SCADA系统在煤层气田开发中的应用

(1.中国石油辽河工程有限公司，盘锦124010；2.中国联合煤层气有限责任公司，北京100011；3.中国石油华北油田煤层气分公司，晋城048000)

摘要:以中联煤层气有限公司国家煤层气高新技术产业化示范项目为背景，阐述了该项目中SCA-DA系统的结构、功能和特点，反映了自动化和电子通信技术在煤层气田开发中的应用现状。通过项目的实施，实现了SCADA系统中无线、光缆、电缆等多种通信方式的集成，成功降低了煤层气田信息化建设和维护过程中自动控制系统的投资，适合煤层气井位置偏远、井多、井密、压力低、产量低的特点。

作者简介:吕泽峰，男，自控工程师，中国石油辽河工程有限公司硕士，主要从事煤层气集输领域的研究工作。

关键词:GPRS无线传输网络SCADA煤层气

SCADA在煤层气项目开发中的应用

陆泽峰1，陈世林2，常雪兰3，林向阳1

( 1.中国辽河石油工程有限公司盘锦124010，中国2。中国联合煤层气有限责任公司北京100011，中国3。华北油田煤层气公司，晋城048000，中国)

摘要:以中国煤层气有限责任公司高新技术产业化示范工程为工程背景，论述了SCADA系统的结构、功能和特点，反映了自动化技术和电子通信技术的应用现状。SCADA实现了无线和有线通信的融合，不仅节省了煤层气田信息化建设的建设、运行和维护费用，而且符合煤层气井位置偏远、数量多、密度大、压力低、产量低的特点。

关键词:GPRS无线通信；SCADA煤层气

1简介

SCADA(监控与数据采集)系统是以计算机为基础的监控和调度管理自动化系统，可实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调整、信号报警等多种功能，具有信息传输迅速准确、显示直观等优点。在煤层气开发水平较高的国家，监测与数据采集系统已成为煤层气集输系统的常用设施。21世纪初以来，随着国家对煤层气开发的高度重视，SCADA系统也开始在我国煤层气行业得到应用。

SCADA系统在煤层气行业的实际应用需要根据煤层气集输系统的实际情况和特点以及煤层气井地理位置的实际情况进行设计和规划，认真把握设计原则、系统功能、系统结构等特点，实现现代技术与煤层气地面集输要求的最佳结合，降低工程投资，促进煤层气开发利用的技术进步，确保煤层气的科学调度和安全集输。

2 SCADA系统设计

2.1设计原则

利用最新的计算机软硬件技术，建立SCADA集成应用环境，系统设计遵循以下原则:

(1)高级:系统建设要有较高的技术起点，采用客户端/服务器主从分布式架构，选择统一的软件平台Windows XP操作系统，达到最佳性价比。

(2)安全可靠:系统选用的硬件设备应符合现代工业标准，采用双机、双网、双电源、双通道接入等冗余设计结构，出现故障时可自动切换，保证系统不间断可靠运行。系统软件平台应成熟、可靠、安全，软件开发应遵循软件工程的方法。经过充分测试，该程序运行稳定可靠，易于使用和维护。网络和关键设备应具有双重和多重冗余，数据库管理应分层并分级授权。系统应有可靠的备份，以保证系统出现故障时能尽快恢复系统的运行。

(3)开放性:开放性主要体现在支撑平台和应用系统两个方面。对于支撑平台，应选择标准化的软硬件产品，系统中的设备应具有良好的通用性，不同厂商的产品可以相互集成，系统可以扩展和升级。对于应用系统，应用系统应提供具有模块化、网络化、接口标准化特点的集成支撑平台，支持用户应用软件的开发，并保证与其他系统的互联互通和无缝集成。

(4)可扩展性:SCADA系统应具有良好的功能可扩展性，以便系统的建设可以整体规划，分步建设，逐步扩展和升级。

(5)易用性:系统应具有简单、易懂、易操作的用户界面。操作员可以在没有很强的计算机专业知识的情况下使用和维护系统。同时，系统软件的各个功能模块灵活分布在以数据库为核心的网络的各个节点上，除了一些需要相关硬件的模块外，可以运行在任何节点上，做到“即用即取”。

