PAGEPAGE1SCADA系統(tǒng)在煤層氣田開發(fā)中的應(yīng)用CuteGourmet呂澤鋒1陳仕林2常雪嵐3藺向陽1(1.中油遼河工程，盤錦124010;2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100011;3.中國石油華北油田煤層氣分公司，晉城048000)內(nèi)容摘要:以中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司煤層氣高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程為背景，通過對工程中SCA-DA系統(tǒng)的構(gòu)造、功能和特點(diǎn)的論述，反映自動化及通訊技術(shù)在煤層氣田開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)在狀況。通過工程的施行，實(shí)現(xiàn)了基于無線、光纜、電纜等多種通訊方式在SCADA系統(tǒng)中的融合，成功地降低了煤層氣田信息化建設(shè)和維護(hù)經(jīng)過中自控系統(tǒng)的投資，合適了煤層氣井地處偏僻、井多、井密、低壓、低產(chǎn)等特點(diǎn)。作者簡介:呂澤鋒，男，自動控制工程師，中油遼河工程，碩士，重要從事煤層氣集輸領(lǐng)域的研究工作。本文關(guān)鍵詞語:GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)SCADA煤層氣TheApplicationofSCADAintheDevelopmentofCBMProjectLUZefeng1，CHENShilin2，CHANGXuelan3，LINXiangyang1(1.ChinaLiaohePetroleumEngineeringCo.，Ltd.Panjin124010，China2.ChinaUnitedCoalbedMethaneCo.，Ltd.Beijing100011，China3.HuabeiOilfieldCoalBedMethaneCompany，Jincheng048000，China)Abstract:TakingtheHighandNewTechnologyIndustrializationDemonstrateEngineeringofChinaCBMCo.LTDastheengineeringbackground，thepaperdiscussedthestructure，thefunctionandthecharacteristicofSCADA，whichreflectsapplicationstatusoftheautomationtechnologyandtheelectroniccommunicationtechnolo-gy.TheSCADArealizestheamalgamationofcommunicationsbasedonwirelessandcables，whichnotonlysavestheconstruction，operationandmaintenanceexpensesoftheCBMfieldsinformationconstruction，butalsofitsthecharacteristicofCBMwells，suchasitlocatedremotely，inlargequantityanddensity，lowpressureandproduc-tion.Keywords:GPRS;WirelessCommunication;SCADA;CBM(coalbedmethane)1引言SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系統(tǒng)即監(jiān)視控制與收集系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)測控制與調(diào)度管理自動化系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程收集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等各項(xiàng)功能，具有傳遞信息迅速精確、顯示直觀的優(yōu)點(diǎn)。在煤層氣開發(fā)水平較高的，監(jiān)控與收集系統(tǒng)已成為煤層氣集輸系統(tǒng)中的普遍設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著對煤層氣開發(fā)的高度看重，SCADA系統(tǒng)在我們國家煤層氣行業(yè)中也開始應(yīng)用。SCADA系統(tǒng)在煤層氣行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，需要結(jié)合煤層氣集輸系統(tǒng)的實(shí)際情況和特點(diǎn)，針對煤層氣井所處地理位置的實(shí)際情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，認(rèn)真把握設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)構(gòu)造等特性，到達(dá)現(xiàn)代科技與煤層氣地面集輸要求的最佳結(jié)合，降低工程投資，促進(jìn)煤層氣開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)步，確保煤層氣科學(xué)調(diào)度，安輸。2SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)原則采取最新的計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，建立一個SCADA集成應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時服從下述原則:(1)先進(jìn)性:系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)具有較高的技術(shù)起點(diǎn)，采取Client/Server主從分布式體系構(gòu)造，選用統(tǒng)一的軟件平臺WindowsXP作系統(tǒng)，以求最佳的性能價格比。(2)安全可靠性:系統(tǒng)所選硬件設(shè)備要符合現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采取雙機(jī)、雙網(wǎng)、雙電源，接入雙通道等冗余設(shè)計(jì)構(gòu)造，發(fā)生故障時可自動切換，保障系統(tǒng)的不間斷可靠運(yùn)行。系統(tǒng)軟件平臺應(yīng)成熟、可靠、安全，軟件開發(fā)應(yīng)遵守軟件工程的方法，經(jīng)過充足測試使程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，方便使用，易于維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)具有雙重和多重冗余，在庫的管理上分條理，分級受權(quán)。系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的備份，保證在系統(tǒng)故障時，能盡快地恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行。(3)開放性:開放性重要具體表現(xiàn)出在支撐平臺和應(yīng)用系統(tǒng)兩個方面。對支撐平臺而言，選用標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件產(chǎn)品，系統(tǒng)中的設(shè)備應(yīng)具有很好的通用性，不同廠家的產(chǎn)品可互相集成，系統(tǒng)可擴(kuò)大和升級。對應(yīng)用系統(tǒng)而言，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)一體化支撐平臺，具有模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，支持用戶應(yīng)用軟件的開發(fā)，保證能和其他系統(tǒng)互聯(lián)和無縫集成。(4)可擴(kuò)展性:SCADA系統(tǒng)應(yīng)具有良好的功能可擴(kuò)展性，進(jìn)而使系統(tǒng)的建設(shè)能夠總體規(guī)劃，分步建設(shè)，逐步擴(kuò)大，逐步升級。(5)易用性:系統(tǒng)應(yīng)具有簡學(xué)，易懂，易于作的用戶界面，作人員不需要很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識即可使用和維護(hù)系統(tǒng)，同時系統(tǒng)軟件的各功能模塊以庫為核心靈敏分布在網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)上，除個別模塊需要相關(guān)硬件外，都能在任意節(jié)點(diǎn)機(jī)上運(yùn)行，做到“即裝即用〞。2.2SCADA系統(tǒng)的總體構(gòu)造該SCADA系統(tǒng)由集氣站站控系統(tǒng)SCS(StationControlSystem)、閥組遠(yuǎn)程終端單元RTU(RemoteTerminalUnit)或無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和潘河增壓站設(shè)置SCADA系統(tǒng)調(diào)度控制中心構(gòu)成。調(diào)度控制中心完成對管線全線各個站場和閥組的監(jiān)控、調(diào)度、管理等任務(wù)。考慮到整個系統(tǒng)的安全可靠性要求，SCADA系統(tǒng)中所有主要部位都為冗余設(shè)置，當(dāng)發(fā)生故障時，能自動進(jìn)行故障切換，自動對系統(tǒng)的進(jìn)行備份。同樣，將RTU所有AO點(diǎn)、DO點(diǎn)和一些主要的AI點(diǎn)根據(jù)冗余配置。站控系統(tǒng)還與現(xiàn)場第三方設(shè)備進(jìn)行通訊，所有第三方設(shè)備都具有與RTU通信的能力，通信接口為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU，通訊時RTU作為主站，第三設(shè)備作為從站，RTU將這些設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)讀入SCADA系統(tǒng)，供生產(chǎn)運(yùn)營維護(hù)參考。RTU與第三方設(shè)備連接時，采取了TerminalServer，它專為串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)無縫鏈接設(shè)計(jì)，能夠讓串口設(shè)備直接與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通訊而不消對軟件或硬件做二次開發(fā)，為串口設(shè)備連接到以太網(wǎng)了便捷的傳輸方式，能夠進(jìn)行串口和以太網(wǎng)口的雙向傳輸，同時集中管理串口設(shè)備。