Wenxiu Wu, Yongchao Ma, Shan Jiang

School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei

Abstract

Keywords

1.引言

SCADA系統(tǒng)是近年來在電力、天然氣站等領(lǐng)域廣泛應用的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)[1]，除了能完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能外，其提供的信息平臺有利于實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化管理，提高科學管理水平，因而也獲得涪陵頁巖氣田的青睞，目前正在頁巖氣集氣站推廣應用。而涪陵焦石壩區(qū)塊試驗井組于2013年前期建成的以西門子S7-300為核心的集氣站PCS過程控制系統(tǒng)，旨在提高集氣站的自動化水平，降低工人勞動強度，經(jīng)過幾年的生產(chǎn)運行表明：該PCS過程控制系統(tǒng)達到當初設計要求，但信息化程度稍差，不能直接與后期開發(fā)井組采用的SCADA系統(tǒng)納入統(tǒng)一平臺進行集中監(jiān)控，因而亟需將前期試驗井組的PCS系統(tǒng)進行整合以便納入統(tǒng)一平臺進行集中監(jiān)控與管理。

隨著涪陵頁巖氣田生產(chǎn)管理要求的不斷提升及后期開發(fā)井組的增多，油氣田生產(chǎn)指揮管理對信息技術(shù)提出了更高要求，需要兼容更強、平臺更廣的SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持Modbus協(xié)議、OPC協(xié)議，能夠接入智能儀表的數(shù)據(jù)，但不支持西門子S7-300 TCP/IP協(xié)議，無法與試驗井組的西門子S7-300冗余PLC系統(tǒng)直接通訊。筆者研究采用KEPServer實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場西門子S7-300的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行采集匯總，并上傳至SCADA實時服務器，最終用Visual Studio 2013軟件制作HMI畫面進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。

2.KEPServerEX OPC服務器簡介

KEPServerEX是第三方OPC服務器，為連接、管理、監(jiān)控和控制各種自動化設備和軟件應用提供了靈活的和可擴展的解決方案，支持 OPC、專有的通信協(xié)議、API以及各種自動化系統(tǒng)接口[2]。配置KEPServerEX是與PLC通信的關(guān)鍵步驟，目的就是在KEPServerEX中建立一個OPC Server [3]，為OPC客戶端和需要讀寫PLC地址位之間建立連接。

3.通信系統(tǒng)整合方案

圖1為涪陵焦石壩區(qū)塊試驗井組PCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及人機界面流程，現(xiàn)場儀表如壓力變送器、溫度變送器、切斷閥的關(guān)斷等信號通過數(shù)字或模擬信號傳輸至西門子S7-300 PLC控制器，PLC控制器及智能儀表分別通過Siemens TCP/IP協(xié)議和Modbus TCP/IP協(xié)議傳送至集氣站站控系統(tǒng)里。以力控軟件為基礎(chǔ)開發(fā)的上位機軟件對集氣站站內(nèi)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，調(diào)控中心電腦客戶端也可以借助網(wǎng)絡對力控畫面進行實時監(jiān)控。

Figure 1.The data communication and human-machine interface flow in PCS system of test well group圖1.試驗井組PCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及人機界面流程

如前所述，試驗井組PCS系統(tǒng)不能直接與SCADA系統(tǒng)納入統(tǒng)一平臺進行集中監(jiān)控，究其原因是因為西門子S7-300與基于ABB PLC的SCADA系統(tǒng)采用了不同的通訊協(xié)議所致。由于KEPServerEX支持各種專有通信協(xié)議以及各種自動化接口，因而借助第三方OPC服務器便可建立PCS系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的聯(lián)系，如圖2所示。

KEP Server OPC服務器通過交換機直接從S7-300及智能儀表中讀取其現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集成功后直接存入SCADA服務器中，交由上位機服務器上通過C#編寫的后臺服務做處理，最終通過Visual Studio 2013制作HMI畫面，實現(xiàn)對頁巖氣現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

Figure 2.The integrated scheme of communication system and the flow of human-machine interface圖2.通訊系統(tǒng)整合方案及人機界面流程

