天然气SCADA系统的设计与实现.pdf

石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERl NG OF OIL GAS 分析 ； 昊 I 试 与标 准化 天然气 S C A DA系统的设计 与实现 王存伟 廖 德云 史玉林 张 智 吕素芳 李 杰 中原 油 田分公 司天 然气产销 厂 摘 要 为 了实现 天 然气计 量数 据 信 息化 建设 ， 以 I n t r a n e t 为 基础 阐述 了天然 气 S C AD A 系 统的设 计 与 实现 方 法。该设 计优化 了计 量模 式 ， 完成 了各站 场 自动计 量 系统 的组 网和 计 量数 据 的 远传 共享 ， 用户通 过 B ／ s模 式 实现 对现 场计量 数据 实时分析和监 测 管理 。 关键 词 天然 气 自动计量 S C A DA I n t r a n e t DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． O 2 1 自动计量系统在天然气计量工作 中发挥着重要 的作用 。随着信息和 网络技术 的发展 ， 为了满足计 量信息化的要求、 实现 自动计量系统 的互联和计量 数 据 的远传共 享 ， 建立 一 套 基 于 I n t r a n e t 的 天然 气 S C AD A 系统 是 十 分 必 要 的 。为 此 ， 各 站 场 建 立 天 然气 自动计量系统， 完成 天然气各项参数 的自动计 量 ， 并 通过“ 光纤 到站 ” 局 域 网将 各 站 场计 量 数 据 上 传远端计量服务器 ， 通过 We b在线监测系统发布 ， 建成集天然气开采 、 集输和销售为一体的天然气计 量 网络监 测系 统[_ 1 一 。 l相关技术 该 天然气 S C AD A 系统是 一个 基于 计算 机 和数 据库等多种现代技术的自动化系统 。该系统设计要 求具有可靠性高、 实时性强以及可远程监测等特点， 涉及的技术有数据采集技术、 通信技术、 数据管理技 术 和动 态矢量 显示 技术 。 1 ． 1数据采集技术 天然气 计 量 数 据 的采 集 是 基 于 P L C 实 现 的 。 P I c系统是一种专用的工业计算机系统 ， 广泛应用 于工业生产 的过程控制 。该 系统采用模块化设计 ， 模块丰富、 扩展能力强， 能完成各种计量仪器仪表输 出的数字信号、 模拟信号和脉冲信号的采集。通过 自带通信接口以统一的 Mo d b u s 协议上传工业控制 计算机显示 ； 也可以给 P L C系统设 置独立 I P， 通过 自带 网络接 口经 I n t r a n e t 上传 计 量 服 务 器 ， 完 成 计 量 数据 的发 布 。 1 ． 2通 信技术 为 了将 分 布 相对 较 远 站 场 的 自动计 量 系统 联 网， 使用光纤为传输媒介接入局域网， 站场使用超 5 类 网线 联入 自动计 量 系统 ， 实 现“ 光 纤 到站” ， 站场 网 络覆盖率达 9 0 ％以上。使用 光纤 网络传输 现场计 量数据具有抗干扰能力强 、 传输速度快和传输距离 远 等特点 。 为 了实 现 现场 计 量数 据 自动远 传 ， 以往 的做 法 是 基于 OP C技术 通过 工 业 控制 计 算 机 将 现场 计 量 数 据 以 TC P ／ I P协 议 传 至 远 端 服 务 器 实 现 数 据 共 享 。这 样 ， 站 场 工 业 控 制 计 算 机 需 要 安 装 P C S e r v e r ， 服 务器 端 需 要 安装 P C C l i e n t 。但 由 于工 业控制计算联 网易遭受病毒侵袭以及操作系统不断 打补丁、 不问断运行极容易导致死机 ， 致使站场计量 数 据无 法准 确 、 实 时远传 。而 本次研 究 的 P L C控制 器 中的 C P U 模 块 自带 网络 接 口， 可 以轻 松 实 现计 量数 据 的远 传共 享 ， 具 有数据 处理 速度 快 、 稳定 性 高 等特点， 并且支持标准的 Mo d b u s 协议 ， 通过它可以 将计量数据以统一的协议远传共享。 