分布式数据采集系统(scada)在油田中的应用

SCADA系统在油田中的应用 一、引言 [1] SCADA系统，即分布式数据采集与监视控制系统。是基于PLC的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行远程监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。广泛应用于油田、市政管网、水资源监测、环保等诸多行业,功能越来越强大,结构也越来越复杂。 SCADA系统发展到今天已经经历了三代。第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代；第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护、升级以及与其它联网构成很大困难。通常采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统；90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。

二、SCADA系统结构及原理 [1] SCADA系统可分为3层：数据采集层、数据监控层、数据应用层。第一层为数据采集层,由RTU与一次仪表构成,完成现场原始数据的采集与预处理。它是SCADA系统的基本单元，基本配置包括远程终端(RTU)或是可编程逻辑控制器(PLC)、通信设施以及必需的外部单元；第二层为数据监控层,在此层将利用各种软件远程仿真现场,实现数据的实时监控、实时报警等，还可以根据设计需求进行大量历史数据的存储。它是整个SCADA系统的核心单元,管理和协调系统中所有的工艺装置和设备运行；第三层为数据应用层,在此层实现对已采集数据的分析、整理,并根据需要实现多种形式的显示发布。 结构图如下： 图一 SCADA系统结构图 三、油田现场需求及系统要求 3、1现场需求 1、 实现让那若尔油田采油区北区17个注气站网络建设与1个控制中心建 设； 2、 组建有效的区块内通信网络，实现集中管理、远程控制，各分站到控制 中心通信距离≤10KM。 3、 控制中心的功能：实现对各个采油站注气流量、压力、温度等数据的远 程监测；根据气举压力、温度变化，远程控制注气流量； 4、 各注气站的功能：实现对每口注气井的注气流量、压力、温度等数据的 采集和预处理，并传送到构建好的网络当中； 3、2系统要求 1、 可靠性、安全性。由于各个井控制系统的安全性、稳定性直接影响到注气井的注气量，进而影响到油井的产油量。因此，在系统中的通信设备、一次仪表及控制设备和程序编程等各环节都必须做到高可靠性； 2、 远程监控功能。因井群分布很散，无人职守。为了降低劳动强度，操作人员能够在车间控制室根据需要进行远程操作，同时能够监测到各井的运行参数，从而实现集中监控； 3、 可维护性。在系统软件、应用软件和硬件方面要具有强大的报警和故障

数据应用层 数据监控层 数据采集层 SCADA系统 自诊断功能，以便工程技术人员对系统故障进行分析和维护； 4、 可扩展性。系统应采用具有一定标准及应用较广泛的硬件设备，主要是考虑系统发展扩大，为以后系统的连接打好基础； 5、开放性。随着计算机技术和网络技术的发展和应用普及，人们越来越需要过程控制系统与管理信息系统交换信息，从而实现管理与控制一体化。尽管各控制系统生产厂家在现场控制器模块级还不能完全开放或通用，但必须要求上位机监控系统具有开放性。

四、方案设计 整套系统分为中心控制室、远程站两大部分。控制中心室与远程站之间通过百兆光纤直连。 中心控制室包括网络接入设备、数据库服务器、工程师站和显示系统四部分。网络采用前兆以太环网的冗余设计，通过网络模块将前端采集到的数据传输到数据库服务器中存储；工程师站针对整个系统进行管理，通过Step7软件编程控制前端远程站的数据采集，利用WinCC组态软件模拟现场画面、设备的运行画面和报警、报表等画面；显示系统将最终图像显示到投影墙上。 远程站包括数据采集、处理、传输和控制等设备。通过编辑好的程序对采集

到的数据进行预处理、传输。[4]

系统框图如下： 图二 系统框图 按照现场需求及系统要求，本套系统硬件均采用德国西门子设备，保证系统性能。 上位机监控软件采用西门子WINCC软件组态画面，配以WINCC Web Navigator

