油田油井生产SCADA系统
第一部分：系统描述
1.1. 系统设计说明
油田自动化信息系统建设主要包括油井远程监控、配电线路自动化系统、输油管线泄露监测、集输站库自动化监控等四个部分，其目的是利用现场监控系统，实现数据源头自动采集，借助油田现有网络资源自动加载到厂级实时数据库，为各级管理部门应用提供开放的数据平台，使生产和管理人员及时控制和掌握生产动态，从而实现整个生产过程的自动化；并可以对取得的实时数据进行统计、分析、优化，从而为保证生产设备正常运转、降低生产成本提供重要依据。
1.2. 现状综述
全国各地各采油厂已不同程度地进行了油井监控的试点工作，目前参与的厂商数量比较多，水平参差不齐，各个厂家都是在做试点工作，也有个别厂家开始规模推广。也暴露出很多的问题，主要表现在油井现场设备可靠性差，可维护性差，不能承受油井现场恶劣的工作环境（包括高温、低温、潮湿和沙尘）。数据开放性不够，往往是各个厂家互不兼容，软件数据不能共享，呈现一个个的自动化孤岛。全国十几万口油井，已经采用油井监控的油井不会超过一万口，不足总数的 10％。
1.3. 设计思想
目的：
油井远程监控系统主要是通过对井口参数的实时检测，采用轮询-应答的通信方式，将检测到的油井状态，通过无线方式传送给采油厂实时数据库服务器，并以C/S或B/S模式，使生产管理的各个部门能够及时掌握油井工作状态，缩短油井故障处理时间，提高开井时率，增加原油产量，提高工作效率。另外，油井井口的控制器具有电量计算功能，可以为 6kV电力线路配电自动化系统提供基础计算数据。
原则：
自动化工程必须按照“统一规划、统一标准、统一数据库 ”的原则建设，系统方案必须整体考虑网络通讯、系统安全等问题，保证实时数据库标准开放，使整个系统具有极高的可靠性与实用性。
系统设计遵循“实用性、开放性、可靠性、先进性、可扩展性、易维护性”的基本原则，以方便操作、可靠运行为实施根本；方案设计既立足于实际，便于实施，又着眼于未来，为发展留有余地。技术方案普遍采用近几年发展和改进的新技术、新设备、新系统，其所有硬件和软件均应经过生产现场考验，经验证具有先进性和可靠性。
整个油田自动化系统在局域网上根据地域特点在每个采油厂设一个实时数据传控中心（包括通讯处理机、实时数据库服务器、应用服务器），用于集中管理和存放各采油厂所辖区域内生产井、6KV配电线路、联合站、输油管线的现场实时数据，做到实时数据库开放的原则。
整个系统构成如下：
方案说明：
井口控制器采集油井示功图、电量、回压、温度等参数，经 CDMA/GPRS网或者数传电台，以 CDMA/GPRS专线方式或者数传电台接口(RS232)接入采油厂通讯机、实时数据库服务器，厂矿小队的计算机可以用浏览器或客户端方式对实时数据库进行访问。井口控制器改变以往只采电压、电流有效值地模式，而是实时采集计算电机电量参数，可为配电线路自动化系统提供所需的数据。
6kV配电线路远方终端、采油厂通讯机、实时数据库、配电 SCADA应用服务器、工作站等，利用CDMA/GPRS网，组成配电线路自动化系统，实现对配电线路运行状况的实时监控和管理。
集输站库自动化系统与输油管线泄漏检测系统均是相对独立的一个系统，经局域网将系统采集的生产数据上传采油厂实时数据库，实现网上数据共享。
通过 B/S模式，可以使管理者浏览和查询全厂实时数据，及时了解现场生产情况。也可以通过 C/S模式对生产数据进行统计、分析。
为了保证系统的时钟一致性，系统配备专用的 GPS时钟，用于同步全网的系统时钟，包括定时与各 FTU、SU远方对时。
系统中通讯机、实时数据库服务器、应用服务器等重要节点采用双机热备用配置，保持主机和备机之间数据的一致性，使主、备机可以在故障时可以随时切换运行。
数据中心采用双网冗余配置，且与油田局域网隔离，当主网出现故障，备网可随时切换为主网运行。
