吕泽锋1 陈仕林2 常雪岚3 蔺向阳1
(1.中油辽河工程有限公司，盘锦 124010;2.中联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:以中联煤层气有限责任公司国家煤层气高技术产业化示范工程为背景，通过对工程中SCA-DA系统的结构、功能和特点的阐述，反映自动化及电子通讯技术在煤层气田开发中的应用现状。通过工程的实施，实现了基于无线、光缆、电缆等多种通讯方式在SCADA系统中的融合，成功地降低了煤层气田信息化建设和维护过程中自控系统的投资，适合了煤层气井地处偏远、井多、井密、低压、低产等特点。
作者简介: 吕泽锋，男，自动控制工程师，中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
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)系统即监视控制与数据采集系统，是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统，能实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及信号报警等各项功能，具有传递信息迅速准确、显示直观的优点。在煤层气开发水平较高的国家，监控与数据采集系统已成为煤层气集输系统中的普遍设施。进入21世纪以来，随着国家对煤层气开发的高度重视，SCADA系统在我国煤层气行业中也开始应用。
SCADA系统在煤层气行业的实际应用，需要结合煤层气集输系统的实际情况和特点，针对煤层气井所处地理位置的实际情况来进行设计和规划，认真把握设计原则、系统功能、系统结构等特性，达到现代科技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技术进步，确保煤层气科学调度，安全集输。
2 SCADA系统设计
2.1 设计原则
采用最新的计算机软、硬件技术，建立一个SCADA集成应用环境，系统设计时遵从下述原则:
(1)先进性:系统建设应具有较高的技术起点，采用Client/Server主从分布式体系结构，选用统一的软件平台Windows XP操作系统，以求最佳的性能价格比。
(2)安全可靠性:系统所选硬件设备要符合现代工业标准，应采用双机、双网、双电源，接入双通道等冗余设计结构，发生故障时可自动切换，保障系统的不间断可靠运行。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，经过充分测试使程序运行稳定可靠，方便使用，易于维护。网络和关键设备应具有双重和多重冗余，在数据库的管理上分层次，分级授权。系统应具有可靠的备份，保证在系统故障时，能尽快地恢复系统的运行。
(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。对支撑平台而言，选用标准化的软硬件产品，系统中的设备应具有很好的通用性，不同厂家的产品可相互集成，系统可扩充和升级。对应用系统而言，应用系统应提供一体化支撑平台，具有模块化、网络化、接口标准化的特点，支持用户应用软件的开发，保证能和其他系统互联和无缝集成。
(4)可扩展性:SCADA系统应具有良好的功能可扩展性，从而使系统的建设可以总体规划，分步建设，逐步扩充，逐步升级。
(5)易用性:系统应具有简学，易懂，易于操作的用户界面，操作人员不需要很强的计算机专业知识即可使用和维护系统，同时系统软件的各功能模块以数据库为核心灵活分布在网络的各个节点上，除个别模块需要相关硬件外，都能在任意节点机上运行，做到“即装即用”。
2.2 SCADA系统的总体结构
该SCADA系统由集气站站控系统SCS(Station Control System)、阀组远程终端单元RTU(Remote Terminal Unit)或无线传输网络和潘河增压站设置SCADA系统调度控制中心构成。调度控制中心完成对管线全线各个站场和阀组的监控、调度、管理等任务。
考虑到整个系统的安全可靠性要求，SCADA系统中所有重要部位都为冗余设置，当发生故障时，能自动进行故障切换，自动对系统的数据进行备份。同样，将RTU所有AO点、DO点和一些重要的AI点按照冗余配置。
站控系统还与现场第三方设备进行数据通讯，所有第三方设备都具有与RTU通信的能力，通信接口为标准的Modbus-RTU，通讯时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，供生产运营维护参考。RTU与第三方设备连接时，采用了Terminal Server，它专为串口转以太网无缝链接设计，能够让串口设备直接与网络设备通讯而不用对软件或硬件做二次开发，为串口设备连接到以太网提供了便捷的传输方式，可以进行串口和以太网口的双向数据传输，同时集中管理串口设备。Termi-nal Server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网络上。
井口和阀组与集气站站控系统通讯方式根据现场自然环境和移动运营商网络覆盖情况的不同，采用3中方式通讯，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区域应采用成本最低的GPRS通讯，在无移动信号覆盖且地貌恶劣区域应采用无线传输网络通讯，在通讯主干道、大数据量传输的情况下应采用光缆通讯。SCADA系统结构如图1所示。
图1 SCADA系统结构图
2.3 SCADA系统的通讯
2.3.1 GPRS通讯
工业上常用的GPRS通讯原理如图2所示。
企业用户将所需传输的数据通过GPRS模块发送到移动公司基站，移动公司基站根据收到数据包中指定的数据发送地址(固定的IP地址)通过交换机经由Internet直接发送给企业用户。
