趙磊 王蓬 鄭志強 李廣 畢鑒首

[摘 ? ?要]設(shè)計油氣田SCADA系統(tǒng)軟件，包括實時數(shù)據(jù)庫模塊、組態(tài)配置模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、關(guān)系數(shù)據(jù)庫模塊，實現(xiàn)了對油氣田工業(yè)設(shè)備和工業(yè)傳感器進行數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、組態(tài)、監(jiān)測、控制等功能，具有內(nèi)核精簡、配置簡單、組態(tài)靈活、交互容易、接口豐富等特點，為滿足油氣田生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制需求提供了一種新的軟件設(shè)計方案。

[關(guān)鍵詞]油氣田;SCADA;配置;組態(tài)

[中圖分類號]TP368.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–00–03

Software Design of SCADA System for Oil and Gas Fields

Zhao Lei，Wang Peng，Zheng Zhi-qiang，Li Guang，Bi Jian-shou

[Abstract]This paper designs oil and gas field SCADA system software， including real-time database module， configuration configuration module， data monitoring module， relational database module， and realizes data acquisition， storage， processing， configuration， monitoring， Control and other functions have the technical characteristics of simplified kernel， simple configuration， flexible configuration， easy interaction， and rich interfaces. It provides a new software design to meet the data acquisition and monitoring and control requirements of oil and gas field production.

[Keywords]oil and gas field; SCADA; configuration; configuration

油氣田生產(chǎn)企業(yè)在進行數(shù)字化、信息化、自動化改造和應(yīng)用時，面臨著生產(chǎn)對象種類繁多、參數(shù)測量點數(shù)目龐大、應(yīng)用配置頻繁變更等諸多挑戰(zhàn)。為了達(dá)到調(diào)度管理的靈活應(yīng)用效果，在已有技術(shù)中，通常使用SCADA系統(tǒng)對分布距離遠(yuǎn)及生產(chǎn)單元分散的井、站、線設(shè)備進行監(jiān)控，利用有線或無線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。但該類系統(tǒng)往往關(guān)注于通用性和普適性，在運行性能、應(yīng)用便捷性、產(chǎn)品價格方面不具備太強競爭力。使用通用SCADA系統(tǒng)進行大規(guī)模項目實施的油氣田企業(yè)，通常存在著企業(yè)自運維困難、服務(wù)器冗余過多、經(jīng)費耗資較大等問題。所以，本文設(shè)計了一種油氣田企業(yè)專用的SCADA系統(tǒng)，在精簡產(chǎn)品內(nèi)核的同時，進一步提高組件應(yīng)用水平，從而大幅降低系統(tǒng)使用難度，輔助油氣田企業(yè)提高信息系統(tǒng)的投入產(chǎn)出比。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

油氣田SCADA系統(tǒng)軟件架構(gòu)（圖1）主要包括：實時數(shù)據(jù)庫模塊、組態(tài)配置模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊和關(guān)系數(shù)據(jù)庫模塊。

1.1 實時數(shù)據(jù)庫模塊

（1）實時數(shù)據(jù)庫rtdb：油氣田SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)存儲、消息推送模塊。

（2）采集服務(wù)IOServer：與前端RTU、PLC等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、交互的服務(wù)模塊。

（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲DataRouter：實時數(shù)據(jù)向第三方系統(tǒng)傳輸?shù)哪K。

1.2 組態(tài)配置模塊

（1）組態(tài)軟件：提供第三方可掛載的組態(tài)服務(wù)的插件。

（2）配置軟件：系統(tǒng)初始化、項目搭建、系統(tǒng)運維的插件。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)控DataView：實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、控制、報警處理、閾值設(shè)置及組態(tài)展示等功能的應(yīng)用插件。

1.4 關(guān)系數(shù)據(jù)庫模塊

應(yīng)用第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫完成系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)存儲。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 實時數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計說明

實時數(shù)據(jù)庫rtdb負(fù)責(zé)油氣田SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)存儲和消息推送服務(wù)，是系統(tǒng)各模塊之間實時數(shù)據(jù)交互的橋梁。rtdb與IOServer交互，作為數(shù)據(jù)“接收方”存在，由IOServer向rtdb寫入數(shù)據(jù)流，主要用于更新rtdb最新數(shù)據(jù);rtdb與DataRouter交互，作為數(shù)據(jù)“提供方”存在，DataRouter根據(jù)配置從rtdb中獲取最新數(shù)據(jù)，用于向第三方系統(tǒng)按照格式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);rtdb與組態(tài)軟件交互，作為數(shù)據(jù)“提供方”存在，組態(tài)軟件根據(jù)配置從rtdb中獲取最新數(shù)據(jù)進行頁面展示，用于向第三方系統(tǒng)發(fā)布無插件的組態(tài)鏈接服務(wù)頁面;rtdb與DataView交互，作為數(shù)據(jù)“提供方”存在，DataView從rtdb中獲取最新數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)展示、報警、報表分析等應(yīng)用;rtdb與配置軟件無數(shù)據(jù)流交互。

