大天池气田地面集输工程

--天然气开发与储运SCADA系统

项目概况

中国石油天然气集团公司四川石油管理局大天池气田地面集输工程分布区域从东北至西南长约270公里, 宽约12公里, 是中国石油天然气集团公司近年来利用世界银行贷款完成的规模较大的监视控制与数据采集(SCADA)系统, 是国家重点建设项目-天然气西气东输工程的重要组成部分。

摩托罗拉公司为用户提供了一套具有现代化技术水平和管理水平的SCADA系统(包括若干计算机网络系统、 通信系统、测控系统及其他相关系统), 安全可靠地对整个气田地面设施进行监控, 从而实现安全生产和科学的调度管理. 本系统由1个中心站、1个显示站、9个站控中心、41个RTU组成,实现了对29口生产井、4座集气站、3座输气站和9套脱水装置的监视控制与数据采集。

生产工艺对自动化的需求

监测和控制如下等参数

单井、集气站: 井口装置参数、安全阀、水套加热炉、分离器、清管器发射装置、流量调节等。

输气站: 输气管道清理、气/液分离、气压力、温度、流量值、管汇切换等。

脱水站: 过滤分离器、三甘醇吸收塔(压力、温度、液面、干气和水量)、联锁工艺流程切换等。

系统结构

MOSCAD网络结构

上一层: 显示终端局域网VDT

第一层: 监控中心局域网MCC

第二层: 站控中心局域网SCS

第三层: 远程智能终端RTU

系统特点

ØRTU集完善的本地测控功能和强大的有/无线通信保证的远程监控功能于一体, 其核心为16/32位CPU和协处理器。

Ø站控与监控中心局域网之间采用一点多址的微波通信系统。

Ø计算机网络选用WINDOWS/NT操作系统, 以太网络结构, 并采用双机双网热备份, 中心站软件采用双机并行工作。

Ø整体通信网络采用一点多址微波与有/无线通信相结合构成。

Ø系统中通信协议采用基于IOS/OSI七层标准模式的MDLC协议, 高效可靠。

ØMOSCAD独有的存储转发功能保证多山地区无线数据通信的可靠性的高抗干扰能力。

ØRTU中固化的AGA算法对天然气进行精确计算。

设备选型

针对气田对系统的要求及特点, 并根据该厂高度分散集中控制管理的具体情况, 我公司特选用美国MDS公司的全数字无线数传电台MDS2710A构建无线通信主设备。数据采集设备采用MOTOROLA公司的MOSCAD 数据采集与控制RTU。

设备主要技术指标:  

MDS2710全数字数传电台:

Ø传输数率高达9.6/19.2kbps

Ø使用频率220-240MHz,占用带宽12.5KHz/25KHz

Ø数据传输转换时间快(Tx-Rx-Tx), 仅为7-10 ms

Ø接收灵敏度高, 至 -110 dBm(BER10^-6)

Ø电台输出功率为1-5 W可调

Ø采用数字信号处理(DSP)技术, 强大的抗干扰能力, 并可在信道有干扰时自动切换频率, 它增强了数据传输的范围和可靠性。

Ø数据处理的功能, 如RTS/CTS延迟、发射延时、限时器等, 均可编程设置。

Ø诊断测试功能包括: 电台参数、失电、接收信号强度、电源电压变化、内部温度等

Ø话音/数据兼容功能: 电台提供话音输入及输出接口。

Ø新的发射机设计技术保证了持续稳定的发射输出功率, 甚至在电池电压变化时也一样, 非常适用于备用电池和太阳能电池的应用。

Ø外部全铸铝结构, 坚固耐用, 满足工业级的要求

Ø一体化结构, 电台内置9.6/19.2kbps的调制解调器(MODEM), 也可内置模拟RTU(可选件)