4.系統(tǒng)配置與實現(xiàn)方法

4.1.KEP Server與PLC通信配置

采用KEP Server軟件通過以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議使基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合到SCADA系統(tǒng)中。示例系統(tǒng)主要采集焦石壩頁巖氣1號集氣站的數(shù)據(jù)，由于控制器件使用通訊協(xié)議不同，故分成2組數(shù)據(jù)。JQZ01-Modbus組和JQZ01-PCS組。分別代表智能儀表使用Modbus TCP/IP Ethemet協(xié)議和Siemens TCP/IP Ethemet協(xié)議。實現(xiàn)KEPServerEX與PLC的通信，首先需要對所要連接的PLC設備進行授權(quán)獲得該設備驅(qū)動的使用；然后在KEPServerEX中建立OPC服務器。步驟如下：① 點擊“Click to add a channel”，根據(jù)所要連接的設備選擇 設備驅(qū)動類型，建立一個 New Channel；② 依據(jù)所用設備的型號以及所接模塊的屬性信息建立Device；③ 為建立的Device創(chuàng)建所有需要的Tag [4]，系統(tǒng)所需全部數(shù)據(jù)一部分從PLC采集，另一部分從智能儀表采集，對各種需要采集的數(shù)據(jù)，先從PLC和智能儀表里查找出對應點的存儲地址、點位描述、數(shù)據(jù)類型、線性轉(zhuǎn)化等信息。并根據(jù)KEPServerEX符號編碼規(guī)則，編制出每一個數(shù)據(jù)的編碼，相應地寫在每一個Tag里面。當1#集氣站所有Tag建立好后，通過SCADAvantage服務器作為客戶端讀取KEP Server OPC服務器內(nèi)數(shù)據(jù)。

4.2.SCADAvantage Explorer與KEPServerEX通信配置

SCADAvantage Explorer軟件用于配置SCADAvantage系統(tǒng)。首先通過在巡檢站SCADA系統(tǒng)及調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)分別安裝KEPServerEX軟件和SCADAvantage Explorer軟件，KEPServerEX軟件讀取現(xiàn)場PLC系統(tǒng)和智能儀表實時數(shù)據(jù)；然后通過SCADAvantage服務器里面的SCADAvantage OPC服務器讀取 Kepserver OPC服務器內(nèi)數(shù)據(jù)；最后通過 SCADAvantage Explorer軟件進行組態(tài)顯示數(shù)據(jù)。對SCADAvantage Explorer軟件配置如下：① 打開軟件點擊里面的System在其配置啟動時需要運行可執(zhí)行文件名及路徑；② 配置Network，在Communication選擇OPCNetwork，實現(xiàn)與OPC服務器通訊；③ 配置Device，在Communication建立OPC Device為JQZ01PCS，設備地址為Kepware.KEPServerEX.V6；④ 配置數(shù)據(jù)點，在Telemetry中根據(jù)實際變量依次添加Analog Point和Digital Point；⑤ 配置報警，ABB人機界面的報警均來自SCADAvantage的設置，因此需要在服務器數(shù)據(jù)庫中完成報警組和報警上下限以及顏色的設置。

4.3.人機交換界面設計

根據(jù)設計需求應用Visual Studio 2013軟件制作HMI畫面，應用C#服務讀取SCADAvantage Explorer軟件數(shù)據(jù)，實行對現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。1#集氣站人機交換界面如圖3所示。

Figure 3.The human-machine interface of No.1 Gas Gathering Station圖3.1#集氣站人機交換界面

5.應用效果

整合后的SCADA系統(tǒng)采用3級控制方式[5]。第1級為調(diào)控中心控制級，通過SCADA系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控，實現(xiàn)生產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度管理；第2級為站場控級，通過PCS、ESD、RTU或脫水站站控系統(tǒng)實現(xiàn)；第3級為就地控制級，由現(xiàn)場儀表、控制閥門等設施實現(xiàn)。該系統(tǒng)經(jīng)過1年多的運行表明，各子系統(tǒng)間通訊可靠，顯示、控制及時，整體性能穩(wěn)定，達到設計要求。依靠該系統(tǒng)，涪陵頁巖氣田目前實現(xiàn)了33個集氣站和15個井口采氣平臺無人值守生產(chǎn)，易于得到用戶進行決策所需要的各種報表及趨勢圖，極大地提升了油氣田自動化、數(shù)字化程度及科學決策水平。