基于以太網實現油田生產管理與監控一體化系統的設計

現場總線的出現給工業自動化領域帶來了一場深層次的革命，但至今現場總線仍沒有完全統一的通信標準?信息技術的飛速發展要求企業從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架，但目前的現場總線尚不能滿足這些要求?因而，已廣泛應用于商業和辦公自動化的基于TCP/IP協議的以太網，越來越受到人們的關注?應用于工業自動化，以太網有以下優點：（1）具有相當高的數據傳輸速率，能提供足夠的帶寬;？（2）是一種標準的開放式網絡，不同廠商的設備很容易互聯;（3）能便捷地訪問遠程系統，共享/訪問多數據庫;（4）允許使用不同的物理介質和構成不同的拓撲結構;（5）能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接;（6）能降低成本，包括技術人員的培訓費用?維護費用及初期投資?至于以太網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?優先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決?通過提高數據傳輸速率?仔細選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可將發生數據沖突的概率降到最低?在逐步解決了以太網的實時性和確定性問題以后，工業以太網必將成為工業控制網絡的主流技術?

與發達國家相比，我國石油開采技術水平有一定差距?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，但油井現場的數據還不能實現無縫上傳，無法實現高效的采油調度管理?本文將介紹如何通過建立油田生產SCADA Supervisory Control and Data Acquisition系統，使油田信息網絡向井口擴展，實現油井數據的實時傳送和信息網絡的無縫鏈接，逐步形成油田生產管理與監控一體化的信息網絡?

1 系統構成

眾所周知，油井的管理是油田生產管理中關鍵的一環，其特點是地區偏遠?工作量大?技術難度高?本SCADA系統充分考慮到油田的現場特點，采用無線以太網實現了對采油小隊周圍的11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

整個系統可以分成三級，即現場級?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，構成了系統的現場級，可完成動態數據的采集?應急處理?數據傳送?狀態反饋和故障報警等;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?水井終端和自動計量設備的參數設置，對現場各類控制信息進行采集?儲存?分析?診斷，可即時監測和控制所有遠程終端，構成了系統的監控級;采油廠和作業區通過撥號方式登錄數據服務器，構成系統的管理級，可向企業決策者提供及時?可靠的油井信息，幫助決策者對油藏工程?采油工程?地面工程和生產管理等各方面進行量的分析和論證，從而對油井開發做出科學的決策?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作為通信協議，以太網向下延伸，直接應用于現場設備之間的通信?系統采用模塊化產品，配置靈活，檢測點數可任意增加?

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公司的無線以太網路由器？MAP811 和無線以太網橋？MAP811E 作為采油小隊與油井之間的無線通信設備?該以太網路由器和無線以太網橋采用直擴DSSS的傳輸方式，速率可達11Mbps？支持TCP/IP協議標準，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?通過在井口架設定向天線和在采油小隊的位置架設全向天線，就可實現井口與監控工作站的通信?姊妹井共用一套無線通信設備?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控工作站和各路設備連接起來?交換機是一種智能HUB？它能識別并處理所接收的數據的目的地址，將它們發送到目的端口?交換式以太網克服了傳統以太網的缺點，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）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軟件?系統的軟件實現框圖如圖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?運動控制?PID回路控制?在線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?在本系統中，Think&Do與現場RTU的通信是通過基于TCP/IP的以太網實現的，因而無需開發通信程序或協議，可直接對現場I/O模塊進行讀取或寫入，大大降低了開發難度并縮短了開發周期?

本系統通過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數據進行刷新并將所有數據分類保存在文本文件（.TXT）中?同時，利用Think&Do開發出良好的人機界面，用以顯示實時數據和控制設備;利用它的RUN模塊可運行外部可執行文件（.EXE）的功能，用VB開發一些產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之間的實時數據交換是通過COM組件實現的?監控工作站上的原始數據通過100M以太網及時傳送給數據服務器以備上一級查詢，它們之間可通過DCOM標準接口或Think&Do的TnDNTag控件進行實時數據通信?數據服務器和廠部及作業區之間采用C1ient/Server模式，通過VB開發的遠程登陸程序，可實現對數據的查詢或下達調控指令?

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，對深井泵和油層生產狀況進行分析，可達到優化抽油機井控制模式和參數的目的?本系統的任務之一就是將示功圖實時?動態地顯示出來?根據采油機的結構特點，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，必須將它轉換為光桿的線位移?現場RTU將負荷傳感器和編碼器信號通過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 ，便可繪制出實時?動態的示功圖曲線，如圖3所示?實踐證明，本系統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 系統所實現的功能及系統特點

2.1 系統的功能

在這個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CRT屏幕進行顯示 ?

（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，系統可根據實際監控過程的需要及監控進程的情況，對運行狀態的信息進行分析，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）數據庫功能

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

（4）控制功能

控制功能主要是實現對采油機的遠程控制及自動啟停，在檢測的基礎上進行信息加工，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

與傳統的監控系統相比，本SCADA系統有以下特點：

（1）開放性

整個系統的各個層次都建立在Ethernet和TCP/IP協議之上，并采用基于PC機的控制方式?它實現了辦公自動化與工業自動化的無縫結合，其良好的互聯性和可擴展性使之成為一種真正意義上全開放的網絡體系結構?

（2）實時性和可靠性

以太網極高的數據傳輸速率?數據交換技術和Think&Do軟件50ms的掃描頻率，保證了系統的實時性;TCP/IP以太網通訊協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，均會被總控室監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，功能擴充非常簡便?

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

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