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(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(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(hù)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(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。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(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(kuò)展，實現(xiàn)油井?dāng)?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(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，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(jī)、注水終端、自動計量終端等RTURemote Terminal Unit 為該系統(tǒng)的層，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(jī)、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(jìn)行采集、儲存、分析、診斷，可即時監(jiān)測和控制所有遠(yuǎn)程終端，構(gòu)成了系統(tǒng)的監(jiān)控級；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(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(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(xì)纜通過ＨＵＢ與交換機(jī)相連，計量站與小隊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(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(jī)的監(jiān)控軟件，它集邏輯控制、ＨＭＩ人機(jī)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(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。

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(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，利用Ｔｈｉｎｋ＆Ｄｏ開發(fā)出良好的人機(jī)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(yuǎn)程登陸程序，可實現(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時、動態(tài)地顯示出來。根據(jù)采油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，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?，F(xiàn)場ＲＴＵ將負(fù)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(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(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)實際監(jiān)控過程的需要及監(jiān)控進(jìn)程的情況，對運行狀態(tài)的信息進(jìn)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(jìn)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(jī)的遠(yuǎn)程控制及自動啟停，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

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(jī)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(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(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上的模塊插錯或有故障，均會被總控室監(jiān)控計算機(jī)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(kuò)充性

系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計方法，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，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(yuǎn)程實現(xiàn)，實現(xiàn)了無人值守，大大降低了勞動強(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。