网络安全性设计，采用防火墙、数据加密、网络隔离、用户权限管理等技术和手段保证网络和信息的安全。用户权限管理工作包括系统用户资料库管理、用户注册、用户级别设置、用户权限设置等主要内容。
目前全油田网络范围内已建立起了病毒防治体系，因此本系统病毒防治依照油田统一规范执行。
1.4. 油井远程监控系统
根据油井分布的地域特点与无线通讯技术发展的水平，油井远程监控系统考虑用 CDMA/GPRS或者数传电台通讯模式，系统主要由传感器、井口控制器 SU、CDMA/GPRS（数传电台）通讯模块 DTU、采油厂通讯机、实时数据库服务器、WEB服务器、监控浏览终端等组成。系统框图如上面总图所示。
油井工作状态传感器和变送器主要有温度传感变送器，压力传感器和变送器，电流互感器、抽油机载荷传感器和变送器、位移传感器和变送器、变压器一次侧电流互感器，它们将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值送至井口控制器 SU。然后经 CDMA/GPRS网或数传电台，接入采油厂通讯机，数据通讯机采用轮询方式收集井口控制器数据，数据经过分析经处理后，进采油厂实时数据库。厂矿小队的计算机可根据不同的权限，采用 C/S或 B/S模式对实时数据库进行访问。
系统实现的功能
电泵井 SU主要进行电压、电流、油井回压、井口温度等参数的测量。抽油机井 SU主要进行示功图、电压、电流、油井回压、井口温度等参数的测量，且保留油井遥控启停功能。
井口控制器具有电机有功功率、无功功率、功率因数、日用电量等参数的计算功能。
对电潜泵井停机、电压过压、欠压、电流过流、欠载、井口回压过高、过低等异常情况检测报警；对抽油机井停机、电压过压、欠压、电流过流、欠载、井口回压过高、过低、载荷过低等异常情况检测报警。线路来电瞬间，也作为异常情况报警。
采油队监控机按照管理权限仅能查询本队油井的工作状态、实时收据、及相关通信模块工作状态、配电线路工作状态。
抽油机井示功图、电流图（或功率图），除定时采集保存外，采油队可根据生产情况，手动选择油井井号，实时索要示功图、电流图（或功率图）。
当电潜泵井出现过载停机故障时，将停机前一分钟内三相电流（Ia、Ib、Ic）与线电压(如 Uab)的数据上传数据库，为电泵故障诊断提供分析数据。
采油队监控机具有静态数据浏览和编辑等功能：包括抽油机型号、配置电机型号、油井井号、冲程、线路名称、量程上、下限、报警上、下限、油井井况等方面的数据，并能够添加新开油井、删除停产油井、修改作业井的基本数据。
系统具有示功图、电流图（或功率图）、电流、电压等参数的实时趋势、历史趋势监视功能，可方便地了解长时间的参数变化情况，方便快速分析。
系统可以考虑地理图形系统的接入，使图形能反映地理信息，可以非常直观形象反映整个油区的工作状况。
采油厂、矿与相关科室能够通过浏览器查询厂、矿、队油井的工作状态与实时数据，当天停井情况、开机时率统计，以及历史数据与历史记录。
抽油机井需上传数据主要有：载荷（与最小值）、回压、井口温度、电流(Ia、Ib、Ic)（与最小值）、电压(Ua、Ub、Uc)有效值、有功功率、无功功率、功率因数、上下冲程电流值、上下冲程功率、平衡率、日用电量、累计电量、冲次、系统状态、采集时间等数据。示功图、电流图（或功率图）需要一个冲次内载荷、电流（或功率）的所有采集量，每个图约需要 200个数据。因此，数据总量约为 430个数据，其中基本数据量为 30个数据。
电潜泵井需上传数据主要有：回压、井口温度、电流(Ia、Ib、Ic)、电压(Ua、Ub、Uc)、变有功功率、无功功率、功率因数、日用电量、累计电量、系统状态、采集时间等数据。数据总量约为 20个数据。
采油队主站
