姜廣吉,孔亞廣,鄭 松

(杭州電子科技大學自動化學院信息與控制研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

隨著控制理論和技術的提高,在現(xiàn)代化的工業(yè)控制領域中,對于控制理論和技術的應用也越來越普遍,其高效、靈活、精確的優(yōu)點也越來越明顯。石油工業(yè)與其它工業(yè)領域一樣,正在向智能化和信息化方向過渡。采油自動化SCADA系統(tǒng)的開發(fā)充分利用了控制技術,并結(jié)合計算機、通信、仿真、采油等領域的先進技術與理論成果,包含了工藝模型設計、控制算法設計、界面軟件設計、網(wǎng)絡通信設計等方面的內(nèi)容。監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)系統(tǒng),是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與自動化控制系統(tǒng)[1]。SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵是上層組態(tài)軟件和下層現(xiàn)場工業(yè)設備之間的良好的通信?；趇FIX和PLC的SCADA系統(tǒng)可以分為上位機和下位機兩大部分,以PLC作為下位機,iFIX組態(tài)軟件作為上位機的軟件平臺,利用OPC通信技術與PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)是分布式的SCADA系統(tǒng),具有分散控制與集中管理的特點,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、歷史記錄及人機交互界面等功能。目前,SCADA系統(tǒng)已經(jīng)應用于各種工業(yè)對象,文獻2、3介紹了這種技術在煤礦工業(yè)中的應用,文獻4是SCADA系統(tǒng)在污水處理廠中的應用,文獻5是SCADA系統(tǒng)在卷煙廠中的應用,而SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)的通信方法也用所不同,文獻3通過CP5611通訊卡利用OPC技術實現(xiàn)通信,而文獻4通過光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)。

1 采油自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在油田采油過程中,油井及采油設備可能存在安全隱患或者發(fā)生故障,為了避免造成經(jīng)濟損失,減少油田生產(chǎn)成本,故引入采油自動化系統(tǒng),利用國內(nèi)外先進的技術確保采油過程的穩(wěn)定、可靠、先進,實現(xiàn)自動化,為各采油廠提高管理水平、增加經(jīng)濟效益和社會效益發(fā)揮重要作用。采油自動化系統(tǒng)結(jié)合油田生產(chǎn)的實際需要,根據(jù)油田生產(chǎn)、管理的要求設計開發(fā),把分散的油井、泵站等部門的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控設備連接起來,并通過以太網(wǎng)發(fā)送到生產(chǎn)調(diào)度中心,進而實現(xiàn)自動監(jiān)控油田的生產(chǎn)狀況。通過監(jiān)測抽油機載荷、電機電壓電流,以及井口壓力、溫度等參數(shù)掌握各油井的工況,及時發(fā)現(xiàn)隱患,并采取措施啟停抽油設備。

為此,建立一套采油自動化仿真培訓裝置,以利于相關操作工和學員進行采油自動化系統(tǒng)的培訓和考核。該系統(tǒng)由典型采油過程裝置(1路自噴井裝置、1路抽油井裝置、配水間和計量站、水套爐等)、RTU和SCADA中控室組成,如圖1所示。

自噴井和抽油井裝置組成采油樹,實現(xiàn)采油功能,安裝有各類現(xiàn)場儀表和檢測傳感裝置,采用多管流程與計量站仿真裝置相連。計量站裝置實現(xiàn)自動選井和油氣計量。配水間實現(xiàn)兩路配水,可實現(xiàn)注水壓力和流量的采集。

遠程測控終端(Remote Terminal Unit,RTU)是SCADA系統(tǒng)的基本組成單元[5]。一個RTU可以有幾個,幾十個或幾百個I/O點,放置在測量點附近的現(xiàn)場。每個采油過程裝置都配置有控制RTU,每個RTU里裝配好I/O模塊和現(xiàn)場控制設備,并與現(xiàn)場儀表或設備相連接,具備數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)傳輸(網(wǎng)絡通信)、PID控制或邏輯控制、流量累計等功能,將信號傳輸?shù)絊CADA中控室進行遠程數(shù)據(jù)采集與控制。

圖1 采油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 采油過程自動化SCADA系統(tǒng)工作原理

采油過程自動化SCADA系統(tǒng)由SCADA控制仿真軟件、RTU和現(xiàn)場設備組成,如圖2所示。RTU通過I/O模塊接收現(xiàn)場設備的物理信號,利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與上位機服務器的交互。為了方便管理和操作,該采油自動化系統(tǒng)有采油樹RTU、配水間RTU和計量站RTU,各RTU互不干擾。3個RTU分成1個主站RTU(計量站RTU)和2個從站RTU(配水間RTU、采油樹RTU),PLC CPU在主站RTU中,2個從站RTU的I/O模塊通過ProfiBus連接到主站的PLC CPU中,主站RTU的PLC用的是Simens公司S7-300,并增加了以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1。