Termi-nalServer通過串口連接現(xiàn)場所有分散的ModbusRS485串口設(shè)備，并通過TCP/IP連接到RTU網(wǎng)絡(luò)上。井口和閥組與集氣站站控系統(tǒng)通訊方式根據(jù)現(xiàn)場天然環(huán)境和移動運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的不同，采取3中方式通訊，目的是在知足系統(tǒng)要求的前提下盡可能降低成本。在有移動信號覆蓋的區(qū)域應(yīng)采取成本最低的GPRS通訊，在無移動信號覆蓋且地貌惡劣區(qū)域應(yīng)采取無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通訊，在通訊骨干道、大量傳輸?shù)那闆r下應(yīng)采取光纜通訊。SCADA系統(tǒng)構(gòu)造如此圖1所示。圖1SCADA系統(tǒng)構(gòu)造圖2.3SCADA系統(tǒng)的通訊2.3.1GPRS通訊上常用的GPRS通訊原理如此圖2所示。企業(yè)用戶將所需傳輸?shù)耐ㄟ^GPRS模塊發(fā)送到移動公司基站，移動公司基站根據(jù)收到包中指定的發(fā)送地址(固定的IP地址)通過交換機(jī)經(jīng)由Internet直接發(fā)送給企業(yè)用戶。GPRS是基于GMS在Phase2+階段的通用分組無線業(yè)務(wù)。它采取基于分組傳輸形式的無線IP技術(shù)，以一種有效的方式高速傳送。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的TCP/IP協(xié)議和X.25協(xié)議，為網(wǎng)內(nèi)終端分配動態(tài)的IP地址，通過GGSN接入Internet，用戶能夠直接訪問Internet站點(diǎn)。傳輸通過PDCH信道，具有比GSM多出10倍以上的傳輸速率及1/6以至更少的費(fèi)用，傳輸速率理論上最高達(dá)171.2kbit/s，具有“永遠(yuǎn)在線〞和收費(fèi)低廉的優(yōu)點(diǎn)。圖2GPRS通訊原理圖GPRS的重要特點(diǎn):(1)定義了不同的業(yè)務(wù)，如點(diǎn)對點(diǎn)無連接業(yè)務(wù)、點(diǎn)對點(diǎn)面向連接業(yè)務(wù)和點(diǎn)對點(diǎn)多播業(yè)務(wù)。(2)定義了新的GPRS無線信道，分式靈敏。每TDMA幀可分配1～8個無線接口時隙，時隙能為動態(tài)用戶分享，且向上鏈路和向下鏈路的分配是的。(3)能夠支持間歇的突發(fā)式傳送，又能支持偶然的大量傳輸;支持4種不同的QOS級別，能在0.5～1s內(nèi)恢復(fù)的從新傳輸。(4)采取分組交換技術(shù)，核心層采取IP技術(shù)，了和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接。2.3.2無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通訊無線傳輸采取主從應(yīng)答方式，主站利用無線網(wǎng)絡(luò)下達(dá)命令，從站接收到命令后，履行相應(yīng)作，產(chǎn)生回應(yīng)。回應(yīng)能夠?yàn)椋梢砸詾橄到y(tǒng)信息。如此圖3所示。圖3無線傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造圖該方案重要是由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個通訊速度非常快的無線mesh骨干網(wǎng)絡(luò)，而且這個無線骨干網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，同時支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。現(xiàn)場無線儀表能夠自動選擇同任意一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，自組織、自愈合。但是現(xiàn)場儀表不配置路由功能。通常任何一個節(jié)點(diǎn)都能夠或同時作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采取2.4GHz公用頻段。節(jié)點(diǎn)間的最大通訊間隔可達(dá)10km。這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的快速的mesh骨干網(wǎng)絡(luò)，使得無線變送器的刷新速度能夠做到很快，典型的是1秒或0.25秒一次，而且由于無線變送器只需要1個“hop〞就能夠把傳輸?shù)揭粋€通訊速度非常快的無線骨干網(wǎng)上，所以整個網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后也很短。由于每臺無線變送器都不作為其他變送器的路由，所以電池的壽命很長，常溫下1秒刷新一次時就能夠到達(dá)5年。而且恰是由于沒有配置路由功能，所以電池的電壓不僅能夠隨時顯示報警，而且電池壽命是能夠預(yù)測的。