(1.中國石油遼河工程有限公司，盤錦124010；2.中國聯合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:以中聯煤層氣有限公司國家煤層氣高新技術產業化示範項目為背景，闡述了該項目中SCA-DA系統的結構、功能和特點，反映了自動化和電子通信技術在煤層氣田開發中的應用現狀。通過項目的實施，實現了SCADA系統中無線、光纜、電纜等多種通信方式的集成，成功降低了煤層氣田信息化建設和維護過程中自動控制系統的投資，適合煤層氣井位置偏遠、井多、井密、壓力低、產量低的特點。
作者簡介:呂澤峰，男，自控工程師，中國石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
SCADA在煤層氣項目開發中的應用
陸澤峰1，陳世林2，常雪蘭3，林向陽1
( 1.中國遼河石油工程有限公司盤錦124010，中國2。中國聯合煤層氣有限責任公司北京100011，中國3。華北油田煤層氣公司，晉城048000，中國)
摘要:以中國煤層氣有限責任公司高新技術產業化示範工程為工程背景，論述了SCADA系統的結構、功能和特點，反映了自動化技術和電子通信技術的應用現狀。SCADA實現了無線和有線通信的融合，不僅節省了煤層氣田信息化建設的建設、運行和維護費用，而且符合煤層氣井位置偏遠、數量多、密度大、壓力低、產量低的特點。
關鍵詞:GPRS無線通信；SCADA煤層氣
1簡介
SCADA(監控與數據采集)系統是以計算機為基礎的監控和調度管理自動化系統，可實現遠程數據采集、設備控制、測量、參數調整、信號報警等多種功能，具有信息傳輸迅速準確、顯示直觀等優點。在煤層氣開發水平較高的國家，監測與數據采集系統已成為煤層氣集輸系統的常用設施。21世紀初以來，隨著國家對煤層氣開發的高度重視，SCADA系統也開始在我國煤層氣行業得到應用。
SCADA系統在煤層氣行業的實際應用需要根據煤層氣集輸系統的實際情況和特點以及煤層氣井地理位置的實際情況進行設計和規劃，認真把握設計原則、系統功能、系統結構等特點，實現現代技術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的技術進步，確保煤層氣的科學調度和安全集輸。
2 SCADA系統設計
2.1設計原則
利用最新的計算機軟硬件技術，建立SCADA集成應用環境，系統設計遵循以下原則:
(1)高級:系統建設要有較高的技術起點，采用客戶端/服務器主從分布式架構，選擇統壹的軟件平臺Windows XP操作系統，達到最佳性價比。
(2)安全可靠:系統選用的硬件設備應符合現代工業標準，采用雙機、雙網、雙電源、雙通道接入等冗余設計結構，出現故障時可自動切換，保證系統不間斷可靠運行。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，該程序運行穩定可靠，易於使用和維護。網絡和關鍵設備應具有雙重和多重冗余，數據庫管理應分層並分級授權。系統應有可靠的備份，以保證系統出現故障時能盡快恢復系統的運行。
(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。對於支撐平臺，應選擇標準化的軟硬件產品，系統中的設備應具有良好的通用性，不同廠商的產品可以相互集成，系統可以擴展和升級。對於應用系統，應用系統應提供具有模塊化、網絡化、接口標準化特點的集成支撐平臺，支持用戶應用軟件的開發，並保證與其他系統的互聯互通和無縫集成。
(4)可擴展性:SCADA系統應具有良好的功能可擴展性，以便系統的建設可以整體規劃，分步建設，逐步擴展和升級。
(5)易用性:系統應具有簡單、易懂、易操作的用戶界面。操作員可以在沒有很強的計算機專業知識的情況下使用和維護系統。同時，系統軟件的各個功能模塊靈活分布在以數據庫為核心的網絡的各個節點上，除了壹些需要相關硬件的模塊外，可以運行在任何節點上，做到“即用即取”。
