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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)油井數(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,取得了相當可觀的經(jīng)濟效益｡ |