這種解決方案由于整個架構(gòu)的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常靈敏，一個網(wǎng)絡(luò)支持的無線儀表的數(shù)量能夠到達(dá)上千臺。2.3.3SCADA系統(tǒng)通訊的融合為了提升系統(tǒng)的適用性，需要把基于光纜、GPRS、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等多種通訊方式有機(jī)集成一套完好的SCADA系統(tǒng)。基于有線和GPRS的系統(tǒng)集成，工程上有許多成功的案例，這里不再贅述。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)是一種全新的通訊理念，它摒棄了傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)由一次儀表到RTU再到站控系統(tǒng)的通訊方式，采取了直接由無線變送器到多功能節(jié)點(diǎn)的通訊方式。通過在集氣站安裝無線多功能節(jié)點(diǎn)使其納入整個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，安裝在集氣站的無線多功能節(jié)點(diǎn)直接與上位機(jī)系統(tǒng)通訊。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)還是整個SCADA系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。當(dāng)RTU因通訊線路故障無法向上位機(jī)時，能夠在RTU上臨時安裝無線多功能節(jié)點(diǎn)，將因通訊線路故障的RTU工藝通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳上位機(jī)。3SCADA系統(tǒng)功能3.1系統(tǒng)生產(chǎn)控制功能閥組RTU和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)著將各個煤層氣生產(chǎn)井、閥組的工藝參數(shù)實(shí)時上傳給站控系統(tǒng);站控系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收井口和閥組通過各種方式發(fā)回的工藝參數(shù)，同時下達(dá)控制指令。站控系統(tǒng)也完成對集氣站工藝參數(shù)的檢測與控制。詳細(xì)如下:3.1.1收集功能包含各站點(diǎn)工藝流程溫度、壓力、液位、煤層氣濃度、含水率等。3.1.2報警與聯(lián)鎖生產(chǎn)參數(shù)報警如液位高報警、煤層氣濃度高報警等;設(shè)備故障報警如電動閥故障判定與報警、加熱爐監(jiān)測與報警等;站點(diǎn)流程異常報警。3.1.3人機(jī)界面和鍵盤收集顯示、報警顯示、工藝流程監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置等。通過人機(jī)界面和鍵盤可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場站點(diǎn)監(jiān)測作和設(shè)置。3.1.4通信接口通過通信線路與調(diào)控中心的通信，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)收集上傳、計(jì)量、監(jiān)測結(jié)果上傳和中心控制室參數(shù)設(shè)置的下傳等遠(yuǎn)程作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井口和閥組無人值守。3.2系統(tǒng)的管理功能軟件方面通常采取標(biāo)準(zhǔn)、開放的通信協(xié)議。RTU、PLC和DCS軟件通過ODBC、ADO或者直接的庫接口，將實(shí)時寫入庫中。3.2.1系統(tǒng)維護(hù)如SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)內(nèi)部維護(hù)所使用的信息，以及中心控制室作班組等作安全信息等。3.2.2站點(diǎn)基礎(chǔ)維護(hù)基礎(chǔ)庫維護(hù)則保證MIS系統(tǒng)內(nèi)部信息與實(shí)際生產(chǎn)情況堅(jiān)持一致。3.2.3動態(tài)收集信息動態(tài)收集包含各個站點(diǎn)現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、天然氣濃度等歷史，以及各個油井的產(chǎn)量計(jì)量結(jié)果等。3.2.4處理和分析對生產(chǎn)中的異常進(jìn)行分析和處理。3.2.5報表輸出3.3系統(tǒng)發(fā)布實(shí)時庫系統(tǒng)與WEB以及GIS系統(tǒng)(地理信息系統(tǒng))相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息在煤層氣田系統(tǒng)內(nèi)部的分享，提升信息應(yīng)用和生產(chǎn)管理水平。4結(jié)束語系統(tǒng)在中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司煤層氣高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程中展開，獲得了較好的應(yīng)用效果:(1)由于采取多