Ø每个电台可配置为主站或远端站设备, 只用一台PC就可完成现场测试

Ø典型传输距距离30-50公里

MOSCAD系统

MOSCAD系统是摩托罗拉公司设计和生产的新一代SCADA系统, 它将先进的计算机技术、工业控制技术、显示技术和通信技术(有线及无线通信)紧密的结合在一起, 采用先进的计算机网络体系结构－客户机／服务器结构, 利用先进的网络设备和网络互联技术设计而成。该SCADA系统具有合理的网络结构、较好的扩展能力和升级能力, 为用户提供了长期的投资保护。

MOSCAD系统集PLC系统强大的现场测控功能及可靠的组网通信能力于一身, 通信信道支持有线、无线或混合组网, 性能价格比高, 而无线通信系统尤为适合于地域广阔的应用环境。

MOSCAD产品的核心是32位CPU和32位数字协处理器, 具有极强的运算处理能力。它集完备的本地测控功能和完善的网络通信功能于一体, 其独特的网络通信协议(MDLC)能保证在极其恶劣的电磁环境中十分可靠地通信。其环境适应性、系统可靠性皆按军标要求设计, 具有极高的性能价格比, 代表着SCADA系统的发展方向。

一般说来, MOSCAD系统由以下几个部分组成:

ØSCADA监控中心

Ø通讯网络(有线、无线、光纤、扩频、微波、卫星等)

Ø远程终端单元(RTU)

这几方面在下文中会有综合介绍。
1、 MOSCAD 远程终端单元RTU简介

MOSCAD RTU主要由CPU模板、电源/充电器、通信机(无线)或调制解调器(有线)、各种I/O模板及后备电池、机箱等几部分组成。

MOSCAD RTU是由微处理器控制的通用设备, 被优化设计用于对远端设备的监视和控制。它具有本地处理和控制能力, 并可通过通信网络及控制中心下装数据库和应用程序。它采用插拔式模板结构, 可以根据应用的需要组成不同的类型。

MOSCAD RTU提供下述插拔式模板, 并根据需要配以相应的电源、电池和通信设备:

- CPU板:  其上有两个串行接口和一个无线/有线通信接口

- 开关量输入板: 具有16/32 DI,  干接点/湿接点输入等不同类型

- 开关量输出板: 具有16/32 DO,  磁保持或电激励继电器输出等不同类型

- 模拟量输入板: 8AI

- 模拟量输出板: 4AO

- 混合输入/输出板: 8DI/4DO/2AI

- RIX(Radio Image Transfer System)图像采集模板: 6路图像输入

- 其它特殊功能模板(如: 交流分析模板等)MOSCAD RTU总线能支持多达 240 块 I/O模板

1.1 CPU模板

ØCPU板使用了摩托罗拉公司高性能的32位68302CPU, 运行时钟为 16MHz, 可扩展数字协处理器MC68882。

Ø内部存贮器可扩展到2.5M字节。

Ø400系列具有图像压缩/解压缩功能。

ØCPU板上有20个LED为模板各部分故障和运行状态指示。

ØCPU板上有锂电池, 它可为板上实时时钟(RTC)和随机存贮器(RAM)提供后备电源。即使是交流电源掉电, 后备电池也可保证CPU不丢失程序和中间数据。

ØCPU板上有三个独立的通信接口。

1、RS232或RS485(软件编程), 传输波特率0-9600bps

2、RS232, 传输波特率0-9600bps

3、可选择不同的通信接口板

－常规/集群无线电, DFM 2800/3600/4800bps

－有线通信接口, 专线2Ｗ／4Ｗ或多点访问的MODEM

－RS232, 传输波特率0-9600bps

ØCPU板支持MDLC、MODBUS等第三方设备的通信协议。

1.2 I/O模板

- 开关量输入板

- 开关量输出板

- 模拟量输入板

- 模拟量输出板

- 混合输入/输出板

- 其他类型模板

1.3 RTU 软件及其运算能力

RTU内的软件分为三个部分, 第一部分是操作系统软件: 包括资源管理 、任务调度 、函数运算及网络协议等, 它存在于EPROM中；第二部分是系统配置软件: 包括I/O定义、网络结构定义和通信方式定义等, 它存在于FLASH中；第三部分是应用软件: 此部分决定RTU的测控及通信功能, 它存在于FLASH中,RTU软件可由梯形图语言和C语言进行编程。

