管理意识。

根据上述设计原则，浅水测试场监控系统基于WinCC组态软件，由数据库服务器、Web服务器、主/从服务器等组成，能够通过局域网和互联网对大型设备的状态和工况参数进行实时监测，包括设备的工艺参数(转速、负荷、功率、温度、压力、流量等)。该系统不但能够存储长时间的系统参数，并且能够在线和远程访问服务器数据，便于工程师能够“随时随地”掌握设备运行的信息，解决信息孤岛问题，方便、有效地运用专家的经验和知识，促进大型设备的管理工作[5-6]。浅水测试场监控系统总体方案如图1所示。

图1　浅水测试场监控系统方案图

监控系统总体结构分为3层，具体如下。

(1) 管理层：是整个监控系统的中枢。管理层提供人机接口，是整个控制系统信息交换的界面，主要完成系统组态、控制参数在线修改、处理工艺参数显示、设备运行状态显示和设备集中控制、超限故障报警、报表打印等功能。主从服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方法的要求。5个子任务服务器采用工控计算机，分别侧重监控与管理功能。

(2)控制层：是管理层与现场层之间的枢纽层，其主要功能是接受管理级的参数或命令，同时实现现场数据的采集、数据上传、对生产过程进行控制等功能。管理级的计算机与控制级的PLC之间由屏蔽的双绞线进行连接，PLC配置通信模块接口，采用工业以太网实现数据通信。

(3) 现场层：是实现系统功能的基础。现场层主要由传感器、检测仪表、控制设备等组成，其主要功能是完成其范围内的生产过程、仪表、设备的检测并将检测到的数据上传，接受控制级的指令，对执行机构进行控制等。各设备分区、现场检测仪表等采用现场总线进行连接。

浅水测试层监控系统工作原理：在浅水测试的监控系统中，下位机系统使用Siemens S7 PLC完成现场设备监测、数据处理；上位机系统采用Siemens WinCC V13平台实现对现场数据可视化的监控。上位机系统中，子任务服务器负责从下位机采集、处理和存储数据并进行数据的组态和运行监控；主/从服务器负责保存来自子任务服务器的数据。子任务服务器与主从服务器之间采用了客户机/服务器的体系结构，在扩大功能范围的同时减轻主/从服务器的负载，并保证系统良好的功能特性；主/从服务器与子任务服务器之间采用TCP/IP，基于OPC标准实现数据交换和共享;主从服务器故障时互为备用，具有灵活的运行方式。这种结构可使生产过程中的信息集中管理，以实现整体操作、管理和优化，同时分散控制危险，提高系统的可靠性，子任务服务器通过工业以太网络将PLC控制器实时采集的数据进行可视化处理并反馈到监控界面中。PLC控制系统根据工程师从监控界面中的控制开关、按钮的指令信号，进行现场设备控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服务器用于工艺控制，它们之间的通信将通过开放、交换式的快速以太网实现。来自现场的执行机构和传感器的信号被采集到相关的I/O站，通过开放的Modbus-RTU网送至PLC控制系统。几乎所有的操作都通过WinCC操作站的显示器、鼠标和键盘来实现。

2.2　监控界面设计

根据浅水测试场监控系统的监控要求，监控系统包含五个子任务系统：水下电控监控任务系统、水下液控任务系统、多相流模拟任务系统、防腐监测任务系统、浅水测试场总监控系统。为了减少工作量，简化系统，提高系统的稳定性，避免整个子任务系统画面的二次组态，结合液晶显示拼接技术，各个子任务之间通过VGA视频线将工艺过程画面接入到大屏幕电视中，通过子任务浅水测试场总监控系统进行控制，实现总监控室中大屏幕电视墙的画面切换，如图2所示。

图2　浅水测试场系统监控组成原理图

当单个子任务需要修改时不会影响到监控室中对总监控系统中其他子任务的监控，也不需要对总监控系统画面进行修改。

整个监控画面结构如图3所示，主要包含了5个子任务的按钮切换画面、水下视频监控任务的摄像头监控画面、历史视频回放画面、部分工艺过程参数变化趋势以及报警信息。

图3　监控界面组态结构图

2.3　远程监控系统设计

为实现浅水测试场监控系统的远程监控功能，选取WinCC中的Web Navigator组件。WinCC Web Navigator可以通过Intranet/Internet实现远程监控， WinCC Web Navigator组件包分别由安装在服务器计算机上的特殊 WinCC Web Navigator 服务器组件和运行在Internet计算机上的WinCC Web Navigator客户机组件组成。

远程网络系统通用的是TCP/IP协议，因此在该系统中采用TCP/IP协议进行通信[7]。WinCC Web Navigator 客户机集成在客户机PC的Internet浏览器中，可以运行和管理正在进行的WinCC项目而无需在PC上安装整个WinCC基本系统[8]。项目和相关的WinCC应用程序位于服务器计算机上。远程用户只需要下载并安装对应的WinCC Web Navigator Client组件，通过网络连接和准确的用户账号/密码，就可以远程访问到发布在Web上的系统操作过程画面、报警记录画面、趋势曲线画面、历史记录画面等。

根据不同的项目情况，WinCC Web Navigator Server可以有不同的组态系统结构[9]。考虑远程监控的数据安全性和系统条件的原则,采用如图4所示的组态结构。在此结构组态中，WinCC Server和WinCC Web Navigator的服务器组件安装在一台计算机上。WinCC Web Navigator 客户机可以通过Internet/Intranet监控运行的WinCC项目。使用WinCC Web Navigator客户机，可以扩展客户机-服务器系统。