2.2 SCADA系统的总体结构

SCADA系统由集气站的站控系统(SCS)、阀组或无线传输网络的远程终端单元(RTU)和盘河增压站SCADA系统的调度控制中心组成。调度控制中心完成对管道沿线所有站场和阀组的监视、调度和管理任务。

考虑到整个系统的安全性和可靠性要求，SCADA系统的所有重要部分均冗余设置。当出现故障时，它可以自动切换并备份系统的数据。同样，RTU的所有AO点、DO点和一些重要AI点都是冗余配置的。

站控系统还与现场第三方设备进行数据通信。所有第三方设备都具有与RTU通信的能力。通信接口是标准的Modbus-RTU。通信过程中，RTU作为主站，第三设备作为从站。RTU将这些设备的运行参数读入SCADA系统，供生产、运行和维护参考。RTU与第三方设备连接时，采用终端服务器，专门用于串口到以太网的无缝链接。它使得串口设备可以直接与网络设备进行通信，无需进行软件或硬件的二次开发，为串口设备连接以太网提供了便捷的传输方式，可以在串口和以太网端口之间进行双向数据传输，同时对串口设备进行集中管理。终端服务器通过串口连接现场所有分散的Modbus RS485串口设备，并通过TCP/IP连接到RTU网络。

井口和阀组与集气站站控系统的通信方式是基于移动运营商不同的自然环境和网络覆盖，目的是在满足系统要求的前提下尽可能降低成本。在有移动信号覆盖的地区应采用成本最低的GPRS通信，在无移动信号覆盖、地形恶劣的地区应采用无线传输网络通信，在通信主干道、数据传输量大的情况下应采用光缆通信。SCADA系统结构如图1所示。

图1 SCADA系统结构图

2.3 SCADA系统的通信

2.3.1 GPRS通信

工业上常用的GPRS通信原理如图2所示。

企业用户通过GPRS模块将数据发送给移动公司基站，移动公司基站根据接收到的数据包中指定的数据发送地址(固定IP地址)，通过交换机经由互联网直接发送给企业用户。

GPRS是基于GMS在第2+阶段提供的通用分组无线业务。它使用基于分组传输模式的无线IP技术，以有效的方式高速传输数据。GPRS支持互联网上应用最广泛的TCP/IP协议和X.25协议，为网络中的终端分配动态IP地址，通过GGSN接入互联网，用户可以直接访问互联网站。通过PDCH信道的数据传输具有比GSM高65，438+00倍的传输速率和65，438+0/6甚至更低的成本。理论上最高传输速率为65，438+0，765，438+0.2 kbit/s，具有“永远在线”和低收费的优点。

图2 GPRS通信示意图

GPRS的主要功能:

(1)定义了不同的服务，如点对点无连接服务、点对点面向连接服务和点对点组播服务。

(2)定义了新的GPRS无线信道，分配方式灵活。每个TDMA帧可以分配1 ~ 8个无线接口时隙，动态用户可以共享，上下行分配独立。

(3)可以支持间歇性突发数据传输和偶尔的大数据传输；它支持四种不同的QOS级别，可以在0.5 ~ 1秒内恢复数据重传。

(4)使用分组交换技术，核心层采用IP技术，提供与现有网络的无缝链接。

2.3.2无线传输网络通信

无线传输采用主从应答的方式，主站利用无线网络下达命令。接收到命令后，从站执行相应的操作并产生响应。响应可以是数据或系统信息。如图3所示。

图3无线传输网络结构图

该方案主要是通过节点构建一个通信速度非常快的无线网状骨干网，并且这个无线骨干网是自组织、自愈的，支持各种无线应用和各种通信协议的现场仪表。现场无线仪表可以自动选择与任何节点进行通信，具有自组织、自愈能力。但是，现场仪表不具备路由功能。通常情况下，任何一个节点都可以作为网关或者同时实现与DCS的数据集成。无线发射机采用电池供电，跳频和扩频通信，采用2.4GHz公共频段。节点间最大通信距离可达10km。