RTU支持I/O的顺序逻辑控制和互锁控制。

RTU支持PID调节环路, 250个环路可选, 每个PID环占用2μs CPU时间。
1.4 RTU通信

MOSCAD RTU的通信方式: RTU 与中心站之间的通信为中心站触发的通信方式和RTU触发的通信方式。

Ø中心站触发的通信方式包括: 广播方式、轮询方式和控制命令下发方式。

ØRTU触发的通信方式包括: 事件触发方式和突发传输方式, RTU与中心站和其它RTU间的通信可通过有/无线方式进行, 它们之间的通信协议是MDLC。

MOSCAD支持下述各类通信链路:

-无线VHF/UHF信道,数据传输速率达4.8Kbps。

-有线( 2线),数据传输速率达2.4Kbps。

-模拟微波(4线),数据传输速率达2.4Kbps。

-数字微波,数据传输速率达9.6Kbps。

-其它

1.5 控制原理

RTU是该SCADA系统的最基本的一级控制系统, 所有被监控的现场都配有一套RTU, 监控中心(站控中心)通过RTU从现场测量装置采集所有参数、信息和对现场设备进行控制和调整。根据需要将采集的数据传送至监控中心(即站控计算机), 同时接受来自监控中心的远程控制指令对站场进行控制。RTU具有独立的运行能力, 当RTU与监控中心通信中断时, 不影响RTU的数据采集和控制功能, 当计算机发生故障时, RTU也能独立完成全部功能。

监控中心(站控中心)与RTU的通讯方式采用异步轮询结合突发上报方式, 轮询周期可调。同时, 也可以通过监控中心的MCP-M, 利用摩托罗拉的编程工具箱对RTU远程诊断 、组态和编程。

2、MDLC协议

MDLC协议是摩托罗拉公司优化设计用于SCADA系统的一种数据通信协议。SCADA系统工作于无线、有线、本地网等各种通信媒体, 为了在这些不同的媒体中都能获得可靠和高效的通信效果, MDLC协议被设计成符合国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI)七层模型的通信协议, 它优化了主计算机和RTU之间在无线及其它通信媒介上的数据传输。

MDLC协议有如下特点:

Ø存储／转发功能: RTU接收其它RTU发来的信息, 将它们存储在自己的RAM中, 等信道空闲时向其它RTU或中心站转发出去, 转发路径由程序设定。对于那些中心站无线覆盖不到的RTU, 可以借助其它RTU实现与中心站之间的可靠通信。

Ø远距数据上装／下载及诊断: 可在中心站或RTU对系统中的任何RTU进行定义组态软件和应用软件的下载, 并可对其进行软、硬件诊断。

Ø在同一物理媒介上允许有多个逻辑信道 , 可以保证高效的数据传输, 允许同时有主-从RTU、从RTU-主及RTU-RTU的数据会话, 可以减少通信媒介的负担。

ØMDLC协议支持RTU数量达65,000个。在数据传输过程中, 能根据传输质量的好坏实现变帧长传输。

ØCRC校验使得数据通信误码率()

3、MOSCAD监控中心

MOSCAD监控中心的基本结构如下图所示:  

MCP(MOSCAD Communication Processor)是MOSCAD通讯处理器, 它包括MCP-M和MCP-T两种类型。
MCP-M(MOSCAD Communication Processor for MODBUS)是用于提供摩托罗拉的MOSCAD RTU和各种SCADA主计算机应用之间的有效通信方法的设备。

MCP-M的功能是作为SCADA主计算机和现场RTU之间的接口, 它含有一个实时数据库, 这个数据库与所选定的定义于现场RTU的一些数据表相对应。这个实时数据库可由预先定义的、定时轮询RTU的调度策略进行更新, 或由现场RTU直接将数据突发传输(burst)上来进行更新。当前的现场数据被保存在MCP-M中以备主计算机经常访问。MCP-M管理无线的数据传输, 因此SCADA软件和主计算机可因不做此任务而节省时间。

