基于以太网实现油田生产管理与监控一体化系统的设计

现场总线的出现给工业自动化领域带来了一场深层次的革命，但至今现场总线仍没有完全统一的通信标准｡信息技术的飞速发展要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求｡因而，已广泛应用于商业和办公自动化的基于TCP/IP协议的以太网，越来越受到人们的关注｡应用于工业自动化，以太网有以下优点：（1）具有相当高的数据传输速率，能提供足够的带宽;？（2）是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联;（3）能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库;（4）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构;（5）能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接;（6）能降低成本，包括技术人员的培训费用､维护费用及初期投资｡至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已通过智能集线器的使用､主动切换功能的实现､优先权的引入以及双工的布线等，基本上得到了解决｡通过提高数据传输速率､仔细选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，可将发生数据冲突的概率降到最低｡在逐步解决了以太网的实时性和确定性问题以后，工业以太网必将成为工业控制网络的主流技术｡

与发达国家相比，我国石油开采技术水平有一定差距｡目前我国的采油井95%以上是机采，大多数数据采集依靠人工完成｡虽然已建立了石油管理局一级的MES（或MIS）管理信息系统，但油井现场的数据还不能实现无缝上传，无法实现高效的采油调度管理｡本文将介绍如何通过建立油田生产SCADA Supervisory Control and Data Acquisition系统，使油田信息网络向井口扩展，实现油井数据的实时传送和信息网络的无缝链接，逐步形成油田生产管理与监控一体化的信息网络｡

1 系统构成

众所周知，油井的管理是油田生产管理中关键的一环，其特点是地区偏远､工作量大､技术难度高｡本SCADA系统充分考虑到油田的现场特点，采用无线以太网实现了对采油小队周围的11口油井的监控，其中有双姊妹井（4#､4#井间距离很近）和三姊妹井（6#~8#，9#~11#）｡

1.1 系统结构

整个系统可以分成三级，即现场级､监控级和管理级｡系统结构如图1所示｡抽油机､注水终端､自动计量终端等RTU？Remote Terminal Unit 为该系统的最底层，构成了系统的现场级，可完成动态数据的采集､应急处理､数据传送､状态反馈和故障报警等;中心控制室建立在采油小队里，完成对该小队管辖内的所有抽油机､计量站的油､水井终端和自动计量设备的参数设置，对现场各类控制信息进行采集､储存､分析､诊断，可即时监测和控制所有远程终端，构成了系统的监控级;采油厂和作业区通过拨号方式登录数据服务器，构成系统的管理级，可向企业决策者提供及时､可靠的油井信息，帮助决策者对油藏工程､采油工程､地面工程和生产管理等各方面进行量的分析和论证，从而对油井开发做出科学的决策｡整套系统采用基于PC机的控制方式，将Windows2000/NT作为操作系统，将TCP/IP作为通信协议，以太网向下延伸，直接应用于现场设备之间的通信｡系统采用模块化产品，配置灵活，检测点数可任意增加｡

1.2 硬件构成

本SCADA系统以美国Optimation公司的OptiLogic以太网RTU（10Mbps）作为油井和计量站数据采集及操作控制的智能终端设备｡选用台湾Macromate公司的无线以太网路由器？MAP811 和无线以太网桥？MAP811E 作为采油小队与油井之间的无线通信设备｡该以太网路由器和无线以太网桥采用直扩DSSS的传输方式，速率可达11Mbps？支持TCP/IP协议标准，工作频段为2.4GHz ISM自由频段，该范围是不受无线电管理委员会限制的频道｡同时，这种频率段不易受干扰影响｡通过在井口架设定向天线和在采油小队的位置架设全向天线，就可实现井口与监控工作站的通信｡姊妹井共用一套无线通信设备｡3#井因为离中控室较近，用同轴细缆通过HUB与交换机相连，计量站与小队间采用线缆方式连接｡中控室的交换机将监控工作站和各路设备连接起来｡交换机是一种智能HUB？它能识别并处理所接收的数据的目的地址，将它们发送到目的端口｡交换式以太网克服了传统以太网的缺点，使原来的“共享式”带宽变成了“独占式”带宽，较好地解决了带宽问题｡通过交换机的VLAN（虚拟局域网）功能，将监控工作站与其它端口之间分别设为VLAN，减少了不必要的广播流量和数据冲突｡

1.3 软件实现

本SCADA系统以美国Entivity公司Think&Do控制软件作为采油小队中央控制室监控工作站的监控组态软件｡系统的软件实现框图如图2所示｡Think&Do是一种基于PC机的监控软件，它集逻辑控制､HMI人机接口､运动控制､PID回路控制､在线调试与修改功能于一身，在用普通PC机与I/O模块相连组成的系统中执行上述功能｡Think&Do组成的自控系统解决方案具有非常好的开放性，下边对I/O开放，可以支持很多种I/O模块;上边对许多管理及通讯的应用软件开放，可以利用OPC､DDE､COM/DCOM等通用的通讯接口同一些通用的软件及某些专用的ERP管理软件进行连接｡在本系统中，Think&Do与现场RTU的通信是通过基于TCP/IP的以太网实现的，因而无需开发通信程序或协议，可直接对现场I/O模块进行读取或写入，大大降低了开发难度并缩短了开发周期｡

