呂澤鋒1 陳仕林2 常雪嵐3 藺向陽1
(1.中油遼河工程有限公司，盤錦 124010;2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011;3.中國石油華北油田煤層氣分公司，晉城 048000)
摘要:以中聯煤層氣有限責任公司國家煤層氣高技術產業化示範工程為背景，通過對工程中SCA-DA系統的結構、功能和特點的闡述，反映自動化及電子通訊技術在煤層氣田開發中的應用現狀。通過工程的實施，實現了基於無線、光纜、電纜等多種通訊方式在SCADA系統中的融合，成功地降低了煤層氣田信息化建設和維護過程中自控系統的投資，適合了煤層氣井地處偏遠、井多、井密、低壓、低產等特點。
作者簡介: 呂澤鋒，男，自動控制工程師，中油遼河工程有限公司，碩士，主要從事煤層氣集輸領域的研究工作。
關鍵詞: GPRS 無線傳輸網絡 SCADA 煤層氣
The Application of SCADA in the Development of CBM Project
LU Zefeng1，CHEN Shilin2，CHANG Xuelan3，LIN Xiangyang1
( 1. China Liaohe Petroleum Engineering Co. ，Ltd. Panjin 124010，China 2. China United Coalbed Methane Co. ，Ltd. Beijing 100011，China 3. Huabei Oilfield Coal Bed Methane Company，Jincheng 048000，China)
Abstract: Taking the High and New Technology Industrialization Demonstrate Engineering of China CBM Co. LTD as the engineering background，the paper discussed the structure，the function and the characteristic of SCADA，which reflects application status of the automation technology and the electronic communication technolo- gy. The SCADA realizes the amalgamation of communications based on wireless and cables，which not only saves the construction，operation and maintenance expenses of the CBM fields information construction，but also fits the characteristic of CBM wells，such as it located remotely，in large quantity and density，low pressure and produc- tion.
Keywords: GPRS; Wireless Communication; SCADA; CBM ( coal bed methane)
1 引言
SCADA(Supervisory Controland Data Acquisition)系統即監視控制與數據采集系統，是以計算機為基礎的監測控制與調度管理自動化系統，能實現遠程數據采集、設備控制、測量、參數調節以及信號報警等各項功能，具有傳遞信息迅速準確、顯示直觀的優點。在煤層氣開發水平較高的國家，監控與數據采集系統已成為煤層氣集輸系統中的普遍設施。進入21世紀以來，隨著國家對煤層氣開發的高度重視，SCADA系統在我國煤層氣行業中也開始應用。
SCADA系統在煤層氣行業的實際應用，需要結合煤層氣集輸系統的實際情況和特點，針對煤層氣井所處地理位置的實際情況來進行設計和規劃，認真把握設計原則、系統功能、系統結構等特性，達到現代科技與煤層氣地面集輸要求的最佳結合，降低工程投資，促進煤層氣開發利用技術進步，確保煤層氣科學調度，安全集輸。
2 SCADA系統設計
2.1 設計原則
采用最新的計算機軟、硬件技術，建立壹個SCADA集成應用環境，系統設計時遵從下述原則:
(1)先進性:系統建設應具有較高的技術起點，采用Client/Server主從分布式體系結構，選用統壹的軟件平臺Windows XP操作系統，以求最佳的性能價格比。