油井生产监测系统由安装在油井上的监测终端、安装在采油厂级的通讯和数据服务器、采油队等用户使用的监测界面、现场通讯系统和管理通讯系统五个部分组成。系统结构如下图所示：
油井监测 HMIBuilder系工程，可以实现数据通讯、数据处理、命令处理、报警和事件处理、安全控制、图形界面显示等功能，包括通过设定的通讯规约和接口与现场设备进行通讯，获取现场设备所采集的数据或向现场设备发送数据和指令；通讯软件得到的原始数据按现场采集点的类型进行转换、判断是否需要产生报警及数据存储；处理用户的下发命令、将命令转换为通讯服务器的控制指令，并协调多个用户同时下发命令时的关系；实现预定的报警效果、对报警和事件进行记录、存储；管理系统用户的认证和授权信息，对系统用户进行身份认证和权限检查。
系统基本处理流程为：
油井的数据由油井终端负责采集，油井终端上装通讯模块，采集到的数据由通讯模块送至位于采油厂信息中心的通讯服务器。数据经处理后存入实时数据库。采油厂用户通过应用服务器获取系统服务，应用服务器访问实时数据库获取数据。由用户发起的操作，如手工召测数据、更改配置等，由应用服务器进行处理，并通知通讯服务器执行相应的操作。
系统功能
系统主要有以下功能：
- (1)数据采集功能
- 数据定时采集：能够采集各种可以通过通道传递到主站的遥测、遥信、电度及其它类型的量测数据。
- 系统定时召唤油井终端数据；
- 按需数据采集：采油厂用户终端可在任何时刻请求召唤一口或多口井的数据；
- 通讯控制功能：启动/停止对油井终端的数据采集、切换终端使用的通道等；
- 通道质量监视及故障诊断，通讯流量计算；
- GPS对时：接入 GPS时钟信号，定时统一全系统时钟，并向各油井终端发送对时命令；
- 可支持多种通讯规约、多种通讯通道；
- 添加/删除油井终端，修改终端通讯参数，如地址、通讯规约、数据召唤周期等；
- 修改油井终端参数，如各种报警限值，抽油机冲程、冲次、各传感器量程等参数，并将必要的参数下发到油井终端；
- (2)数据处理功能
- 事项报警处理功能：系统对模拟量可分别设置报警上、下限，有效上、下限，当数据越限值时可生成报警记录。可定义报警的声光效果或给出语音报警提示；
- 事件记录，系统记录所有用户操作、通讯事件和终端报警；
- 数据保存周期可按不同数据类型设置为逢变即存、10分钟、30分钟、60分钟；
- 权限管理。所有系统操作均有授权控制；
- (3)人机交互功能
- 界面循环显示：授权用户可选择油井，使基本信息界面可自动循环显示；
- 报警发生时，可自动推出报警画面，并伴有声音或语音报警；
- 结合地理位置图显示油井信息，如开/关井，基本运行数据等；
- 结合地理位置图显示与油井相关的电力线路运行信息，如是否停电等；
- 生成各采集参数的时间曲线；
- 显示示功图：功图迭加和并列对比；
- 计算功能：支持常用函数功能；
- 历史数据综合查询及生成报表；
- 遥控启/停井。
- (4)报表功能
- 可自定义报表格式，生成 EXCEL报表。
分布式监控系统
利用突破性工业以太网技术、令人惊异的矢量绘图功能，融合和 HMITECH纵横科技系统级解决方案，HMIBuilder2.0软件会使您耳目一新。它拥有界面友好、操作方便、功能强大，结构容易扩充等特点。它包含了以下几个子模块：实时处理模块 SCADA、数据组态模块 Data、窗口组态模块 Draw、窗口监控模块 View、告警浏览模块 AlarmViewer、报表组态模块 ReportDesign、脚本组态模块 ScriptDebugger。这几个模块相互配合，形成一个整体，满足用户的多种需求。
HMIBuilder人机界面 (HMI)分布式组态软件是基于软总线技术的。网络功能强大。通过方便的网络组态，轻松实现网络节点的负荷分担，支持多种网络拓扑结构。直观的用户交互组态配置、高可靠性的实时监控和与 HMITECH人机界面系统无缝集成，您将获得高性能价格比的系统级解决方案。