2.2 SCADA系統的總體結構
SCADA系統由集氣站的站控系統(SCS)、閥組或無線傳輸網絡的遠程終端單元(RTU)和盤河增壓站SCADA系統的調度控制中心組成。調度控制中心完成對管道沿線所有站場和閥組的監視、調度和管理任務。
考慮到整個系統的安全性和可靠性要求，SCADA系統的所有重要部分均冗余設置。當出現故障時，它可以自動切換並備份系統的數據。同樣，RTU的所有AO點、DO點和壹些重要AI點都是冗余配置的。
站控系統還與現場第三方設備進行數據通信。所有第三方設備都具有與RTU通信的能力。通信接口是標準的Modbus-RTU。通信過程中，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、運行和維護參考。RTU與第三方設備連接時，采用終端服務器，專門用於串口到以太網的無縫鏈接。它使得串口設備可以直接與網絡設備進行通信，無需進行軟件或硬件的二次開發，為串口設備連接以太網提供了便捷的傳輸方式，可以在串口和以太網端口之間進行雙向數據傳輸，同時對串口設備進行集中管理。終端服務器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。
井口和閥組與集氣站站控系統的通信方式是基於移動運營商不同的自然環境和網絡覆蓋，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地區應采用成本最低的GPRS通信，在無移動信號覆蓋、地形惡劣的地區應采用無線傳輸網絡通信，在通信主幹道、數據傳輸量大的情況下應采用光纜通信。SCADA系統結構如圖1所示。
圖1 SCADA系統結構圖
2.3 SCADA系統的通信
2.3.1 GPRS通信
工業上常用的GPRS通信原理如圖2所示。
企業用戶通過GPRS模塊將數據發送給移動公司基站，移動公司基站根據接收到的數據包中指定的數據發送地址(固定IP地址)，通過交換機經由互聯網直接發送給企業用戶。
GPRS是基於GMS在第2+階段提供的通用分組無線業務。它使用基於分組傳輸模式的無線IP技術，以有效的方式高速傳輸數據。GPRS支持互聯網上應用最廣泛的TCP/IP協議和X.25協議，為網絡中的終端分配動態IP地址，通過GGSN接入互聯網，用戶可以直接訪問互聯網站。通過PDCH信道的數據傳輸具有比GSM高65，438+00倍的傳輸速率和65，438+0/6甚至更低的成本。理論上最高傳輸速率為65，438+0，765，438+0.2 kbit/s，具有“永遠在線”和低收費的優點。
圖2 GPRS通信示意圖
GPRS的主要功能:
(1)定義了不同的服務，如點對點無連接服務、點對點面向連接服務和點對點組播服務。
(2)定義了新的GPRS無線信道，分配方式靈活。每個TDMA幀可分配1 ~ 8個無線接口時隙，可供動態用戶享用，上下行分配獨立。
(3)可以支持間歇性突發數據傳輸和偶爾的大數據傳輸；它支持四種不同的QOS級別，可以在0.5 ~ 1秒內恢復數據重傳。
(4)使用分組交換技術，核心層采用IP技術，提供與現有網絡的無縫鏈接。
2.3.2無線傳輸網絡通信
無線傳輸采用主從應答的方式，主站利用無線網絡下達命令。接收到命令後，從站執行相應的操作並產生響應。響應可以是數據或系統信息。如圖3所示。
圖3無線傳輸網絡結構圖
該方案主要是通過節點構建壹個通信速度非常快的無線網狀骨幹網，並且這個無線骨幹網是自組織、自愈的，支持各種無線應用和各種通信協議的現場儀表。現場無線儀表可以自動選擇與任何節點進行通信，具有自組織、自愈能力。但是，現場儀表不具備路由功能。通常情況下，任何壹個節點都可以作為網關或者同時實現與DCS的數據集成。無線發射機采用電池供電，跳頻和擴頻通信，采用2.4GHz公共頻段。節點間最大通信距離可達10km。