(2)安全可靠性:系統所選硬件設備要符合現代工業標準，應采用雙機、雙網、雙電源，接入雙通道等冗余設計結構，發生故障時可自動切換，保障系統的不間斷可靠運行。系統軟件平臺應成熟、可靠、安全，軟件開發應遵循軟件工程的方法，經過充分測試使程序運行穩定可靠，方便使用，易於維護。網絡和關鍵設備應具有雙重和多重冗余，在數據庫的管理上分層次，分級授權。系統應具有可靠的備份，保證在系統故障時，能盡快地恢復系統的運行。
(3)開放性:開放性主要體現在支撐平臺和應用系統兩個方面。對支撐平臺而言，選用標準化的軟硬件產品，系統中的設備應具有很好的通用性，不同廠家的產品可相互集成，系統可擴充和升級。對應用系統而言，應用系統應提供壹體化支撐平臺，具有模塊化、網絡化、接口標準化的特點，支持用戶應用軟件的開發，保證能和其他系統互聯和無縫集成。
(4)可擴展性:SCADA系統應具有良好的功能可擴展性，從而使系統的建設可以總體規劃，分步建設，逐步擴充，逐步升級。
(5)易用性:系統應具有簡學，易懂，易於操作的用戶界面，操作人員不需要很強的計算機專業知識即可使用和維護系統，同時系統軟件的各功能模塊以數據庫為核心靈活分布在網絡的各個節點上，除個別模塊需要相關硬件外，都能在任意節點機上運行，做到“即裝即用”。
2.2 SCADA系統的總體結構
該SCADA系統由集氣站站控系統SCS(Station Control System)、閥組遠程終端單元RTU(Remote Terminal Unit)或無線傳輸網絡和潘河增壓站設置SCADA系統調度控制中心構成。調度控制中心完成對管線全線各個站場和閥組的監控、調度、管理等任務。
考慮到整個系統的安全可靠性要求，SCADA系統中所有重要部位都為冗余設置，當發生故障時，能自動進行故障切換，自動對系統的數據進行備份。同樣，將RTU所有AO點、DO點和壹些重要的AI點按照冗余配置。
站控系統還與現場第三方設備進行數據通訊，所有第三方設備都具有與RTU通信的能力，通信接口為標準的Modbus-RTU，通訊時RTU作為主站，第三設備作為從站，RTU將這些設備的運行參數讀入SCADA系統，供生產運營維護參考。RTU與第三方設備連接時，采用了Terminal Server，它專為串口轉以太網無縫鏈接設計，能夠讓串口設備直接與網絡設備通訊而不用對軟件或硬件做二次開發，為串口設備連接到以太網提供了便捷的傳輸方式，可以進行串口和以太網口的雙向數據傳輸，同時集中管理串口設備。Termi-nal Server通過串口連接現場所有分散的Modbus RS485串口設備，並通過TCP/IP連接到RTU網絡上。
井口和閥組與集氣站站控系統通訊方式根據現場自然環境和移動運營商網絡覆蓋情況的不同，采用3中方式通訊，目的是在滿足系統要求的前提下盡可能降低成本。在有移動信號覆蓋的區域應采用成本最低的GPRS通訊，在無移動信號覆蓋且地貌惡劣區域應采用無線傳輸網絡通訊，在通訊主幹道、大數據量傳輸的情況下應采用光纜通訊。SCADA系統結構如圖1所示。
圖1 SCADA系統結構圖
2.3 SCADA系統的通訊
2.3.1 GPRS通訊
工業上常用的GPRS通訊原理如圖2所示。
企業用戶將所需傳輸的數據通過GPRS模塊發送到移動公司基站，移動公司基站根據收到數據包中指定的數據發送地址(固定的IP地址)通過交換機經由Internet直接發送給企業用戶。
GPRS是基於GMS在Phase2+階段提供的通用分組無線業務。它采用基於分組傳輸模式的無線IP技術，以壹種有效的方式高速傳送數據。GPRS支持Internet上應用最廣泛的TCP/IP協議和X.25協議，為網內終端分配動態的IP地址，通過GGSN接入Internet，用戶可以直接訪問Internet站點。數據傳輸通過PDCH信道，具有比GSM多出10倍以上的傳輸速率及1/6甚至更少的費用，傳輸速率理論上最高達171.2kbit/s，具有“永遠在線”和收費低廉的優點。
圖2 GPRS通訊原理圖
GPRS的主要特點:
(1)定義了不同的業務，如點對點無連接業務、點對點面向連接業務和點對點多播業務。
(2)定義了新的GPRS無線信道，分配方式靈活。每TDMA幀可分配1～8個無線接口時隙，時隙能為動態用戶***享，且向上鏈路和向下鏈路的分配是獨立的。
(3)能夠支持間歇的突發式數據傳送，又能支持偶爾的大量數據傳輸;支持4種不同的QOS級別，能在0.5～1s內恢復數據的重新傳輸。
(4)采用分組交換技術，核心層采用IP技術，提供了和現有網絡的無縫鏈接。
2.3.2 無線傳輸網絡通訊
