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現場(chǎng)總線(xiàn)的出現給工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)深層次的革命,但至今現場(chǎng)總線(xiàn)仍沒(méi)有完全統一的通信標準｡信息技術(shù)的飛速發(fā)展要求企業(yè)從現場(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現全面的無(wú)縫信息集成,并提供一個(gè)開(kāi)放的基礎構架,但目前的現場(chǎng)總線(xiàn)尚不能滿(mǎn)足這些要求｡因而,已廣泛應用于商業(yè)和辦公自動(dòng)化的基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng),越來(lái)越受到人們的關(guān)注｡應用于工業(yè)自動(dòng)化,以太網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)具有相當高的數據傳輸速率,能提供足夠的帶寬;?(2)是一種標準的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò ),不同廠(chǎng)商的設備很容易互聯(lián);(3)能便捷地訪(fǎng)問(wèn)遠程系統,共享/訪(fǎng)問(wèn)多數據庫;(4)允許使用不同的物理介質(zhì)和構成不同的拓撲結構;(5)能實(shí)現辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接;(6)能降低成本,包括技術(shù)人員的培訓費用､維護費用及初期投資｡至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問(wèn)題,已通過(guò)智能集線(xiàn)器的使用､主動(dòng)切換功能的實(shí)現､優(yōu)先權的引入以及雙工的布線(xiàn)等,基本上得到了解決｡通過(guò)提高數據傳輸速率､仔細選擇網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構及限制網(wǎng)絡(luò )負載等,可將發(fā)生數據沖突的概率降到最低｡在逐步解決了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)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(kāi)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,大多數數據采集依靠人工完成｡雖然已建立了石油管理局一級的MES(或MIS)管理信息系統,但油井現場(chǎng)的數據還不能實(shí)現無(wú)縫上傳,無(wú)法實(shí)現高效的采油調度管理｡本文將介紹如何通過(guò)建立油田生產(chǎn)SCADA Supervisory Control and Data Acquisition系統,使油田信息網(wǎng)絡(luò )向井口擴展,實(shí)現油井數據的實(shí)時(shí)傳送和信息網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫鏈接,逐步形成油田生產(chǎn)管理與監控一體化的信息網(wǎng)絡(luò )｡ 1 系統構成 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(diǎn)是地區偏遠､工作量大､技術(shù)難度高｡本SCADA系統充分考慮到油田的現場(chǎng)特點(diǎn),采用無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)實(shí)現了對采油小隊周?chē)?1口油井的監控,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 系統結構 整個(gè)系統可以分成三級,即現場(chǎng)級､監控級和管理級｡系統結構如圖1所示｡抽油機､注水終端､自動(dòng)計量終端等RTU?Remote Terminal Unit 為該系統的最底層,構成了系統的現場(chǎng)級,可完成動(dòng)態(tài)數據的采集､應急處理､數據傳送､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的所有抽油機､計量站的油､水井終端和自動(dòng)計量設備的參數設置,對現場(chǎng)各類(lèi)控制信息進(jìn)行采集､儲存､分析､診斷,可即時(shí)監測和控制所有遠程終端,構成了系統的監控級;采油廠(chǎng)和作業(yè)區通過(guò)撥號方式登錄數據服務(wù)器,構成系統的管理級,可向企業(yè)決策者提供及時(shí)､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(jìn)行量的分析和論證,從而對油井開(kāi)發(fā)做出科學(xué)的決策｡整套系統采用基于PC機的控制方式,將Windows2000/NT作為操作系統,將TCP/IP作為通信協(xié)議,以太網(wǎng)向下延伸,直接應用于現場(chǎng)設備之間的通信｡系統采用模塊化產(chǎn)品,配置靈活,檢測點(diǎn)數可任意增加｡ 1.2 硬件構成 本SCADA系統以美國Optimation公司的OptiLogic以太網(wǎng)RTU(10Mbps)作為油井和計量站數據采集及操作控制的智能終端設備｡選用臺灣Macromate公司的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)路由器?MAP811 和無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)橋?MAP811E 作為采油小隊與油井之間的無(wú)線(xiàn)通信設備｡該以太網(wǎng)路由器和無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )限制的頻道｡同時(shí),這種頻率段不易受干擾影響｡通過(guò)在井口架設定向天線(xiàn)和在采油小隊的位置架設全向天線(xiàn),就可實(shí)現井口與監控工作站的通信｡姊妹井共用一套無(wú)線(xiàn)通信設備｡3#井因為離中控室較近,用同軸細纜通過(guò)HUB與交換機相連,計量站與小隊間采用線(xiàn)纜方式連接｡中控室的交換機將監控工作站和各路設備連接起來(lái)｡交換機是一種智能HUB?它能識別并處理所接收的數據的目的地址,將它們發(fā)送到目的端口｡交換式以太網(wǎng)克服了傳統以太網(wǎng)的缺點(diǎn),使原來(lái)的"共享式"帶寬變成了"獨占式"帶寬,較好地解決了帶寬問(wèn)題｡通過(guò)交換機的VLAN(虛擬局域網(wǎng))功能,將監控工作站與其它端口之間分別設為VLAN,減少了不必要的廣播流量和數據沖突｡ 