現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)總線仍沒(méi)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(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)縫信息集成，并提供一個(gè)開(kāi)放的基礎(chǔ)構(gòu)架，但目前的現(xiàn)場(chǎng)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協(xié)議的以太網(wǎng)，越來(lái)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(kāi)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(wèn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，共享/訪問(wèn)多數(shù)據(jù)庫(kù);（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(wú)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(wèn)題，已通過(guò)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(guò)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(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(dá)國(guó)家相比，我國(guó)石油開(kāi)采技術(shù)水平有一定差距?目前我國(guó)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(chǎng)的數(shù)據(jù)還不能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫上傳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效的采油調(diào)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(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(wú)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(chǎng)特點(diǎn)，采用無(wú)線以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采油小隊(duì)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(gè)系統(tǒng)可以分成三級(jí)，即現(xiàn)場(chǎng)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)?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(chǎng)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(duì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(guò)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(duì)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(duì)油井開(kāi)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(chǎng)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(cè)點(diǎn)數(shù)可任意增加?

1.2 硬件構(gòu)成

本SCADA系統(tǒng)以美國(guó)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(wú)線以太網(wǎng)路由器？MAP811 和無(wú)線以太網(wǎng)橋？MAP811E 作為采油小隊(duì)與油井之間的無(wú)線通信設(shè)備?該以太網(wǎng)路由器和無(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)?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(lái)的“共享式”帶寬變成了“獨(dú)占式”帶寬，較好地解決了帶寬問(wèn)題?通過(guò)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(guó)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(kāi)放性，下邊對(duì)I/O開(kāi)放，可以支持很多種I/O模塊;上邊對(duì)許多管理及通訊的應(yīng)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用的ERP管理軟件進(jìn)行連接?在本系統(tǒng)中，Think&Do與現(xiàn)場(chǎng)RTU的通信是通過(guò)基于TCP/IP的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，因而無(wú)需開(kāi)發(fā)通信程序或協(xié)議，可直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊進(jìn)行讀取或?qū)懭耄蟠蠼档土碎_(kāi)發(fā)難度并縮短了開(kāi)發(fā)周期?

本系統(tǒng)通過(guò)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(guò)COM組件實(shí)現(xiàn)的?監(jiān)控工作站上的原始數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(guò)VB開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程登陸程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)

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(duì)油田極為重要，應(yīng)用示功圖的比較和分析診斷技術(shù)，對(duì)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(lái)?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(chǎng)RTU將負(fù)荷傳感器和編碼器信號(hào)通過(guò)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(guò)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(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(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(cè)井儀器測(cè)出來(lái)的示功圖完全吻合?

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(duì)象的檢測(cè)?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(duì)被監(jiān)控對(duì)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(guò)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(guò)程的需要及監(jiān)控進(jìn)程的情況，對(duì)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(kù)功能

數(shù)據(jù)庫(kù)功能是將檢測(cè)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(kù)加以存儲(chǔ)?

（4）控制功能

控制功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)采油機(jī)的遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)啟停，在檢測(cè)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(duì)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(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(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(jiǎn)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(wú)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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