Mo d b u s 协 议 已 经 是 工 业 领 域 全 球 流 行 的 协 议 ， 支持传统的 R S一2 3 2 、 R S 一4 2 2 、 R S 一4 8 5和 以 太网设备 。许多工业设备 ， 包括 P L C、 DC S和智能 仪表等都在使用 Mo d b u s 协议作为通讯标准 。该协 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 1 卷第1 期 天然气 S C AD A系统的设计与实现 议可以将不 同厂商生产的控制设 备连成工业 网络 ， 进行 集 中监 控 。P I C控 制 器 以 Mo d b u s协 议 上 传 中控室 工业 控制 计算 机 ， 实现计 量 数据 本地 显示 ， 以 Mo d b u s ／ TC P协议实现站场计量数据 的远传共享。 Mo 1 I ] u s ／ TC P通讯 协议 是通 过 协议 转 换 将 Mo d b u s 消息 封装 成 1 P包 ， 放 在 1 n t r a n e t I n t e r n e t 上传 输 的 一 种 协议 ， 使 用该 协议 实现 了站 场 P I C系 统与 远 端 计 量 服务 器 的通信 ] 。 1 ． 3数据管理技术 由于不同站场多路计量数据 上 二 传 ， 容易导致计 量 服 务器端 数据 的采 集 和 存储 量 越 来 越 大 ， 再 加 上 对 数据 的集 中处 理 ， 服务 器任 务繁 重 ， 必将会 影 响数 据 处理 结果 的发 布 。 因此 ， 由 P I C系 统对 现 场数 据 进行 预处 理 ， 以 Mo d b u s ／ TC P协议 上传 服 务 器后 经 过解 析 直接 得 到计量 数据 。 服 务器 对计量 数 据 的管理 主要 是对 上传 的计 量 数据进行缓存或数据库存储 ， 经过批量数据处理后 以 B ／ S模 式 在 W e b在 线 监 测 系 统 上 发 布 。所 以 ， 对计 量数 据 的管理 分 为两类 一 、 数 据采 集 系统在 从 数据缓存 区批量读取数据经过运算处理后以数据方 式 和图形 方 式 实 时 输 出 ， 即 实 时 数 据 和 实 时 曲 线 ； 二 、 数据采集系统从数据库 中批量读取数据经过运 算处 理后 以图形方 式 和报 表 方 式 输 出 ， 即历 史 曲线 和数 据报 表 。为 了增 强 客户 端 的体 验 效 果 ， 在 实 现 实 时数 据 和 实 时 曲 线 两 个 功 能 时 使 用 了 A J AX 技 术 ， 优 化 了客 户端 和 服 务 器 之 间 的 沟 通 ， 平 衡 了 前 、 后端 的负载 能力 。 1 ． 4动态矢量显示技术 现 场 计 量 数 据 有 图 形 方 式 和 数 据 输 出 两 种 方 式 。图形 方 式 的输 出采用 在站 场 流 程 图 图 1 上 实 时显示计量数据 。流程图采用专业矢量工具绘 制， 实现 用户 对 流程 图任 意放 大 缩 小 而 不 失 真 ， 也 可 以 对流程图任意拖拽 ， 查看相应位置计量数据。 2系统结构设计 天然 气 s ADA 系 统 主 要从 站场 基 于 P I C 的 自动计 量 系统 和计量 服 务器两 大部分 来实 现 。采 用 计量仪器仪表P I C系统 远端计量服务器 中控 室工业控制计算机 的计量模式 ， 系统结构见图 2所 示 。站 场建 立基 于 P I C的 自动计量 系统 ， 与位 于 流 程 区 的计 量 仪器 仪 表相 结 合 完 成 对 天然 气 压 力 、 差 压 、 温度 、 瞬 时流 量 和 累计 流 量 等参 数 的测 量 ， 由中 控室工业控制计算 机完成计量数据 的显示 ， 同时也 完成 对 自动化 仪表 运 行 参 数 的 设置 ； 建 立 远端 计 量 服 务器 ， 服 务 器通过 I n t r a n e t 接 收各 站 场 P I C系统 上传的计量数据， 通过 We b在线监测系统实现对现 场计 量数 据 的实时分 析 和监测 管理 。 2 ． 1基于 P I C的自动计量系统 如图 2所示 ， 基 于 P I 的 自动计 量 系统 主要 由 现 场计 量仪 器 仪表 、 站 场 P I 系统 、 工 业 控 制 计 算 机 、 网络设 备和 UP S系统五 部分组 成 。 