1.3 軟件實(shí)現 本SCADA系統以美國Entivity公司Think&Do控制軟件作為采油小隊中央控制室監控工作站的監控組態(tài)軟件｡系統的軟件實(shí)現框圖如圖2所示｡Think&Do是一種基于PC機的監控軟件,它集邏輯控制､HMI人機接口､運動(dòng)控制､PID回路控制､在線(xiàn)調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中執行上述功能｡Think&Do組成的自控系統解決方案具有非常好的開(kāi)放性,下邊對I/O開(kāi)放,可以支持很多種I/O模塊;上邊對許多管理及通訊的應用軟件開(kāi)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(zhuān)用的ERP管理軟件進(jìn)行連接｡在本系統中,Think&Do與現場(chǎng)RTU的通信是通過(guò)基于TCP/IP的以太網(wǎng)實(shí)現的,因而無(wú)需開(kāi)發(fā)通信程序或協(xié)議,可直接對現場(chǎng)I/O模塊進(jìn)行讀取或寫(xiě)入,大大降低了開(kāi)發(fā)難度并縮短了開(kāi)發(fā)周期｡ 本系統通過(guò)運行于監控工作站的Think&Do應用軟件,以50ms的掃描速率對所有I/O數據進(jìn)行刷新并將所有數據分類(lèi)保存在文本文件(.TXT)中｡同時(shí),利用Think&Do開(kāi)發(fā)出良好的人機界面,用以顯示實(shí)時(shí)數據和控制設備;利用它的RUN模塊可運行外部可執行文件(.EXE)的功能,用VB開(kāi)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(mǎn)足用戶(hù)的需要｡VB和Think&Do之間的實(shí)時(shí)數據交換是通過(guò)COM組件實(shí)現的｡監控工作站上的原始數據通過(guò)100M以太網(wǎng)及時(shí)傳送給數據服務(wù)器以備上一級查詢(xún),它們之間可通過(guò)DCOM標準接口或Think&Do的TnDNTag控件進(jìn)行實(shí)時(shí)數據通信｡數據服務(wù)器和廠(chǎng)部及作業(yè)區之間采用C1ient/Server模式,通過(guò)VB開(kāi)發(fā)的遠程登陸程序,可實(shí)現對數據的查詢(xún)或下達調控指令｡ 1.4 示功圖的監測 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(jìn)行分析,可達到優(yōu)化抽油機井控制模式和參數的目的｡本系統的任務(wù)之一就是將示功圖實(shí)時(shí)､動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)｡根據采油機的結構特點(diǎn),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,必須將它轉換為光桿的線(xiàn)位移｡現場(chǎng)RTU將負荷傳感器和編碼器信號通過(guò)Ethernet 送至監控工作站,Think&Do監控程序將掃描到的編碼信號通過(guò)Calculation模塊轉換為光桿的位移坐標｡有了負荷和光桿的位移值,通過(guò)VB繪制圖形是輕而易舉的事情｡如上所述,VB和Think&Do通過(guò)COM接口可進(jìn)行實(shí)時(shí)數據通信,利用VB的Picture控件和Timer控件?Interval屬性設為50ms,與Think&Do掃描頻率同步 ,便可繪制出實(shí)時(shí)､動(dòng)態(tài)的示功圖曲線(xiàn),如圖3所示｡實(shí)踐證明,本系統繪制的示功圖與油田的專(zhuān)用測井儀器測出來(lái)的示功圖完全吻合｡ 2 系統所實(shí)現的功能及系統特點(diǎn) 2.1 系統的功能 在這個(gè)SCADA系統中,監控工作站直接參與被監控對象的檢測､監督和控制,主要有以下四方面的功能: (1)數據采集與處理功能 系統對被監控對象(負荷､溫度､壓力､流量､液位等)進(jìn)行數據采集和必要的預處理,并將采集的結果以一定的形式輸出?如打印報表和通過(guò)CRT屏幕進(jìn)行顯示 ｡ (2)故障診斷功能 故障主要包括參數越限､非法闖入和設備故障等,系統可根據實(shí)際監控過(guò)程的需要及監控進(jìn)程的情況,對運行狀態(tài)的信息進(jìn)行分析,給出故障類(lèi)型､出錯位置和出錯原因,并以圖､文､聲等多種形式及時(shí)作出報警｡ (3)數據庫功能 數據庫功能是將檢測的實(shí)時(shí)數據､人工輸入的數據等信息進(jìn)行分析､歸納､整理､計算等二次加工,并制成實(shí)時(shí)和歷史數據庫加以存儲｡ (4)控制功能 控制功能主要是實(shí)現對采油機的遠程控制及自動(dòng)啟停,在檢測的基礎上進(jìn)行信息加工,根據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 系統的特點(diǎn) 與傳統的監控系統相比,本SCADA系統有以下特點(diǎn): (1)開(kāi)放性 整個(gè)系統的各個(gè)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(shí)現了辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無(wú)縫結合,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(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )體系結構｡ (2)實(shí)時(shí)性和可靠性 以太網(wǎng)極高的數據傳輸速率､數據交換技術(shù)和Think&Do軟件50ms的掃描頻率,保證了系統的實(shí)時(shí)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 給數據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(huì )被總控室監控計算機自動(dòng)診斷出來(lái)｡RTU支持熱插拔,單個(gè)模塊的故障不會(huì )影響整個(gè)系統的運行｡ (4)可擴充性 系統全部采用模塊化設計方法,系統擴充､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(jiǎn)便｡ 本文介紹的基于以太網(wǎng)的SCADA系統已經(jīng)在某油田運行｡實(shí)際運行證明,該系統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(dòng)計量到啟停等所有操作控制,都由系統遠程實(shí)現,實(shí)現了無(wú)人值守,大大降低了勞動(dòng)強度,提高了生產(chǎn)效率,取得了相當可觀(guān)的經(jīng)濟效益｡ |