和WINCC Option Data@Monitor V6.0， 用户可以在互联网上通过输入任意远程站的IP地址，进行远程监控。通过WINCC 用户归档软件选项，用户可以自定义表格进行归档；使用Step7软件对S7-300 PLC进行编程；网络通讯采用X414-3E。 远程站信号采集通过CP341 通讯处理器（RS232）与现场数据采集设备进行MODBUS协议或者ASCII码协议模式交换数据，经CPU314处理后，再通过CP343-1 以太网通讯模块传送X204-2，再由X204-2通过百兆的光纤与中心控制室网络通信设备X414－3E通讯，按照设定的程序进行传送。 系统结构图如下：

控制设备 数据传输设备 数据采集、处理设备

通信模块 数据库服务器 工程师站 显示系统

控制设备

数据传输设备 数据采集、处理设备

●● ●

远程站

中心控制室 图三：系统结构图 五、系统功能的实现 1、实现了注气站各注气井上的压力、流量、阀值等参数的集中采集、处理和传输功能。现场注气站分布分散，所处地理条件差，人工数据采集和记录难度大、周期长，受环境因素影响大。通过本系统，可以大大减少人工工作量，缩短数据采集记录的周期，并且不受环境因素的约束，提高了工作效率。 2、上位机系统实现了对数据的统一管理、分析、存储和组态等功能。 2.1、丰富的画面显示功能：在各操作终端显示的画面有注气站实际地理位置分布画面、远端站内总管线的压力、温度、注气量，分管线的压力、注气量、阀门开度，管线注气量的设定值、实际值显示分画面、趋势曲线图画面、报警画面等。使操作人员通过这些画面可以全面的了解系统运行情况。 2.2、数据报表、查询功能。历史数据查询功能、报表打印功能。对井群运行参数有完整的历史数据存储，一般每 1 分钟存储一次数据，以便查询和相关的统计分析。同时能够打印生产日报表和生产月报表。 2.3、具有故障诊断与报警处理功能。对系统中注气站、井的温度、压力阀值越限报警，阀门故障报警，网络交换机、PLC314等设备运行状态报警。并对所有报警数据有存储功能，对历史报警数据可按照一定条件进行查询。同时要记录这些状态位发生变化时的有关信息。如：故障标签名称、报警信息、故障报警时间和报警确认时间等，并对报警信息进行管理。

六、关键技术 1、编译技术：[2] 系统提供可编程功能。采用Step7为S7-300 PLC进行编程，并在工程师站上可以根据需求随时更改系统程序，为使用者提供极大的方便。 STEP7 编程软件，强大的工控编程软件，能够解决复杂的自动化任务。可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能和密码保护功能。适用于所有SIMATIC S7 PLC机型软件编程。支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。STEP 7提供的软件工具可以帮助调试和测试程序，这些特征包括：监视S7-300正在执行的用户程序状态，为S7-300指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。为了简化应用程序中位控功能的使用，STEP7提供的位控向导可以在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。对于位控模块，STEP 7还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试运动操作。

2、多媒体技术：[3] 本系统结合了动画、声音、图形图像等多种多媒体技术，选用WinCC组态软件，对现场实际情况进行模拟显示。 西门子公司的工业组态控制软件SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统软件，具有良好的开放性和灵活性。在生产过程自动化中WinCC解决了系统可视化和控制任务。它提供了适用于工业的图形显示、信息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程藕合、快速的画面更新、以及可靠的数据传输使其具有高度的实用性。同时WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案，这使得将WinCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。 WinCC的突出特点：通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用 ；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。

七、结论 SCADA系统采用分布式数据采集方式，对各注气站上运行参数进行分散采集、集中管理。硬件选用德国西门子先进设备，有效的保障了系统安全性、可扩展性和开放性。组态软件WinCC和编程软件Step7与西门子S7-300系列PLC的有机结合，提升了系统稳定性。系统人性化的设计，使操作人员能更快的熟悉和使用本系统，了解远程站各注气井的温度、压力等参数的变化及站内各设备的运行状况。哈萨克斯坦让那若尔油田采油区北区注气站分布分散，地理环境差，人工数据采集录入工作难度大、周期长，本套系统的建立，将大大减少人工巡井的次数，降低运行成本，提升采油厂的自动化程度，必将为油田带来明显的经济效益。