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(yīng)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(tái)有利于實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化管理，提高科學(xué)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(yīng)用。而涪陵焦石壩區(qū)塊試驗(yàn)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(dòng)化水平，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)過幾年的生產(chǎn)運(yùn)行表明：該P(yáng)CS過程控制系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)初設(shè)計(jì)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(tái)進(jìn)行集中監(jiān)控，因而亟需將前期試驗(yàn)井組的PCS系統(tǒng)進(jìn)行整合以便納入統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)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(duì)信息技術(shù)提出了更高要求，需要兼容更強(qiáng)、平臺(tái)更廣的SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場西門子S7-300的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，并上傳至SCADA實(shí)時(shí)服務(wù)器，最終用Visual Studio 2013軟件制作HMI畫面進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.KEPServerEX OPC服務(wù)器簡介

KEPServerEX是第三方OPC服務(wù)器，為連接、管理、監(jiān)控和控制各種自動(dòng)化設(shè)備和軟件應(yīng)用提供了靈活的和可擴(kuò)展的解決方案，支持 OPC、專有的通信協(xié)議、API以及各種自動(dòng)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(gè)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(yàn)井組PCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及人機(jī)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(hào)通過數(shù)字或模擬信號(hào)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(jī)軟件對(duì)集氣站站內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，調(diào)控中心電腦客戶端也可以借助網(wǎng)絡(luò)對(duì)力控畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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

如前所述，試驗(yàn)井組PCS系統(tǒng)不能直接與SCADA系統(tǒng)納入統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行集中監(jiān)控，究其原因是因?yàn)槲鏖T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(dòng)化接口，因而借助第三方OPC服務(wù)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(wù)器通過交換機(jī)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(wù)器中，交由上位機(jī)服務(wù)器上通過C#編寫的后臺(tái)服務(wù)做處理，最終通過Visual Studio 2013制作HMI畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖氣現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jī)界面流程

4.系統(tǒng)配置與實(shí)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(dòng)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(hào)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(shí)現(xiàn)KEPServerEX與PLC的通信，首先需要對(duì)所要連接的PLC設(shè)備進(jìn)行授權(quán)獲得該設(shè)備驅(qū)動(dòng)的使用；然后在KEPServerEX中建立OPC服務(wù)器。步驟如下：① 點(diǎn)擊“Click to add a channel”，根據(jù)所要連接的設(shè)備選擇 設(shè)備驅(qū)動(dòng)類型，建立一個(gè) New Channel；② 依據(jù)所用設(shè)備的型號(hào)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(duì)各種需要采集的數(shù)據(jù)，先從PLC和智能儀表里查找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的存儲(chǔ)地址、點(diǎn)位描述、數(shù)據(jù)類型、線性轉(zhuǎn)化等信息。并根據(jù)KEPServerEX符號(hào)編碼規(guī)則，編制出每一個(gè)數(shù)據(jù)的編碼，相應(yīng)地寫在每一個(gè)Tag里面。當(dāng)1#集氣站所有Tag建立好后，通過SCADAvantage服務(wù)器作為客戶端讀取KEP Server OPC服務(wù)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；然后通過SCADAvantage服務(wù)器里面的SCADAvantage OPC服務(wù)器讀取 Kepserver OPC服務(wù)器內(nèi)數(shù)據(jù)；最后通過 SCADAvantage Explorer軟件進(jìn)行組態(tài)顯示數(shù)據(jù)。對(duì)SCADAvantage Explorer軟件配置如下：① 打開軟件點(diǎn)擊里面的System在其配置啟動(dòng)時(shí)需要運(yùn)行可執(zhí)行文件名及路徑；② 配置Network，在Communication選擇OPCNetwork，實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器通訊；③ 配置Device，在Communication建立OPC Device為JQZ01PCS，設(shè)備地址為Kepware.KEPServerEX.V6；④ 配置數(shù)據(jù)點(diǎn)，在Telemetry中根據(jù)實(shí)際變量依次添加Analog Point和Digital Point；⑤ 配置報(bào)警，ABB人機(jī)界面的報(bào)警均來自SCADAvantage的設(shè)置，因此需要在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中完成報(bào)警組和報(bào)警上下限以及顏色的設(shè)置。

4.3.人機(jī)交換界面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求應(yīng)用Visual Studio 2013軟件制作HMI畫面，應(yīng)用C#服務(wù)讀取SCADAvantage Explorer軟件數(shù)據(jù)，實(shí)行對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。1#集氣站人機(jī)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(jī)交換界面

5.應(yīng)用效果

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