1 现场计量仪器仪表 。包括 自动化仪表和智 能 变送 器 ， 由 自动化 仪 表 白带 压力 和 差 压 变送 器 完 成天然气生产过程 中的压力和差压的测量 ， 外接热 电阻完 成天 然气 温 度 的 测量 ； 并且 该 仪 表具 有 强 大 的天然气流量计算功能， 通过其 内置流量计算方法， 根据测量的压力 、 差压和温度 自身就完成天然气瞬 时流量和累计流量的计算 。其压力、 差压和温度传 感器均由省计量科学研究院现场检定。流量计算通 道 的检 定 结 果 为 0 ． 2级 ， 满 足 GB T 1 8 6 0 3 2 0 0 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 1 卷第 1 期 天然 气 S C AI A系 统的设 计 与实现 面孔板孔径、 管道管径 、 天然气相对密度等参数值通 过 P I C写入 自动化仪表。 3 ． 3监测软件程序设计 监 测 软 件 的程 序 是 S C AD A 系统 的关 键 部 分 。 计 量服 务器 程序 主 要 包 括协 议 转 换 程 序 、 数 据 管 理 程序 和监 测 软 件 程 序 。协 议 转 换 程 序 接 收 现 场 的 Mo d b u s ／ TC P协议 ， 并 从 I P包 中解 析 出 Mo d b u s 数 据 ， 再 根 据 帧格式 表 2 从 寄存 器 中 提取 各 项 参 数 ， 实现 了计 量服务器对 P L C系统 上传数据 的接 收。 Mo d b u s协议传输模式有 AS C I I 和 R TU两种 ， 这里 采用 RT U 模 式 。 叠。。。 袭l2 R T u帧格式 开始 地址功能 数据 校验 终止 T1 一T2 一T 一T4 8 b i t s 8 h i t s 8 b i t s 】 6 8 h r 】 一 r 2 一T3 一T 数 据 管 理 程 序 是 对 提 取 的 数 据 进 行 存 储 和 管 理 ， 计 量 服务 器 安 装 r a l c e数 据 库 ， 实 时 存 储 各 站 场 上传 的计 量 数据 。 开发 的数 据 采 集 程 序 采 用 多线 程 原子 技术 进行 处 理 。监 测 程序 是采 用 C语 言基 于 A S P ． NE T技 术 开发 的 可视 化 平 台 ， 实 现 的 主要 功 能有 1 以计 量 点 为 单 位 显 示 站 场 生 产 信 息 ， 包 括 压 力 、 差 压 、 温度 、 瞬时流 量 、 累计 流量 、 管存 量 、 站 内 输 差等 信息 ； 2 以矢 量 图 形 式 显示 站 场 的 工 艺 流 程 ， 动 态 显 示站 场 的生产 数 据 ； 3 具 备 生成参 数 压力 、 压 差 、 温 度 、 瞬 时 流量 和 累计 流量 的实 时趋势 图表 和历 史趋 势 图表 功能 ； 4 具 备 压力 、 差压 、 温 度 、 瞬时 流 量 和 P L C 系 统通讯等参数报警信息， 每个参数设有上下 限报警 值 ， 数据异常时在流程 图相应位置处给出报警信息 ； 5 具 备 生成 各 站场 及 全 厂 的 瞬 时报 表 、 日报 表 、 月报 表 和年报 表 等功能 ； 6 由于 网 络异 常导 致 计 量 数 据 缺 损 时 ， 在 恢 复 网络后 能 够 自动 从 站 场 P L C 系统 的存 储 卡 中读 取 缺损 的计 量数据 ； 7 客户端 以 B ／ S模 式 就 能 访 问 W e b在 线 监 测 系统 ， 对用 户设 置访 问权 限 。 l系统特点 1 计 量 系 统 可 靠 性 高 。该 系统 由 P I c对 计 量仪器仪表输出信号集 中采集 ， 中控室工业控制计 算机只承担了计量数据的显示和 自动化参数设置功 能。整个系统无论从硬件还是软件上都采用冗余设 计 ， 平 均故 障 问隔时 间 MB TF 得到延 长 。 2 计量数据远传共享。各站场 自动计量系统 通 过“ 光纤 到站 ” 联 网 ， 实 现 了现 场 计 量 数据 到远 端 计量服务器数据库的上传 ， 通过局域 网随时可 以对 计 量数 据进 行实 时分 析和监 测管 理 。 