本系统通过运行于监控工作站的Think&Do应用软件，以50ms的扫描速率对所有I/O数据进行刷新并将所有数据分类保存在文本文件（.TXT）中｡同时，利用Think&Do开发出良好的人机界面，用以显示实时数据和控制设备;利用它的RUN模块可运行外部可执行文件（.EXE）的功能，用VB开发一些产生特殊报表和界面的程序（例如示功图的绘制程序），以满足用户的需要｡VB和Think&Do之间的实时数据交换是通过COM组件实现的｡监控工作站上的原始数据通过100M以太网及时传送给数据服务器以备上一级查询，它们之间可通过DCOM标准接口或Think&Do的TnDNTag控件进行实时数据通信｡数据服务器和厂部及作业区之间采用C1ient/Server模式，通过VB开发的远程登陆程序，可实现对数据的查询或下达调控指令｡

1.4 示功图的监测

所谓示功图就是以采油机光杆所承受的负荷为Y轴，以光杆的位移为X轴所绘制的平面图｡示功图对油田极为重要，应用示功图的比较和分析诊断技术，对深井泵和油层生产状况进行分析，可达到优化抽油机井控制模式和参数的目的｡本系统的任务之一就是将示功图实时､动态地显示出来｡根据采油机的结构特点，在光杆上安装了负荷传感器，而编码器安装在采油机曲柄轴上｡显然，这样得到的是角位移的编码，必须将它转换为光杆的线位移｡现场RTU将负荷传感器和编码器信号通过Ethernet 送至监控工作站，Think&Do监控程序将扫描到的编码信号通过Calculation模块转换为光杆的位移坐标｡有了负荷和光杆的位移值，通过VB绘制图形是轻而易举的事情｡如上所述，VB和Think&Do通过COM接口可进行实时数据通信，利用VB的Picture控件和Timer控件？Interval属性设为50ms，与Think&Do扫描频率同步 ，便可绘制出实时､动态的示功图曲线，如图3所示｡实践证明，本系统绘制的示功图与油田的专用测井仪器测出来的示功图完全吻合｡

2 系统所实现的功能及系统特点

2.1 系统的功能

在这个SCADA系统中，监控工作站直接参与被监控对象的检测､监督和控制，主要有以下四方面的功能：

（1）数据采集与处理功能

系统对被监控对象（负荷､温度､压力､流量､液位等）进行数据采集和必要的预处理，并将采集的结果以一定的形式输出？如打印报表和通过CRT屏幕进行显示 ｡

（2）故障诊断功能

故障主要包括参数越限､非法闯入和设备故障等，系统可根据实际监控过程的需要及监控进程的情况，对运行状态的信息进行分析，给出故障类型､出错位置和出错原因，并以图､文､声等多种形式及时作出报警｡

（3）数据库功能

数据库功能是将检测的实时数据､人工输入的数据等信息进行分析､归纳､整理､计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以存储｡

（4）控制功能

控制功能主要是实现对采油机的远程控制及自动启停，在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于被控对象｡

2.2 系统的特点

与传统的监控系统相比，本SCADA系统有以下特点：

（1）开放性

整个系统的各个层次都建立在Ethernet和TCP/IP协议之上，并采用基于PC机的控制方式｡它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，其良好的互联性和可扩展性使之成为一种真正意义上全开放的网络体系结构｡

（2）实时性和可靠性

以太网极高的数据传输速率､数据交换技术和Think&Do软件50ms的扫描频率，保证了系统的实时性;TCP/IP以太网通讯协议以及多方面的抗干扰措施？信号隔离和屏蔽等 给数据的保护提供了强大的安全性和可靠性｡

（3）可维护性

Think&Do软件具有自诊断功能，若远程RTU上的模块插错或有故障，均会被总控室监控计算机自动诊断出来｡RTU支持热插拔，单个模块的故障不会影响整个系统的运行｡

（4）可扩充性

系统全部采用模块化设计方法，系统扩充､I/O扩展都非常方便｡远程RTU全部采用标准的输入输出信号，功能扩充非常简便｡

本文介绍的基于以太网的SCADA系统已经在某油田运行｡实际运行证明，该系统使油井的日常管理发生了质的变化，从井口示功图采集､油井自动计量到启停等所有操作控制，都由系统远程实现，实现了无人值守，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，取得了相当可观的经济效益｡

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