GPRS是基于GMS在Phase2+阶段提供的通用分组无线业务。它采用基于分组传输模式的无线IP技术，以一种有效的方式高速传送数据。GPRS支持Internet上应用最广泛的TCP/IP协议和X.25协议，为网内终端分配动态的IP地址，通过GGSN接入Internet，用户可以直接访问Internet站点。数据传输通过PDCH信道，具有比GSM多出10倍以上的传输速率及1/6甚至更少的费用，传输速率理论上最高达171.2kbit/s，具有“永远在线”和收费低廉的优点。
图2 GPRS通讯原理图
GPRS的主要特点:
(1)定义了不同的业务，如点对点无连接业务、点对点面向连接业务和点对点多播业务。
(2)定义了新的GPRS无线信道，分配方式灵活。每TDMA帧可分配1～8个无线接口时隙，时隙能为动态用户共享，且向上链路和向下链路的分配是独立的。
(3)能够支持间歇的突发式数据传送，又能支持偶尔的大量数据传输;支持4种不同的QOS级别，能在0.5～1s内恢复数据的重新传输。
(4)采用分组交换技术，核心层采用IP技术，提供了和现有网络的无缝链接。
2.3.2 无线传输网络通讯
无线传输采用主从应答方式，主站利用无线网络下达命令，从站接收到命令后，执行相应操作，产生回应。回应可以为数据，也可以为系统信息。如图3所示。
图3 无线传输网络结构图
该方案主要是由节点构建一个通讯速度非常快的无线mesh主干网络，而且这个无线主干网络自组织、自愈合，同时支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表。现场无线仪表可以自动选择同任意一个节点进行无线通讯，自组织、自愈合。但是现场仪表不配置路由功能。通常任何一个节点都可以或同时作为网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。节点间的最大通讯距离可达10km。
这种方案的优点就是由于节点构建的快速的mesh主干网络，使得无线变送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒一次，而且由于无线变送器只需要1个“hop”就可以把数据传输到一个通讯速度非常快的无线主干网上，所以整个网络的通讯时间滞后也很短。
因为每台无线变送器都不作为其他变送器的路由，所以电池的寿命很长，常温下1秒刷新一次时就可以达到5年。而且正是由于没有配置路由功能，所以电池的电压不仅可以随时显示报警，而且电池寿命是可以预测的。
这种解决方案由于整个架构的优势，网络的规模非常灵活，一个网络支持的无线仪表的数量可以达到上千台。
2.3.3 SCADA系统通讯的融合
为了提高系统的适用性，需要把基于光缆、GPRS、无线传输网络等多种通讯方式有机集成一套完整的SCADA系统。基于有线和GPRS的系统集成，工程上有很多成功的案例，这里不再赘述。
无线传输网络是一种全新的通讯理念，它摒弃了传统SCADA系统由一次仪表到RTU再到站控系统的通讯方式，采用了直接由无线变送器到多功能节点的通讯方式。通过在集气站安装无线多功能节点使其纳入整个无线传输网络，安装在集气站的无线多功能节点直接与上位机系统通讯。
无线传输网络还是整个SCADA系统的有效补充。当RTU因通讯线路故障无法向上位机数据时，可以在RTU上临时安装无线多功能节点，将因通讯线路故障的RTU工艺数据通过无线传输网络上传上位机。
3 SCADA系统功能
3.1 系统生产控制功能
阀组RTU和无线传输网络担负着将各个煤层气生产井、阀组的工艺参数实时上传给站控系统;
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，同时下达控制指令。站控系统也完成对集气站工艺参数的检测与控制。具体如下:
3.1.1 数据采集功能
包括各站点工艺流程温度、压力、液位、煤层气浓度、含水率等。
3.1.2 报警与联锁
生产参数报警如液位高报警、煤层气浓度高报警等;设备故障报警如电动阀故障判断与报警、加热炉火焰监测与报警等;站点流程异常报警。
3.1.3 人机界面和键盘
采集数据显示、报警显示、工艺流程监视、参数设置等。通过人机界面和键盘可实现现场站点监测操作和设置。
3.1.4 通信接口
通过通信线路与调控中心的通信，实现站点采集数据上传、计量、监测结果上传和中心控制室参数设置的下传等远程操作，从而实现井口和阀组无人值守。
3.2 系统的数据管理功能
软件方面通常采用标准、开放的通信协议。RTU、PLC和DCS软件通过ODBC、ADO或者直接的数据库接口，将数据实时写入数据库中。
3.2.1 系统数据维护
如SCADA系统、DCS系统内部维护所使用的信息，以及中心控制室操作班组等操作安全信息等。
3.2.2 站点基础数据维护
基础数据库维护则保证MIS系统内部信息与实际生产情况保持一致。
3.2.3 动态采集信息
动态采集数据包括各个站点现场的温度、压力、流量、天然气浓度等历史数据，以及各个油井的产量计量结果等。
3.2.4 数据处理和分析
对生产中的异常数据进行分析和处理。
3.2.5 报表输出
3.3 系统数据发布
实时数据库系统与WEB数据以及GIS系统(地理信息系统)相结合，实现生产信息在煤层气田系统内部的共享，提高信息应用和生产管理水平。
4 结语
系统在中联煤层气有限责任公司国家煤层气高技术产业化示范工程中展开，取得了较好的应用效果:
(1)由于采用多种数据传输技术，降低了工程投资，同时也缩短了工期。
(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，缩短了工程建设周期。
(3)SCADA系统的成功应用使站场无人操作率达到89%，站外系统数据得到100%传输，巡井率降低了67%，大幅度降低了劳动强度。
参考文献
陈银胜.2005.集控站自动化系统建设及应用［J］.电力建设，47(12):67268
马德信，孙宗文.2008.广东大鹏液化天然气管线的自控系统［J］.石油化工自动化，44(1):49～254
孙茂远，刘贻军.2009.中国煤层气产业新进展.天然气工业.3