基于以太網(wǎng)實現(xiàn)油田生產(chǎn)管理與監(jiān)控一體化系統(tǒng)的設(shè)計

現(xiàn)場總線的出現(xiàn)給工業(yè)自動化領(lǐng)域帶來了一場深層次的革命，但至今現(xiàn)場總線仍沒有完全統(tǒng)一的通信標準?信息技術(shù)的飛速發(fā)展要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，但目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求?因而，已廣泛應(yīng)用于商業(yè)和辦公自動化的基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，越來越受到人們的關(guān)注?應(yīng)用于工業(yè)自動化，以太網(wǎng)有以下優(yōu)點：（1）具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能提供足夠的帶寬;？（2）是一種標準的開放式網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián);（3）能便捷地訪問遠程系統(tǒng)，共享/訪問多數(shù)據(jù)庫;（4）允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu);（5）能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接;（6）能降低成本，包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費用?維護費用及初期投資?至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，已通過智能集線器的使用?主動切換功能的實現(xiàn)?優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決?通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率?仔細選擇網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負載等，可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低?在逐步解決了以太網(wǎng)的實時性和確定性問題以后，工業(yè)以太網(wǎng)必將成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)?

與發(fā)達國家相比，我國石油開采技術(shù)水平有一定差距?目前我國的采油井95%以上是機采，大多數(shù)數(shù)據(jù)采集依靠人工完成?雖然已建立了石油管理局一級的MES（或MIS）管理信息系統(tǒng)，但油井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)還不能實現(xiàn)無縫上傳，無法實現(xiàn)高效的采油調(diào)度管理?本文將介紹如何通過建立油田生產(chǎn)SCADA Supervisory Control and Data Acquisition系統(tǒng)，使油田信息網(wǎng)絡(luò)向井口擴展，實現(xiàn)油井?dāng)?shù)據(jù)的實時傳送和信息網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接，逐步形成油田生產(chǎn)管理與監(jiān)控一體化的信息網(wǎng)絡(luò)?

1 系統(tǒng)構(gòu)成

眾所周知，油井的管理是油田生產(chǎn)管理中關(guān)鍵的一環(huán)，其特點是地區(qū)偏遠?工作量大?技術(shù)難度高?本SCADA系統(tǒng)充分考慮到油田的現(xiàn)場特點，采用無線以太網(wǎng)實現(xiàn)了對采油小隊周圍的11口油井的監(jiān)控，其中有雙姊妹井（4#?4#井間距離很近）和三姊妹井（6#~8#，9#~11#）?

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)可以分成三級，即現(xiàn)場級?監(jiān)控級和管理級?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?抽油機?注水終端?自動計量終端等RTU？Remote Terminal Unit 為該系統(tǒng)的最底層，構(gòu)成了系統(tǒng)的現(xiàn)場級，可完成動態(tài)數(shù)據(jù)的采集?應(yīng)急處理?數(shù)據(jù)傳送?狀態(tài)反饋和故障報警等;中心控制室建立在采油小隊里，完成對該小隊管轄內(nèi)的所有抽油機?計量站的油?水井終端和自動計量設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，對現(xiàn)場各類控制信息進行采集?儲存?分析?診斷，可即時監(jiān)測和控制所有遠程終端，構(gòu)成了系統(tǒng)的監(jiān)控級;采油廠和作業(yè)區(qū)通過撥號方式登錄數(shù)據(jù)服務(wù)器，構(gòu)成系統(tǒng)的管理級，可向企業(yè)決策者提供及時?可靠的油井信息，幫助決策者對油藏工程?采油工程?地面工程和生產(chǎn)管理等各方面進行量的分析和論證，從而對油井開發(fā)做出科學(xué)的決策?整套系統(tǒng)采用基于PC機的控制方式，將Windows2000/NT作為操作系統(tǒng)，將TCP/IP作為通信協(xié)議，以太網(wǎng)向下延伸，直接應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備之間的通信?系統(tǒng)采用模塊化產(chǎn)品，配置靈活，檢測點數(shù)可任意增加?