3 兼 容 性 好 、 扩展 性 强 。该 系统 适 用 于 各 种 计量仪器仪表 的集输气站场 ， 包括智能变送器、 多种 流量计和 自动化仪表等 。扩展计量点增加仪表时， 只需要 增加 P L C相应 模块 即可 。 4 安 全 性 高 。 通 过 硬 件 防火 墙 进 行 网 络 隔 离 ； P I C系统 的 I P地 址 单 独 划 分 ， 数 据 单 向上 传 ， 同时使用路由器作 端 口映射 ， 避免网络病毒直接对 P L C进行攻 击 ， 确 保 基 于 P I C 的 自动 计 量 系统 的 安全 运行 。 同时 ， P I C 系 统 具 有 光 电 隔 离 功 能 ， 雷 电天气抗 过压 能力 强 。 5 实 时 性 强 。采 用 光 纤 媒 介 传输 计 量 数 据 ， 上传 速度 快 ； 服 务 器 采 用 Or a c l e数 据 ， 实 时存 储 和 处理 各站 场上 传 的计量 数据 。监测 软件设 置数 据刷 新周 期最 小 为 l S 。 _-结 语 通过 对 天 然 气 S C AD A 系统 的设 计 和研 究 ， 实 现了计量信息化建设。该系统实现了各站场生产数 据 的采集 、 计量 以及 远程 的实 时分 析 、 监 测管 理 。系 统投入 使 用后运 行 稳 定 ， 为 领 导 决 策 、 生产 监 测 、 调 度管理、 销售监督等工作提供实时数据支持。 参 考 文 献 [ 1 ]梅志宏 ， 陈华 群 ， 李 虹， 等． S C AD A系统在川东北 温泉井 、 黄龙场 气 出的应用[ J ] ． 石油与l火然气化工 ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 5 4 3 5 4 6 ． 下 转 第 9 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERl NG OF OI L ＆ GAS 2 01 2 3结 语 根据 川 东北 高 含硫 气 田项 目的高含 硫 、 高 压 力 及高风险的特点 ， 在常规的仪表安装设计 的基础上 对仪表安装方案进行 了优化。将仪表管嘴与仪表阀 门的连接 由螺 纹连 接 改 为法 兰 连 接 ； 增 加 了整 体 型 温度计外保护套管 ； 增加 了泄放 阀门以及将单切断 仪表阀门改为双切断仪表 阀门。 以上 的几点优化是基于增加仪表安装 的安全 性 、 可靠 性 以及项 目特 点的基 础上设 计 出来 的 ， 并没 有对优化后的仪表安装方案成本加 以分析 ， 因此并 不等同于对原常规气 田仪表安装方案 的否定 及替 代 ， 任何仪表安装设计方案都应该做到因地制宜 ， 与 项 目的具体实 际情 况 相 结合 ， 在满 足 安 全 环保 的基 础上尽 可能地 做 到经济实 用 。 参 考 文 献 [ 1 ]中国石油和化学工业协会． GB 5 0 0 9 3 2 0 0 2自动化仪表 工程施 工及验收规范[ s ] ， 2 0 0 3 0 1 一l 0 ． [ 2 ]蒋毅 ， 黄湛． 防毒庇 护所在 高含硫 气 田中的应 用[ J ] ． 天然气 工 业 ， 2 0 0 9， 2 9 6 1 1 7 1 1 9 ． 2 3 ]I n s t a ] l a t i o n ，I n s p e c t i o n ，Te s t i n g ， a n d C o mmi s s i o n i n g o f I n s t r u t t i n n rVX T 、 M PC一 5 1 9 A 作 者 简 介 吴 庆 伦 男 ， 1 9 7 4年生 ， 工程师， 从事油气 田地面建设 自控仪表 专业技术管理工作 ， 曾在石油与天然气化 I 杂志发表 论文多篇 。地 址 四川省成都 市建 设北 路一 段 2号川 I 东J E 高 含硫项 目部 ， 电话 0 2 8 6 5 5 5 3 7 1 2， 1 3 7 0 9 0 7 4 4 9 9。Ema i l q n wu c h e v r o n． C O H I 。 收稿日期 2 0 1 l o 4 2 j ； 编辑 钟国利 上 接 第 9 1页 参 考 文 献 [ 1 ]李克向 主编． 