这种方案的优点是由于节点构建的快速网状骨干网，无线发射机的刷新速度可以达到很快，一般是1秒或0.25秒一次，而且由于无线发射机只需要1跳就可以将数据传输到一个通信速度非常快的无线骨干网，因此整个网络的通信时延也很短。

因为每个无线发射器都不作为其他发射器的路由，所以电池的寿命很长，在室温下1秒刷新一次可以达到5年。而且由于没有路由功能，电池电压不仅可以随时显示报警，还可以预测电池寿命。

由于整体架构的优势，网络的规模非常灵活，一个网络支持的无线表数可以达到上千个。

2 . 3 . 3 SCADA系统的通信集成

为了提高系统的适用性，需要将基于光缆、GPRS和无线传输网络的各种通信方式有机地集成到一个完整的SCADA系统中。工程上有很多基于有线和GPRS的系统集成的成功案例，在此不再赘述。

无线传输网络是一种全新的通信理念，它摒弃了传统SCADA系统从一次仪表到RTU再到站控系统的通信方式，采用了从无线变送器直接到多功能节点的通信方式。通过在集气站安装无线多功能节点，可以集成到整个无线传输网络中，安装在集气站的无线多功能节点可以直接与上位机系统进行通信。

无线传输网络也是整个SCADA系统的有效补充。当RTU因通信线路故障无法向上位机发送数据时，可以在RTU上临时安装一个无线多功能节点，通过无线传输网络将RTU因通信线路故障而产生的过程数据上传到上位机。

3 SCADA系统功能

3.1系统生产控制功能

阀组RTU和无线传输网络负责将各煤层气生产井和阀组的工艺参数实时上传至站控系统；

站控系统负责接收井口和阀组通过各种方式发回的工艺参数，同时发出控制指令。站控系统还完成集气站工艺参数的检测和控制。详情如下:

3.1.1数据采集功能

包括温度、压力、液位、煤层甲烷浓度、含水量等。

3.1.2报警和联锁

生产参数报警，如高液位报警、高煤层气浓度报警；设备故障报警，如电动阀故障判断和报警，加热炉火焰监测和报警等。现场过程异常报警。

3.1.3人机界面和键盘

采集数据显示、报警显示、过程监控、参数设置等。通过人机界面和键盘，可以实现现场监控操作和设置。

3.1.4通讯接口

通过通信线路与控制中心的通信，可以实现上传站场采集的数据、测量、上传监控结果、下载中控室的参数设置等远程操作，实现井口和阀组的无人值守。

3.2系统的数据管理功能

软件通常采用标准和开放的通信协议。RTU、PLC和DCS软件通过ODBC、ADO或直接数据库接口将数据实时写入数据库。

3.2.1系统数据维护

如用于SCADA系统和DCS系统内部维护的信息，以及中控室操作小组的操作安全信息等。

3.2.2站点基础数据维护

基础数据库的维护保证了MIS系统内部信息与实际生产情况一致。

动态信息收集

动态采集数据包括各站点的温度、压力、流量、天然气浓度等历史数据，以及各油井的产量测量结果。

数据处理和分析

分析和处理生产中的异常数据。

报告输出

3.3系统数据发布

实时数据库系统与WEB数据和GIS系统(地理信息系统)相结合，实现煤层气田系统生产信息的共享，提高信息应用和生产管理水平。

4结论

该系统已在中联煤层气有限公司国家煤层气高技术产业化示范项目中开发，并取得了良好的应用效果:

(1)由于采用了多种数据传输技术，减少了工程投资，缩短了建设周期。

(2)无线传输网络技术的应用使井口视频监控成为可能，对安全生产起到重要作用，缩短工程建设周期。

(3)3)SCADA系统的成功应用，使站内无人操作率达到89%，站外系统数据传输100%，检查井率降低67%，劳动强度大大降低。

参考

陈印生。2005.集控站自动化系统的建设与应用[J].电力建设，47(12):67268

马德新，孙。2008.广东大鹏液化天然气管道自动控制系统[J].石油化工自动化，44 (1): 49 ~ 254

孙茂元，刘奕君。2009.中国煤层气产业的新进展。天然气工业。3.