HMIBuilder分布式组态软件是一个具有高开放性和高扩展性能 HMI组态软件，不仅网络功能强大，而且，拥有尖端的绘图工具和卓越性能的实时和历史数据库，从而为专署行业应用设计提供了无与伦比的动力和灵活性。HMIBuilder分布式软件支持标准现场总线通讯，提供了与工业自动化设备的连通性。
无论您是工程师或操作员、终端用户或系统集成商、OEM或VAR，HMITECH HMIBuilder分布式软件都会为您提供所需的突破性功能，在工程实施和生产监控运行过程中，保证您能够实现绩效考核突破性提高。
功能强大、尖端技术、行业标准、高效易用
HMIBuilder是分布式工业组态软件，已经很好的应用于电力远动、油田环保、设备配套、工厂自动化等领域。HMIBuilder 2.0 通用版组态软件具备许多特点和性能，包括：
- 强大的网络功能
- 分布式管理、组态和监控，支持单机、单网、双网等网络拓扑。
- 网络架构中，节点可按照功能分类，实现分布式架构，多个后台机和工作站，实现负荷分担。
- 根据划分，实现多层监控架构。
- 软总线技术应用支撑，由HMIBuilder SCADA模块，通过工业以太网，将各物理节点连接起来，形成软总线。
- 完善的数据库组态
- 实时数据库，实时数据检索快。实时库采用Hash算法，实现大数据量快速检索！支持大点数工程的顺利执行。实时数据结构组态清晰。站参数为设备，以设备为基础，定义不同数据类型全局参数。脚本计算定义的局部参数，不占组态软件点数。
- 历史数据库组态，数据组存盘保存到HMIBuilder数据库，savegroup数据库容量为4G。
- 支持脚本命令存盘，可以响应各种调度方式。支持导出到ODBC数据库，支持报表、历史曲线等。
- 灵活的组态扩展
- TCL（Tool Command Language）语言，语法格式简单，易于掌握，HMIBuilder提供丰富的TCL扩展命令
- 多种标准通讯扩展，全面支持OPC2.0，支持DDE，支持各种标准通讯和现场总线规约
- 强大绘图功能组图元功能
- 色彩鲜明、分辨率无关的View窗口自适应功能，可满足真实性、清晰度和关注度的要求
- 完全的矢量绘图，图元丰富，完全符合Windows绘图习惯，使软件工程师、非程序设计人员和新手能够快速地定制应用功能；
- 图形库提供大量成组图元。多个子图元可以设定成组，可组内查看子图元属性，可组内修改子图元属性；成组图元入库功能，预构建的令人瞠目的图形符号综合图库；
- 支持第三方图库的图形符号，比如兼容Symbol Factory Vision2.0 图库的4,000种自动化类矢量图元，并可以集成脚本，方便完成二次修改设置；通过可重用性和标准化节省工程量；
- 动画图元使用方便，选择配置图元属性，配置结果，立刻显示。所设即所见！
- 组态安全有保障
- 告警处理机制完善，提供自动告警显示、快速语音告警组态，支持报警自动存盘和ODBC存盘，提供报警浏览器和报警浏览图元，支持分布式告警存盘服务器
- 通过用户权限管理，实现工程组态加密保护，保护组态工程知识产权。
兼容性高。版本兼容，通、嵌、网工程合一。系统兼容，支持Windwos 98 / 2000 /xp /xpe /vista。
HMITECH的HMIBuilder组态软件不仅仅可以使工程师在构建诱人、直观、安全、可靠且可维护的HMI、SCADA和MES应用，而且，具备更高的生产力和创造力，同时可降低应用开发成本。
第二部分 平台描述
2.1. 厂站端主站软件硬件
2.1.1.硬体
根据实现情况配置人机界面、工业计算机和服务器，包括监控工作站、通信服务器和数据库服务器。比如：IPC610H机箱 PIII机型，此款整机配置为 Pentium系列，可选配 CPU/硬盘/内存/光驱/软驱/鼠标/键盘，全国联保。