1.2 硬件構(gòu)成

本SCADA系統(tǒng)以美國Optimation公司的OptiLogic以太網(wǎng)RTU（10Mbps）作為油井和計量站數(shù)據(jù)采集及操作控制的智能終端設(shè)備?選用臺灣Macromate公司的無線以太網(wǎng)路由器？MAP811 和無線以太網(wǎng)橋？MAP811E 作為采油小隊與油井之間的無線通信設(shè)備?該以太網(wǎng)路由器和無線以太網(wǎng)橋采用直擴DSSS的傳輸方式，速率可達11Mbps？支持TCP/IP協(xié)議標準，工作頻段為2.4GHz ISM自由頻段，該范圍是不受無線電管理委員會限制的頻道?同時，這種頻率段不易受干擾影響?通過在井口架設(shè)定向天線和在采油小隊的位置架設(shè)全向天線，就可實現(xiàn)井口與監(jiān)控工作站的通信?姊妹井共用一套無線通信設(shè)備?3#井因為離中控室較近，用同軸細纜通過HUB與交換機相連，計量站與小隊間采用線纜方式連接?中控室的交換機將監(jiān)控工作站和各路設(shè)備連接起來?交換機是一種智能HUB？它能識別并處理所接收的數(shù)據(jù)的目的地址，將它們發(fā)送到目的端口?交換式以太網(wǎng)克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的缺點，使原來的“共享式”帶寬變成了“獨占式”帶寬，較好地解決了帶寬問題?通過交換機的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）功能，將監(jiān)控工作站與其它端口之間分別設(shè)為VLAN，減少了不必要的廣播流量和數(shù)據(jù)沖突?

1.3 軟件實現(xiàn)

本SCADA系統(tǒng)以美國Entivity公司Think&Do控制軟件作為采油小隊中央控制室監(jiān)控工作站的監(jiān)控組態(tài)軟件?系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)框圖如圖2所示?Think&Do是一種基于PC機的監(jiān)控軟件，它集邏輯控制?HMI人機接口?運動控制?PID回路控制?在線調(diào)試與修改功能于一身，在用普通PC機與I/O模塊相連組成的系統(tǒng)中執(zhí)行上述功能?Think&Do組成的自控系統(tǒng)解決方案具有非常好的開放性，下邊對I/O開放，可以支持很多種I/O模塊;上邊對許多管理及通訊的應(yīng)用軟件開放，可以利用OPC?DDE?COM/DCOM等通用的通訊接口同一些通用的軟件及某些專用的ERP管理軟件進行連接?在本系統(tǒng)中，Think&Do與現(xiàn)場RTU的通信是通過基于TCP/IP的以太網(wǎng)實現(xiàn)的，因而無需開發(fā)通信程序或協(xié)議，可直接對現(xiàn)場I/O模塊進行讀取或?qū)懭?，大大降低了開發(fā)難度并縮短了開發(fā)周期?

本系統(tǒng)通過運行于監(jiān)控工作站的Think&Do應(yīng)用軟件，以50ms的掃描速率對所有I/O數(shù)據(jù)進行刷新并將所有數(shù)據(jù)分類保存在文本文件（.TXT）中?同時，利用Think&Do開發(fā)出良好的人機界面，用以顯示實時數(shù)據(jù)和控制設(shè)備;利用它的RUN模塊可運行外部可執(zhí)行文件（.EXE）的功能，用VB開發(fā)一些產(chǎn)生特殊報表和界面的程序（例如示功圖的繪制程序），以滿足用戶的需要?VB和Think&Do之間的實時數(shù)據(jù)交換是通過COM組件實現(xiàn)的?監(jiān)控工作站上的原始數(shù)據(jù)通過100M以太網(wǎng)及時傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器以備上一級查詢，它們之間可通過DCOM標準接口或Think&Do的TnDNTag控件進行實時數(shù)據(jù)通信?數(shù)據(jù)服務(wù)器和廠部及作業(yè)區(qū)之間采用C1ient/Server模式，通過VB開發(fā)的遠程登陸程序，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢或下達調(diào)控指令?