無線傳輸采用主從應答方式，主站利用無線網絡下達命令，從站接收到命令後，執行相應操作，產生回應。回應可以為數據，也可以為系統信息。如圖3所示。
圖3 無線傳輸網絡結構圖
該方案主要是由節點構建壹個通訊速度非常快的無線mesh主幹網絡，而且這個無線主幹網絡自組織、自愈合，同時支持多種無線應用和多種通訊協議的現場儀表。現場無線儀表可以自動選擇同任意壹個節點進行無線通訊，自組織、自愈合。但是現場儀表不配置路由功能。通常任何壹個節點都可以或同時作為網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。節點間的最大通訊距離可達10km。
這種方案的優點就是由於節點構建的快速的mesh主幹網絡，使得無線變送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒壹次，而且由於無線變送器只需要1個“hop”就可以把數據傳輸到壹個通訊速度非常快的無線主幹網上，所以整個網絡的通訊時間滯後也很短。
因為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秒刷新壹次時就可以達到5年。而且正是由於沒有配置路由功能，所以電池的電壓不僅可以隨時顯示報警，而且電池壽命是可以預測的。
這種解決方案由於整個架構的優勢，網絡的規模非常靈活，壹個網絡支持的無線儀表的數量可以達到上千臺。
2.3.3 SCADA系統通訊的融合
為了提高系統的適用性，需要把基於光纜、GPRS、無線傳輸網絡等多種通訊方式有機集成壹套完整的SCADA系統。基於有線和GPRS的系統集成，工程上有很多成功的案例，這裏不再贅述。
無線傳輸網絡是壹種全新的通訊理念，它摒棄了傳統SCADA系統由壹次儀表到RTU再到站控系統的通訊方式，采用了直接由無線變送器到多功能節點的通訊方式。通過在集氣站安裝無線多功能節點使其納入整個無線傳輸網絡，安裝在集氣站的無線多功能節點直接與上位機系統通訊。
無線傳輸網絡還是整個SCADA系統的有效補充。當RTU因通訊線路故障無法向上位機數據時，可以在RTU上臨時安裝無線多功能節點，將因通訊線路故障的RTU工藝數據通過無線傳輸網絡上傳上位機。
3 SCADA系統功能
3.1 系統生產控制功能
閥組RTU和無線傳輸網絡擔負著將各個煤層氣生產井、閥組的工藝參數實時上傳給站控系統;
站控系統負責接收井口和閥組通過各種方式發回的工藝參數，同時下達控制指令。站控系統也完成對集氣站工藝參數的檢測與控制。具體如下:
3.1.1 數據采集功能
包括各站點工藝流程溫度、壓力、液位、煤層氣濃度、含水率等。
3.1.2 報警與聯鎖
生產參數報警如液位高報警、煤層氣濃度高報警等;設備故障報警如電動閥故障判斷與報警、加熱爐火焰監測與報警等;站點流程異常報警。
3.1.3 人機界面和鍵盤
采集數據顯示、報警顯示、工藝流程監視、參數設置等。通過人機界面和鍵盤可實現現場站點監測操作和設置。
3.1.4 通信接口
通過通信線路與調控中心的通信，實現站點采集數據上傳、計量、監測結果上傳和中心控制室參數設置的下傳等遠程操作，從而實現井口和閥組無人值守。
3.2 系統的數據管理功能
軟件方面通常采用標準、開放的通信協議。RTU、PLC和DCS軟件通過ODBC、ADO或者直接的數據庫接口，將數據實時寫入數據庫中。
3.2.1 系統數據維護
如SCADA系統、DCS系統內部維護所使用的信息，以及中心控制室操作班組等操作安全信息等。
3.2.2 站點基礎數據維護
基礎數據庫維護則保證MIS系統內部信息與實際生產情況保持壹致。
3.2.3 動態采集信息
動態采集數據包括各個站點現場的溫度、壓力、流量、天然氣濃度等歷史數據，以及各個油井的產量計量結果等。
3.2.4 數據處理和分析
對生產中的異常數據進行分析和處理。
3.2.5 報表輸出
3.3 系統數據發布
實時數據庫系統與WEB數據以及GIS系統(地理信息系統)相結合，實現生產信息在煤層氣田系統內部的***享，提高信息應用和生產管理水平。
4 結語
系統在中聯煤層氣有限責任公司國家煤層氣高技術產業化示範工程中展開，取得了較好的應用效果:
(1)由於采用多種數據傳輸技術，降低了工程投資，同時也縮短了工期。
(2)無線傳輸網絡技術的應用使井口視頻監控成為可能，對安全生產起到重要作用，縮短了工程建設周期。
(3)SCADA系統的成功應用使站場無人操作率達到89%，站外系統數據得到100%傳輸，巡井率降低了67%，大幅度降低了勞動強度。
參考文獻
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