SCADA控制仿真軟件包括STEP7,iFIX和SIMATIC NET,SCADA系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),利用OPC通信技術實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交互。OPC即用于過程控制的對象鏈接和嵌入,是一種應用程序之間進行數(shù)據(jù)交換的技術。現(xiàn)場數(shù)據(jù)從I/O模塊通過以太網(wǎng)通訊模塊傳到上位機上后,數(shù)據(jù)就可以在OPC客戶端和服務器之間進行傳輸了。其服務器端是隨SIMATIC NET軟件安裝的OPC服務器,OPC服務器包括3個層次的對象：OPC server,OPC group,OPC item。其客戶端軟件采用GE公司的iFIX組態(tài)軟件,可完全模擬采油過程自動化SCADA控制系統(tǒng)操作界面。iFIX不直接與PLC通信,而是作為OPC客戶端,通過OPC驅(qū)動訪問OPC服務器。iFIX在訪問OPC服務器的過程中,通過OPC驅(qū)動首先建立OPC server對象(包含OPC服務器的信息,是OPC group對象的容器),用于與具體OPC服務器建立連接,其次OPC驅(qū)動在OPC server對象下建立OPC group對象(OPC item對象的容器),其中包括有數(shù)據(jù)采集方式、采樣率以及激活狀態(tài)等信息。最后在OPC group對象下建立OPC item對象,OPC item對象包含硬件設備具體的存儲地址,是讀寫的最小邏輯單元。iFIX再通過OPC驅(qū)動按照采樣率從OPC item對象中讀取數(shù)據(jù),保存在驅(qū)動器映像表DIT(Driver Image Table),掃描報警控制程序SAC(Scan Alarm Control)按照掃描時間,從DIT中讀取實時數(shù)據(jù)保存到過程數(shù)據(jù)庫PDB(Process Database),通過歷史采集程序采樣過程數(shù)據(jù)庫,保存歷史數(shù)據(jù),向SCADA客戶端提供實時及歷史數(shù)據(jù)[6],如圖3所示。

圖2 RTU網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

3 采油過程自動化SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)

通過上述內(nèi)容介紹,SCADA系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合,把采油現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集到上位機組態(tài)軟件,并在組態(tài)軟件上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制。

3.1 系統(tǒng)配置

硬件配置：PC(4臺)、SimensS7-300 313-2 DP CPU 模塊 、Siemens CP343-1通信模塊 、ET200 IM153接口模塊、ProfiBus線及接口、交換機、采油設備及檢測儀表。

軟件配置：Siemens PLC編程軟件Step7 5.2版、Simatic Net PC-Software 2005 V6.1、iFIX4.5中文版。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1 PLC配置

(1)PLC站硬件組態(tài)：進入Step7,建立一個新項目,插入一個SIMATIC 300 STATION,打開Hardware,依次拖入軌道Rail、電源模塊PS 307 2A、CPU模塊313-2 DP、以太網(wǎng)通信模塊CP343-1、I/O模塊,并配置CP343-1 IP地址(IP地址必須與PC在同一段上)、I/O模塊、ProfiBus波特率1.5M,最后保存編譯。

(2)S7-300在STEP7編程實現(xiàn)：程序主要實現(xiàn)讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)(包括壓力、溫度、液位)、控制現(xiàn)場設備(包括計量實現(xiàn)、電機控制)的功能。其中組織塊OB1是主程序,共享數(shù)據(jù)塊DB存儲程序變量,還有功能塊FB、FC,系統(tǒng)功能塊SFB、SFC。程序編寫完成后保存編譯。

圖3 系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸工作原理圖

(3)PC站網(wǎng)絡組態(tài)及建立OPC服務器：

步驟1、首先建立PC站的硬件機架。Simatic Net安裝成功后打開計算機桌面上或右下角的Station Configuration Editor,在一號插槽添加OPC Server,三號插槽添加IE General并配置網(wǎng)卡參數(shù),即本機網(wǎng)絡信息。添加完畢后命名Station Name為“EthernetOpc”;

步驟2、然后配置控制臺(Configuration Console)的使用和設置。打開配置控制臺(開始—>Simatic—>Simatic net—>Configuration Console),在 Access Points設定窗口中,將S7 ONLINE指向PC internal(local)。此設定是為PC站組態(tài)的下載做準備;步驟3、在Step7中組態(tài)PC Station。在硬件組態(tài)的基礎上在插入Siamtic PC Station,重命名為“EthernetOpc”(名字必須與步驟一的相同)。打開Configuration進入組態(tài)界面,配置同步驟一,并在IE General屬性設置IP地址和子網(wǎng)掩碼,設置為本機的網(wǎng)卡信息,保存組態(tài)信息后編譯。編譯無誤后點擊Configure NetWork按鈕,打開NetPro界面,進入網(wǎng)絡配置,選中OPC Server后,右擊下面的連接表第一行,插入一個新的連接,此時PLC站硬件已組態(tài)完成,以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1網(wǎng)絡已經(jīng)使能,已經(jīng)自動創(chuàng)建好S7 connection,直接確定即可。雙擊進入S7 connection屬性配置,填入CP343-1的IP地址和插槽號。設置完成后保存編譯,把硬件組態(tài)、程序及網(wǎng)絡組態(tài)全部選中下載到PLC CPU中。下載成功后,可以再打開Station Configuration Editor可看到OPC Server插槽欄Conn一欄有連接圖標,并且已被激活。若無或者沒被激活說明配置有錯誤;