图4　远程监控系统组态结构图

本监控系统采用专用WinCC Web Navigator服务器，实现两台下位WinCC服务器之间的冗余切换，从而提高系统的可靠性、稳定性。

远程监控人员通过在浏览器中输入相应的服务器IP地址，便可以访问总监控系统的Web服务器；经过服务器的安全身份验证，便可以登录到Web服务器，并访问主/从服务器的数据及子服务器的过程画面,如图5所示。第一次通过浏览器登录服务器时应该按照提示安装相应的浏览器插件，用户输入IP地址/datamonitor，可以访问服务器中的数据，且可根据自身需求，下载打印监控系统参数的数据表格和变化趋势图。

图5　远程监控步骤图

2.4　监控系统安全设计

监控系统的安全是设计中的重要问题，主要通过对用户的权限及密码进行管理和远程监控组态结构设计，保证整个系统的安全。

(1) 用户管理

用户管理系统组态WinCC用户的访问权限，通过权限分配，为用户分配不同的访问权限，用户可以进行相关的权利操作。本监控系统中设置的3种级别的用户具有不同的操作授权，其中“Administrator”(管理员)，“Engineer”(工程师)和“Operator”(操作员)分配不同操作权限。

① 管理员权限：管理员具有对该监控系统的所有操作权限。管理员在重要的系统操作方面具有特别授权。比如负责重要过程数据的设定及修改、画面编辑、动作编辑、用户管理、系统退出等操作。

② 工程师权限：在操作员权限基础上，工程师具有进行监控系统的任何操作、设定及修改生产过程的相关参数、报警处理及消息归档等权限。

③ 操作员权限：操作员级只能进行简单的生产过程控制，但是具备基本的系统操作权限。比如：查看控制画面、确认报警信息、确认通信故障、消息归档操作等。

(2) 远程监控安全

在设计远程监控Web Server时，监控系统需要连接到外部网络，数据和网络的安全是远程监控系统设计的重中之重[10-11]，因此根据安全性和系统条件要求，在系统运行时必须采用防火墙。

3硬件设计及其选型

浅水测试场总监控系统采用西门子工控产品。其中工控机选取IPC647C，其性能高且系统响应时间极短，系统可用性和数据安全性非常高。网络交换机选用SCALANCE X408-2，具有综合冗余管理功能，能够组成冗余环网，提高通信网络的可靠性，并且有4个10/100/1 000 Mbit/s和4个10/100 Mbit/s RJ45端口和2个光纤接口，传输速度完全满足测试场视频数据传输需要。浅水测试场监控系统的主要设备与UPS电源连接，当不间断电源超载时或出现故障情况时，UPS就会提供市电给负载。显示设备采用8块三星46英寸(1英寸=25.4 mm)超窄边液晶显示器单元拼接而成，大屏幕电视墙的视频阵列矩阵通过VGA视频线与子任务的服务器连接，实现子任务监控画面的接入。

4结束语

综上所述，通过WinCC组态软件搭建了一个浅水测试场分布式监控系统。该系统能够保存5个子任务的工艺过程参数与监控视频，并且具有远程监控能力。主服务器采用双机热备，具有一定的可靠性。每个子任务都具有自己的服务器，能够通过TCP/IP协议同主从服务器进行通信。结合大屏幕监控技术，系统实现了将各个子任务画面在大屏幕上的全屏与单屏显示，同时避免了总监控系统对各个子任务画面的二次组态，提高了总监控系统的稳定性和可维护性，减少了主/从服务器的工作量。

参考文献

[1] 梁稷，姚宝恒，曲有杰，等.水下生产系统测试技术综述[J].中国测试，2012，38(1)：38-40.

[2] 陈斌，苏峰，张凡，等.水下生产系统测试水池应用现状研究[J].石油机械，2014，42(2)：45-48.

[3] 罗安.DCS的过去、现在未来[J].自动化博览，2002(6)：3-8.

[4] Chapman,C M.Distributed control for sistributed systems[C]∥IEE Colloquium,1990:1-5.

[5] 张晓杰，刘海昌.基于W inCC的数据采集和监控系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2007(4)：53-55.

[6] 郝洪亮，常珍，张飞.基于WinCC的监控系统在钻井顶驱系统中的应用[J].装备应用与研究，2013，363(9)：36-37.

[7] 张涛，陈志军.第三方软件与监控系统远程数据交互的应用[J].自动化仪表，2013，34(6)：51-54.

[8] 贾云婷，王喜军.油田基于WinCC Web Navigator的远程数据采集控制系统的设计[J].工业控制计算机，2010，23(3)：12-13.

[9] 杨秀爽.基于Web的PLC远程实验室设计与实现[D].南京：南京理工大学，2008.

[10]徐新黎,叶棋标,张静，等.计算机远程监控系统中的安全技术[J].浙江工业大学学报，2004，32(4)：190-197.

中图分类号：TP271

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503007

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2011ZX05027-004-04)。

修改稿收到日期：2014-08-30。

第一作者杨安(1982-)，男，2005年毕业于天津大学测控技术与仪器专业，获学士学位，工程师；主要从事水下控制相关工作的研究。