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主要特点
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IPC-610H |
主板：PCA-6003V / CPU：PIII1G / 内存：128MB SDRAM / 硬盘：HDD 40GB |
PCA-6003 |
集成VGA/LAN/HISA LCD SOCKET 370 PENTIUM III（TUALATIN）卡（133MHZ外频） Main Features |
2.1.2. 软体
分布式组态软件是解决您工业自动化软件需求的理想选择，因为软件：
图表 2
- 提供多种绘图工具、图库，易用性好，经过工业现场多年应用，稳定性好。
- 开发利用产品的 Web2.0功能
- 承诺保持持续研究与开发，更好的服务行业客户
- 同 Microsoft金牌合作伙伴研华科技有着良好的长期的全面合作关系。
- Windows全系列平台下，采用面向对象编程技术开发的工业产品
- 以软总线技术为支撑，基于工业以太网，实现分布式监控和组态
- 数据库功能强大，支持超大点数组态和大型历史存盘
- 兼容 Windows 98、2000、NT、XP、XPE、CE、Vista
- 软硬一体化一站式解决方案提供
- 采用硬件和软件加密许可两种授予方式
- 为工业市场引入并推出集成化套装软件
软件特色：
- 整体结构清晰，简单易用。软件的架构及模块设计符合人的认知曲线，即便从没接触过组态软件的用户经过2-4小时的培训即可独立进行一般工程的制作，具有使用其他组态软件经验的用户会更容易上手。
- 天然支持分布式网络结构，可实现负荷分担，用户可根据需要构建任意架构(单机、C/S、B/S、分布式数采、瘦客户端等)的应用系统。其 Web浏览功能支持广域网，可穿越大多数防火墙。配置简单，整个配置工作在几分钟内即可完成。
- 绘图包使用简单，功能强大，可比美于专业绘图软件。画面复用程度高，支持图形模板，图库可根据自己需要修改。
- 捆绑 TCL(Tool Command Laguage)脚本语言，支持脚本调试功能，包括变量查看、单步执行、断点执行等，帮助用户检查脚本的语法错误以及逻辑错误。TCL语言是一种完善的脚本语言，广泛的应用于各个领域，扩展性好，功能强劲。
- 内嵌支持自定义报表，可制作各种各样的报表，简单实用、美观大方，且不依赖第三方程序。
2.2. 远端井口控制系统
- 油井控制器功能：
- 检测光杆载荷、位移、电机的电压、电流、井口回压、井口温度等参数，且具有抽油机启停的远程遥控功能。
- 控制器应具有至少 1天的数据存储功能。
- 能够计算电机功率、电量等指标。
- 具有远程设置或组态功能。
- 可以通过 RS232或 RS485接口与通讯设备连接，通讯方式采用轮询-应答模式。
- 提供 RS232现场维护接口。
- 依据井口供电情况，控制器分别适用 110/380/660/1140 VAC±25%电压等级。
- 提供备用电源，能保证在断电情况下与监控中心通讯一次，将数据上发。推荐采用电容做备用电源。
- 现场仪表
- 温度：传感器采用工业标准 PT100,温度变送器。
- 井口压力：采用昆仑海岸的传感器和变送器或者北京金时公司的传感器和变送器。
- 位移传感器和变送器：
位移传感器有两种，一种为角位移传感器，一种为绝对位移传感器，角位移传感器特点时便宜，安装方便，缺点精度差。绝对位移传感器特点时测量准确，但是安装复杂，价格昂贵，容易损坏。建议选用芬兰 Axiomatic单轴和双轴倾角传感器和位移变送器，CAN总线通讯，支持 CAN Open协议。
图表 2
井口控制柜