采集服務(wù)IOServer主要負(fù)責(zé)對安裝于油井、氣井、注水井、摻水井、計量站、配水間、接轉(zhuǎn)站、注水站、注聚站、聯(lián)合站等各類生產(chǎn)單元的工業(yè)傳感器和工業(yè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等功能，涉及的參數(shù)主要包括溫度、壓力、載荷、位移、電參、液位、頻率、流量、振動、轉(zhuǎn)速等。同時，報警是采集服務(wù)IOServer的重要功能，系統(tǒng)的遙測、遙信變量支持報警功能，其中遙信變量支持的報警類型有：SOE報警、故障報警和遙信變位報警。遙測變量支持的報警類型為超上上限報警、超上限報警、超下限報警、超下下限報警四種越限報警類型。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲DataRouter負(fù)責(zé)油氣田SCADA系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，從而完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、報警推送、數(shù)據(jù)補錄等功能。DataRouter的運行流程為：首先進行數(shù)據(jù)初始化，然后啟動實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、報警信息轉(zhuǎn)儲、曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、操作記錄轉(zhuǎn)儲、數(shù)據(jù)補錄轉(zhuǎn)儲。其中，實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲為多線程按固定時間間隔轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)，報警信息轉(zhuǎn)儲和曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲訂閱rtdb監(jiān)聽數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲，操作記錄轉(zhuǎn)儲通過WebService接口監(jiān)聽并轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)補錄在異常情況發(fā)生時處理異常數(shù)據(jù)補錄轉(zhuǎn)儲。

2.2 組態(tài)配置模塊設(shè)計說明

組態(tài)配置模塊是油氣田SCADA系統(tǒng)搭建的核心模塊，主要負(fù)責(zé)項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、組態(tài)繪制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲配置等工作。

2.2.1 組態(tài)軟件設(shè)計

組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)以工藝流程圖的方式讓用戶更直觀地查看數(shù)據(jù)是油氣田SCADA系統(tǒng)的一項重要功能，組態(tài)軟件主要包括組態(tài)設(shè)計和組態(tài)展示兩個功能。

組態(tài)設(shè)計功能是使用基礎(chǔ)的油氣田SVG進行工藝流程圖繪制，繪制完成后的圖片保存為JPG或SVG格式并存放軟件指定目錄下，將圖片與相應(yīng)的油氣田生產(chǎn)單元關(guān)聯(lián)，同時設(shè)計與工藝流程圖相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測變量及坐標(biāo)信息，其中路徑信息、關(guān)聯(lián)信息以及變量坐標(biāo)信息等存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

組態(tài)展示功能是將組態(tài)設(shè)計好的工藝流程圖以Web鏈接的方式展示到DataView或其他系統(tǒng)，自適應(yīng)瀏覽器大小以及兼容主流瀏覽器，可以查詢到監(jiān)測變量的實時數(shù)據(jù)以及歷史曲線數(shù)據(jù)，運行的流程如圖2所示。

2.2.2 配置軟件設(shè)計

配置軟件主要為管理員用戶提供項目快速搭建、復(fù)用、工程備份等管理類功能。油氣田生產(chǎn)業(yè)務(wù)會經(jīng)常面臨生產(chǎn)單元的不定期變更，這將導(dǎo)致工程項目頻繁的新增、刪除、移動等配置，平臺提供便捷、簡單、模板化的管理功能，將大幅提高用戶應(yīng)對項目變更速度的及時、高效管理。配置軟件主要功能包括工程管理、變量配置、監(jiān)控設(shè)備配置、監(jiān)控對象配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲配置等。

工程管理功能主要包括數(shù)據(jù)源的初始化及工程的初始化，數(shù)據(jù)源初始化是配置rtdb及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的用戶名、密碼、地址等信息;工程初始化主要是對項目表結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及用戶等信息的初始化。

變量配置功能主要是變量模板的構(gòu)建、導(dǎo)入和導(dǎo)出，以及不同分組下變量的本地歷史數(shù)據(jù)存儲間隔的配置，變量的具體屬性配置包括變量類型、子類型、變量分組、變量標(biāo)志、功能碼、數(shù)據(jù)地址、字節(jié)長度、字節(jié)偏移量、位偏移量、值類型、基數(shù)、系數(shù)、存儲規(guī)則等。

監(jiān)控設(shè)備配置功能主要是對監(jiān)控設(shè)備及采集通道進行配置。監(jiān)控設(shè)備的配置主要包括設(shè)備地址、通信超時時間、重發(fā)次數(shù)、生產(chǎn)廠家、型號、安裝日期等;采集通道配置主要包括通信協(xié)議、通信鏈路、通信幀、幀間隔、通道編號等。