這種方案的優點是由於節點構建的快速網狀骨幹網，無線發射機的刷新速度可以達到很快，壹般是1秒或0.25秒壹次，而且由於無線發射機只需要1跳就可以將數據傳輸到壹個通信速度非常快的無線骨幹網，因此整個網絡的通信時延也很短。
因為每個無線發射器都不作為其他發射器的路由，所以電池的壽命很長，在室溫下1秒刷新壹次可以達到5年。而且由於沒有路由功能，電池電壓不僅可以隨時顯示報警，還可以預測電池壽命。
由於整體架構的優勢，網絡的規模非常靈活，壹個網絡支持的無線表數可以達到上千個。
2 . 3 . 3 SCADA系統的通信集成
為了提高系統的適用性，需要將基於光纜、GPRS和無線傳輸網絡的各種通信方式有機地集成到壹個完整的SCADA系統中。工程上有很多基於有線和GPRS的系統集成的成功案例，在此不再贅述。
無線傳輸網絡是壹種全新的通信理念，它摒棄了傳統SCADA系統從壹次儀表到RTU再到站控系統的通信方式，采用了從無線變送器直接到多功能節點的通信方式。通過在集氣站安裝無線多功能節點，可以集成到整個無線傳輸網絡中，安裝在集氣站的無線多功能節點可以直接與上位機系統進行通信。
無線傳輸網絡也是整個SCADA系統的有效補充。當RTU因通信線路故障無法向上位機發送數據時，可以在RTU上臨時安裝壹個無線多功能節點，通過無線傳輸網絡將RTU因通信線路故障而產生的過程數據上傳到上位機。
3 SCADA系統功能
3.1系統生產控制功能
閥組RTU和無線傳輸網絡負責將各煤層氣生產井和閥組的工藝參數實時上傳至站控系統；
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，同時發出控制指令。站控系統還完成集氣站工藝參數的檢測和控制。詳情如下:
3.1.1數據采集功能
包括溫度、壓力、液位、煤層甲烷濃度、含水量等。
3.1.2報警和聯鎖
生產參數報警，如高液位報警、高煤層氣濃度報警；設備故障報警，如電動閥故障判斷和報警，加熱爐火焰監測和報警等。現場過程異常報警。
3.1.3人機界面和鍵盤
采集數據顯示、報警顯示、過程監控、參數設置等。通過人機界面和鍵盤，可以實現現場監控操作和設置。
3.1.4通訊接口
通過通信線路與控制中心的通信，可以實現上傳站場采集的數據、測量、上傳監控結果、下載中控室的參數設置等遠程操作，實現井口和閥組的無人值守。
3.2系統的數據管理功能
軟件通常采用標準和開放的通信協議。RTU、PLC和DCS軟件通過ODBC、ADO或直接數據庫接口將數據實時寫入數據庫。
3.2.1系統數據維護
如用於SCADA系統和DCS系統內部維護的信息，以及中控室操作小組的操作安全信息等。
3.2.2站點基礎數據維護
基礎數據庫的維護保證了MIS系統內部信息與實際生產情況壹致。
動態信息收集
動態采集數據包括各站點的溫度、壓力、流量、天然氣濃度等歷史數據，以及各油井的產量測量結果。
數據處理和分析
分析和處理生產中的異常數據。
報告輸出
3.3系統數據發布
實時數據庫系統與WEB數據和GIS系統(地理信息系統)相結合，實現煤層氣田系統生產信息的共享，提高信息應用和生產管理水平。
4結論
該系統已在中聯煤層氣有限公司國家煤層氣高技術產業化示範項目中開發，並取得了良好的應用效果:
(1)由於采用了多種數據傳輸技術，減少了工程投資，縮短了建設周期。
(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，縮短工程建設周期。
(3)3)SCADA系統的成功應用，使站內無人操作率達到89%，站外系統數據傳輸100%，檢查井率降低67%，勞動強度大大降低。
參考
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