步驟4、數(shù)據(jù)通訊檢測—OPC Scout：OPC Scout工具隨Simatic Net軟件一起提供,當完成PC Station組態(tài)下載后,可用此工具進行OPC Server和PLC的數(shù)據(jù)通訊測試。打開OPC Scout,雙擊“OPC Simatic Net”在隨之彈出的“ADD Group”對話框中輸入組名,點擊OK確認。雙擊已添加的連接組,即彈出“OPC Navigator”對話框,此窗口中顯示在Configuration Console所激活的連接協(xié)議。NetPro中所建的連接名會被顯示(S7 connection-1),雙擊此連接,即可出現(xiàn)有可能被訪問的對象樹(objects tree),在PLC CPU中已存在的DB塊也會出現(xiàn)。在其中設置需要測試的變量,即可實現(xiàn)對S7-300的讀寫操作,并可以根據(jù)變量的質(zhì)量是“good”或“bad”,判斷OPC Server與S7-300的通信狀況。

3.2.2 iFIX和S7-300通信的實現(xiàn)

至此已經(jīng)建立了OPC Server,實現(xiàn)了OPC和S7-300間的通信,iFIX再通過自帶的OPC I/O驅(qū)動實現(xiàn)與OPC Server通信后,即實現(xiàn)了基于iFIX和S7-300的SCADA系統(tǒng)。

步驟1、打開iFIX組態(tài)軟件,在iFIX工作臺系統(tǒng)樹找到I/O驅(qū)動器,雙擊OPC驅(qū)動打開OPC-Pow-erTool,選擇本地服務器,在OPC Server對話框中選擇OPC.SimaticNET,然后根據(jù)在OPC Scout中對服務器的配置定義一個group名和若干個item名。其中為了方便,最好把item名字改為和STEP7中DB塊的名字一致;

步驟2、選中一個item,點擊Browser Server進入OPC Server,按照OPC Scout測試數(shù)據(jù)的步驟找到對應的項目,注意要給Enable選中,點擊運行,可以在工具欄Statistics里看到通訊狀態(tài),Data項顯示“Good”即通訊狀態(tài)良好,點擊Data Monitor可看到該項目的值;

步驟3、在IFIX的數(shù)據(jù)庫管理器中依據(jù)OPC驅(qū)動定義相關變量,正確的書寫數(shù)據(jù)的I/O地址信息,在IFIX畫面的數(shù)據(jù)連接中連接變量或通過VBA語句writevalue、readvalue實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫操作等。

3.2.3 IFIX配置

(1)IFIX界面設計：根據(jù)采油過程自動化流程工藝原理圖進行界面仿真圖的設計,主要設計自配井流程工藝仿真圖、抽油井流程工藝仿真圖、計量站流程工藝仿真圖、水套爐流程工藝仿真圖。

(2)IFIX實時數(shù)據(jù)庫設計：打開數(shù)據(jù)庫管理添加相關變量,注意I、O數(shù)據(jù)塊的區(qū)別,其中模擬量輸入AI也可設置為允許輸出,實現(xiàn)雙向讀寫,DI、DO數(shù)據(jù)塊主要實現(xiàn)對開關量的控制。變量最好與STEP DB塊及OPC I/O驅(qū)動命名相同,通過設置數(shù)據(jù)塊I/O地址實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的訪問。

(3)IFIX網(wǎng)絡設置：該系統(tǒng)有一臺服務器,四臺客戶機,安裝IFIX時設置節(jié)點名分別為FIX、FIX14,互連設為網(wǎng)絡,5臺PC的IP地址設在與CP343-1 IP的同一段上,通過交換機實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。每臺客戶機端中C：WINDOWSsystem32driversetc中用記事本打開hosts文件,添加上：服務器IP地址、服務器節(jié)點名。網(wǎng)絡設置完成后四臺客戶機端IFIX不用設置數(shù)據(jù)庫就可以讀取服務器端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

(4)IFIX安全設置：在IFIX安全設置里定義好安全區(qū)域名稱、組名、用戶名,設置數(shù)據(jù)變量和畫面屬性的安全區(qū),客戶機端只能對系統(tǒng)的特定安全區(qū)域流程畫面進行控制,對不屬于這個安全區(qū)的沒有訪問權(quán)利,服務器端設置為所有的權(quán)限。

(5)IFIX其他設置：利用IFIX控件,增加歷史趨勢畫面,實時數(shù)據(jù)顯示畫面;增加采油過程故障和示功圖仿真畫面。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)已經(jīng)在某職業(yè)學院采油自動化仿真培訓實驗室使用,性能良好。其設計本著從工程化、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開放性和培養(yǎng)綜合性人才的原則出發(fā),模擬采油工藝過程,并實現(xiàn)將采油現(xiàn)場設備信號傳輸?shù)絊CADA中控室進行遠程數(shù)據(jù)采集與控制,實現(xiàn)人機交互。

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