監(jiān)控對象配置功能主要是索引對象及監(jiān)控對象導(dǎo)航樹搭建、采集通道關(guān)聯(lián)、組態(tài)關(guān)聯(lián)配置等功能。索引對象為樹形菜單，按照油氣田的管理層級進行設(shè)置;監(jiān)控對象即油井、水井、氣井等生產(chǎn)單元，按照工藝流程和組織單位配置到索引對象下;監(jiān)控對象需關(guān)聯(lián)監(jiān)控設(shè)備的采集通道，為IOServer采集數(shù)據(jù)及組織數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備;有工藝流程的監(jiān)控對象需要和組態(tài)軟件的工藝流程圖關(guān)聯(lián)，為DataView或其他系統(tǒng)展示工藝流程圖做準(zhǔn)備。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲配置功能主要是將油氣田SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲給其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)儲對象、轉(zhuǎn)儲變量、轉(zhuǎn)儲模板的配置。轉(zhuǎn)儲對象為第三方系統(tǒng)定義的對象編號，轉(zhuǎn)儲變量為第三方系統(tǒng)定義的變量名稱，轉(zhuǎn)儲模板為油氣田SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與第三方系統(tǒng)轉(zhuǎn)儲對象和轉(zhuǎn)儲變量的映射關(guān)系，配置好之后DataRouter將進行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲。

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊設(shè)計說明

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊DataView 是專門針對油氣田開發(fā)，集實時數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、工藝流程圖呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)/控制、報警閾值設(shè)置/推送、操控記錄查詢、交接班等功能于一身的油氣田SCADA系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件。數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊用于對生產(chǎn)單元提供列表化、單位化、模型化的監(jiān)視和控制，便于監(jiān)控職工、生產(chǎn)管理經(jīng)理等角色實時查看現(xiàn)場狀態(tài)，精準(zhǔn)跟蹤生產(chǎn)過程。

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊DataView功能包括以下內(nèi)容。

（1）實時監(jiān)控：用于監(jiān)控油井、氣井、水井、站庫等生產(chǎn)單元的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)，功能主要包括油井實時監(jiān)控、集輸實時監(jiān)控、注水實時監(jiān)控。

（2）報警處置：用于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)異常的處置，功能主要包括實時報警查詢、歷史報警查詢、實時報警推送、報警處置。

（3）參數(shù)設(shè)置：主要用于對現(xiàn)場工業(yè)儀表的運行參數(shù)進行實時設(shè)置，功能主要包括設(shè)備參數(shù)下置、SOE報警設(shè)置、軟件報警設(shè)置及相關(guān)操控日志查看。

（4）遠(yuǎn)程調(diào)參：SCADA系統(tǒng)的遙調(diào)、遙控操作，將參數(shù)下發(fā)至下位機設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整設(shè)備調(diào)節(jié)及控制參數(shù)的功能。

（5）通信診斷：判斷出遠(yuǎn)端傳感器、監(jiān)控設(shè)備、路由器、服務(wù)器等所有鏈路的通信在線狀態(tài)，并初步給出離線原因及位置等信息。

（6）生產(chǎn)報表：油氣田生產(chǎn)相關(guān)的日報、月報、年報表信息，具有查詢、對比、導(dǎo)出及打印功能。

（7）用戶管理：用戶管理、角色管理、切換用戶、交接班功能。

2.4 關(guān)系數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計說明

關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為油氣田SCADA系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲單元，是系統(tǒng)的核心組成模塊。作為系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫，組態(tài)配置模塊將系統(tǒng)的采集配置數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)儲配置數(shù)據(jù)、組態(tài)配置數(shù)據(jù)等寫入關(guān)系數(shù)據(jù)庫。關(guān)系數(shù)據(jù)庫為IOServer提供采集配置數(shù)據(jù)，IOServer將采集到的數(shù)據(jù)定期寫入關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為歷史數(shù)據(jù)存儲;關(guān)系數(shù)據(jù)庫為DataRouter提供轉(zhuǎn)儲配置數(shù)據(jù)，為組態(tài)軟件提供查詢功能需要的數(shù)據(jù)集合，同時組態(tài)軟件在發(fā)生遠(yuǎn)程操控等功能時也向關(guān)系數(shù)據(jù)庫回寫部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);關(guān)系數(shù)據(jù)庫為DataView提供查詢功能需要的數(shù)據(jù)集合，同時DataView在發(fā)生遠(yuǎn)程操控、閾值設(shè)置、登錄等事件時也向關(guān)系數(shù)據(jù)庫回寫部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫模塊與其他模塊交互數(shù)據(jù)流如圖3所示。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的油氣田SCADA系統(tǒng)軟件，提出了一種全新的軟件架構(gòu)，解決了油氣田生產(chǎn)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控應(yīng)用上的眾多問題，在油氣田SCADA系統(tǒng)領(lǐng)域具有很好的推廣前景和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈勇.SCADA系統(tǒng)在油氣集輸管道中的應(yīng)用研究[J].石化技術(shù)，2017，24（10）：41.

[2] 李小寧.SCADA系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2014（12）：72-73.

[3] 楊再霖.油氣集輸系統(tǒng)自動控制技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020（30）：3810.

[4] 楊斌，仝望斐.論SCADA系統(tǒng)在長輸管道中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2014（6）：15-17.

[5] 張洋.SCADA系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用研究[J].中國管理信息化，2015，18（16）：89.