摘? 要: 簡要論述了以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化" title="工業(yè)自動(dòng)化">工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的優(yōu)勢,深入介紹了基于以太網(wǎng)的油田SCADA系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件實(shí)現(xiàn)方法,總結(jié)了該系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞: 工業(yè)以太網(wǎng)" title="工業(yè)以太網(wǎng)">工業(yè)以太網(wǎng)? SCADA系統(tǒng)? 油田

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　　現(xiàn)場總線的出現(xiàn)給工業(yè)自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。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(shí)現(xiàn)全面的無縫信息集成,并提供一個(gè)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(dòng)化的基于TCP/IP" title="TCP/IP">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(dòng)化,以太網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn):(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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu);(5)能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)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(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用及初期投資。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問題,已通過智能集線器的使用、主動(dòng)切換功能的實(shí)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(xì)選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(shí)時(shí)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(dá)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(jī)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(jí)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(shí)現(xiàn)無縫上傳,無法實(shí)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(kuò)展,實(shí)現(xiàn)油井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(diǎn)是地區(qū)偏遠(yuǎn)、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(diǎn),采用無線以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對采油小隊(duì)周圍的11口油井的監(jiān)控,其中有雙姊妹井(4#、5#井間距離很近)和三姊妹井(6#～8#井,9#～11#井)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)可以分成三級(jí),即現(xiàn)場級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。抽油機(jī)" title="油機(jī)">油機(jī)、注水終端、自動(dòng)計(jì)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(jí),可完成動(dòng)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(bào)警等;中心控制室建立在采油小隊(duì)里,完成對該小隊(duì)管轄內(nèi)的所有抽油機(jī)、計(jì)量站的油、水井終端和自動(dòng)計(jì)量設(shè)備的參數(shù)設(shè)置,對現(xiàn)場各類控制信息進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、分析、診斷,可即時(shí)監(jiān)測和控制所有遠(yuǎn)程終端,構(gòu)成了系統(tǒng)的監(jiān)控級(jí);采油廠和作業(yè)區(qū)通過撥號(hào)方式登錄數(shù)據(jù)服務(wù)器,構(gòu)成系統(tǒng)的管理級(jí),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,從而對油井開發(fā)做出科學(xué)的決策。整套系統(tǒng)采用基于PC機(jī)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(diǎn)數(shù)可任意增加。

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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(jì)量站數(shù)據(jù)采集及操作控制的智能終端設(shè)備。選用臺(tái)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(duì)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(kuò)DSSS的傳輸方式,速率可達(dá)11Mbps，支持TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),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(huì)限制的頻道。同時(shí),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(duì)的位置架設(shè)全向天線,就可實(shí)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?yàn)殡x中控室較近,用同軸細(xì)纜通過HUB與交換機(jī)相連,計(jì)量站與小隊(duì)間采用線纜方式連接。中控室的交換機(jī)將監(jiān)控工作站和各路設(shè)備連接起來。交換機(jī)是一種智能HUB，它能識(shí)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(diǎn),使原來的“共享式”帶寬變成了“獨(dú)占式”帶寬,較好地解決了帶寬問題。通過交換機(jī)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。Think&Do是一種基于PC機(jī)的監(jiān)控軟件,它集邏輯控制、HMI人機(jī)接口、運(yùn)動(dòng)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(jī)與I/O" title="I/O">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(jìn)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(shí)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(jìn)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。

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　　本系統(tǒng)通過運(yùn)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(jìn)行刷新并將所有數(shù)據(jù)分類保存在文本文件(.TXT)中。同時(shí),利用Think&Do開發(fā)出良好的人機(jī)界面,用以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制設(shè)備;利用它的RUN模塊可運(yùn)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(bào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換是通過COM組件實(shí)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(shí)傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器以備上一級(jí)查詢,它們之間可通過DCOM標(biāo)準(zhǔn)接口或Think&Do的TnDNTag控件進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yuǎn)程登陸程序,可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢或下達(dá)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(jī)光桿所承受的負(fù)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(jìn)行分析,可達(dá)到優(yōu)化抽油機(jī)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(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示出來。根據(jù)采油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在光桿上安裝了負(fù)荷傳感器,而編碼器安裝在采油機(jī)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(fù)荷傳感器和編碼器信號(hào)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(hào)通過Calculation模塊轉(zhuǎn)換為光桿的位移坐標(biāo)。有了負(fù)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的示功圖曲線,如圖3所示。實(shí)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。

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2 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能及系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)的功能

　　在這個(gè)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(fù)荷、溫度、壓力、流量、液位等)進(jìn)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(bào)表和通過CRT屏幕進(jìn)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(shí)際監(jiān)控過程的需要及監(jiān)控進(jìn)程的情況,對運(yùn)行狀態(tài)的信息進(jìn)行分析,給出故障類型、出錯(cuò)位置和出錯(cuò)原因,并以圖、文、聲等多種形式及時(shí)作出報(bào)警。

　　(3)數(shù)據(jù)庫功能

　　數(shù)據(jù)庫功能是將檢測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、人工輸入的數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行分析、歸納、整理、計(jì)算等二次加工,并制成實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫加以存儲(chǔ)。

　　(4)控制功能

　　控制功能主要是實(shí)現(xiàn)對采油機(jī)的遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)啟停,在檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)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(diǎn)

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

　　(1)開放性

　　整個(gè)系統(tǒng)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(jī)的控制方式。它實(shí)現(xiàn)了辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無縫結(jié)合,其良好的互聯(lián)性和可擴(kuò)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(shí)時(shí)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(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(hào)隔離和屏蔽等)給數(shù)據(jù)的保護(hù)提供了強(qiáng)大的安全性和可靠性。

　　(3)可維護(hù)性

　　Think&Do軟件具有自診斷功能,若遠(yuǎn)程RTU上的模塊插錯(cuò)或有故障,均會(huì)被總控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷出來。RTU支持熱插拔,單個(gè)模塊的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　(4)可擴(kuò)充性

　　系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計(jì)方法,系統(tǒng)擴(kuò)充、I/O擴(kuò)展都非常方便。遠(yuǎn)程RTU全部采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出信號(hào),功能擴(kuò)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(yùn)行。實(shí)際運(yùn)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(dòng)計(jì)量到啟停等所有操作控制,都由系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了無人值守,大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率,取得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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