保护油气层钻井完井技术 [ M] ． 北京． 石油 工业出 版 社 ． 1 9 9 3 ， 1 0 ． [ 2 ]陈大钧 ， 油气田应用化学[ M] ． 北京． 石油工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ]黄仲尧 ， 李雨威 ， 张太亮 ， 等． 页岩抑制剂的研制 与评价[ J ] ． 石油 与天然气化 I L ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 2 5 0 2 5 3 ． [ 4 ]靳保军 ， 马兴芹． 低渗透油田注水预处理用稳定剂 的优选 [ J ] ． 特 种油 藏 ， 2 0 0 3 ， 1 0 6 7 5 7 8 ． [ 5 ]郑力军 ， 张涛 ， 黎晓茸 ， 等． 聚异丙烯膦酸在长庆油 田解堵过程 中 的研究 与应用[ J ] ． 石油 与天然气化工， 2 0 1 0 ， 3 9 5 4 3 9 4 4 1 ． [ 6 ]何会龙． C T1 2 1粘 土 防 膨剂 的研 究 及 应用 [ J ] ． 钻 采 工 艺， 1 9 97 ， 2 0 3 5 6 5 9 ． [ 7 ]朱维群 ， 张蕊 ， 刘光 增 ， 等． 油田新 型粘土 防膨 剂 C E TA 的性 能 [ J ] ． 应用化学 ， 2 0 0 3 ， 2 0 1 0 9 5 5 9 5 8 ． r 8 ]Ki m Ta o Se o n g， Hi r a o To s hi k a z u， I k e d a I s a o ． Pr e p a r a t i o n o f b i s q u a t e r n a r y a mmo n i u m s a l t s f r o m e p i c h l o r 】 h y d r i n[ J ] ． J AOCS， l 9 9 6， 7 3 1 6 7 7 1 ． [ 9 ]崔付义 ， 马兴芹， 张云芝 ， 等． 注水处理用粘土稳定剂的优选 [ J ] ． 油气地质与采收率， 2 0 0 5 ， l 2 1 ， 7 5 ～8 O ． [ 1 O ]S Y ／ T 5 9 7 l 1 9 9 4 ， 注水用粘土稳 定剂性能评价方法[ s ] ． 作 者 简 介 张 轩 男， 西南石油大学应用化学在读硕士研究生， 主要从 事油 田化学品的开 发及应用研 究。地址 6 l 0 5 0 0 成都 市新都 区两 南石油大学研究生院。 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 2 4 ； 收修改稿 2 0 1 1 0 7 0 2 ； 编 辑 冯 学 军 上接 第 9 j页 [ 2 ]谢安俊． 油气管线 S C AD A系统调度控制 中心 的安全策略[ J ] ． 天 然气工 业， 2 0 0 5 ， 2 5 6 1 1 3 l 1 5 ． [ 3 ]程伟 ， 张礼春 ， 杨鸿 源． 天然气 自动化计量 系统的应用探 讨[ J ] ． 天然气 业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 0 1 3 6 1 3 7 ， 1 4 7 ． [ 4 ]刘忠． 基于 Mo d b u s／ T C P协议 的以太网 监测软件的设计 与实现 [ J ] ． 工业控制计算机 ， 2 0 0 8 ， 2 l 2 6 7 ． [ 5 ]陆宪惠． 现场总 线技术 及其 应用 [ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 1 99【 j _ 作 者 简 介 王存伟 男， 工程师， 2 0 0 8 年毕业于西北工业大学电子信息学 院 ， 现任 职于 中原油 田分公司天然气产 销厂计量管 理科。Ema i l [ a mc u n we i 1 6 3 ． c o rn。 收稿日 期 2 0 1 l o 2 1 6 ； 收修改稿 2 0 1 1 0 3 0 3 ； 编辑 钟 国利 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m