1.4 示功圖的監(jiān)測

所謂示功圖就是以采油機光桿所承受的負荷為Y軸，以光桿的位移為X軸所繪制的平面圖?示功圖對油田極為重要，應(yīng)用示功圖的比較和分析診斷技術(shù)，對深井泵和油層生產(chǎn)狀況進行分析，可達到優(yōu)化抽油機井控制模式和參數(shù)的目的?本系統(tǒng)的任務(wù)之一就是將示功圖實時?動態(tài)地顯示出來?根據(jù)采油機的結(jié)構(gòu)特點，在光桿上安裝了負荷傳感器，而編碼器安裝在采油機曲柄軸上?顯然，這樣得到的是角位移的編碼，必須將它轉(zhuǎn)換為光桿的線位移?現(xiàn)場RTU將負荷傳感器和編碼器信號通過Ethernet 送至監(jiān)控工作站，Think&Do監(jiān)控程序?qū)呙璧降木幋a信號通過Calculation模塊轉(zhuǎn)換為光桿的位移坐標?有了負荷和光桿的位移值，通過VB繪制圖形是輕而易舉的事情?如上所述，VB和Think&Do通過COM接口可進行實時數(shù)據(jù)通信，利用VB的Picture控件和Timer控件？Interval屬性設(shè)為50ms，與Think&Do掃描頻率同步 ，便可繪制出實時?動態(tài)的示功圖曲線，如圖3所示?實踐證明，本系統(tǒng)繪制的示功圖與油田的專用測井儀器測出來的示功圖完全吻合?

2 系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能及系統(tǒng)特點

2.1 系統(tǒng)的功能

在這個SCADA系統(tǒng)中，監(jiān)控工作站直接參與被監(jiān)控對象的檢測?監(jiān)督和控制，主要有以下四方面的功能：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理功能

系統(tǒng)對被監(jiān)控對象（負荷?溫度?壓力?流量?液位等）進行數(shù)據(jù)采集和必要的預(yù)處理，并將采集的結(jié)果以一定的形式輸出？如打印報表和通過CRT屏幕進行顯示 ?

（2）故障診斷功能

故障主要包括參數(shù)越限?非法闖入和設(shè)備故障等，系統(tǒng)可根據(jù)實際監(jiān)控過程的需要及監(jiān)控進程的情況，對運行狀態(tài)的信息進行分析，給出故障類型?出錯位置和出錯原因，并以圖?文?聲等多種形式及時作出報警?

（3）數(shù)據(jù)庫功能

數(shù)據(jù)庫功能是將檢測的實時數(shù)據(jù)?人工輸入的數(shù)據(jù)等信息進行分析?歸納?整理?計算等二次加工，并制成實時和歷史數(shù)據(jù)庫加以存儲?

（4）控制功能

控制功能主要是實現(xiàn)對采油機的遠程控制及自動啟停，在檢測的基礎(chǔ)上進行信息加工，根據(jù)事先決定的控制策略形成控制輸出，直接作用于被控對象?

2.2 系統(tǒng)的特點

與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，本SCADA系統(tǒng)有以下特點：

（1）開放性

整個系統(tǒng)的各個層次都建立在Ethernet和TCP/IP協(xié)議之上，并采用基于PC機的控制方式?它實現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合，其良好的互聯(lián)性和可擴展性使之成為一種真正意義上全開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)?

（2）實時性和可靠性

以太網(wǎng)極高的數(shù)據(jù)傳輸速率?數(shù)據(jù)交換技術(shù)和Think&Do軟件50ms的掃描頻率，保證了系統(tǒng)的實時性;TCP/IP以太網(wǎng)通訊協(xié)議以及多方面的抗干擾措施？信號隔離和屏蔽等 給數(shù)據(jù)的保護提供了強大的安全性和可靠性?

（3）可維護性

Think&Do軟件具有自診斷功能，若遠程RTU上的模塊插錯或有故障，均會被總控室監(jiān)控計算機自動診斷出來?RTU支持熱插拔，單個模塊的故障不會影響整個系統(tǒng)的運行?

（4）可擴充性

系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計方法，系統(tǒng)擴充?I/O擴展都非常方便?遠程RTU全部采用標準的輸入輸出信號，功能擴充非常簡便?

本文介紹的基于以太網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)已經(jīng)在某油田運行?實際運行證明，該系統(tǒng)使油井的日常管理發(fā)生了質(zhì)的變化，從井口示功圖采集?油井自動計量到啟停等所有操作控制，都由系統(tǒng)遠程實現(xiàn)，實現(xiàn)了無人值守，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，取得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益?

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