主计算机的SCADA软件完全可以控制MCP-M的操作, 包括:

Ø立即刷新某一RTU对应的数据
Ø发送广播信息
Ø发送时间同步信息给所有RTU
Ø允许/禁止调度策略
Ø允许/禁止/强制某一预先定义的调度策略
Ø更多功能

使用MCP-M不需要特别的数据终端及特殊的操作员培训, SCADA操作员或管理员可从SCADA终端根据需要及其SCADA登录权限进行相应的功能修改。

运行于主计算机上的SCADA软件, 通过MODBUS二进制协议与MCP-M通信, 可以从实时数据取得有效数据, 其中包括RTU的通信统计数据。MODBUS协议已被广泛接受, 并被用于工业领域, 许多SCADA设备供应商都支持它, 这就不需要再开发另外的专用驱动程序了。

MCP-M有以下通信端口:

1、RS-232异步(MODBUS或MDLC)或RS-485(MDLC),  最高速率 19.2kbps

2、RS-232异步(MODBUS或MDLC),最高速率19.2kbps

3、(使用DARCOM modem时,最高为9.6kbps)

无线通信:DFM, @最高速率4.8kbps；或FSK, @最高速率2.4kbps或DPSK, 最高速率1.2kbps或有线通信或RS-232异步(另起一行)MCP-T(MOSCAD Communication Processor for TCP/IP)是MOSCAD无线广域网(WAN)与计算机局域网(LAN)之间的桥梁。

以太网和TCP/IP是通常用于计算机局域网(LAN)的通信媒介和协议。LAN提供了同时完成大型计算机系统所要求的许多不同任务的用户之间的相互连接。摩托罗拉的TCP/IP通信处理器则为从MOSCAD现场RTU来的数据提供了进入LAN的以太网及TCP/IP的连接, 因此中心计算机系统具备了所有的特性, 可以直接使用现场的数据来进行定单管理、客户服务、调度及其它运作。

MCP-T的一个或两个口可以经不同的物理媒介用不同的数据传输速率与现场的MOSCAD RTU通信, 与以太网的接口是经AUI或10-Base-T口相连的, 运行于PC机上的MOSCAD编程工具箱软件可以与MCP-T相连, 用于对现场RTU进行远程编程或诊断。这些连接能力允许生成最适合系统地理要求的通信系统解决方案。

每个MCP-T带有一套基于WINDOWS的配置软件, 这套软件简化了MCP-T的通信参数的设置。同时提供了简单的C语言程序样本以帮助集成商开发TCP/IP和目标SCADA、调度系统、定单系统及其它应用之间的接口程序。用提供的样本加上开发与配置工具可以很容易地建立TCP/IP的用户软件接口。

MCP-T有以下通信端口:  

1、以太网10Base-T或以太网AUI@10Mbps

2、RS-232异步或RS-485, 最高速率19.2kbps

3、RS-232异步, 最高速率19.2kbps(使用DARCOM modem时, 最高速率为9.6kbps)

4、(可选): 无线通信: FSK最高速率2.4kbps或DPSK速率1.2kbps或有线通信或RS-232异步

4、系统工作环境及可靠性指标

MOSCAD系统平均无故障时间(MTBF)大于225,000 小时。

MOSCAD系统平均修复时间(MTTR)小于5分钟, RTU采用插拔式结构, 模块可带电直接插拔, 并可即刻使用。

工作电源范围 : 220VAC±15%；

工作温度范围 : －30℃～＋60℃；

工作湿度范围 : 0～95%@50℃,  非结露。

外部防护满足NEMA4/4X/12/13等标准, 可工作在真正的全天候环境。

系统任何故障可在不停产的情况下更换故障部件。

系统在停产或故障时, 可以保存全部数据。

5、系统的特点

MOSCAD系统中从芯片到通信机等所有部件皆由摩托罗拉公司生产, 它较之于由多家设备拼装而成的系统具有更高的可靠性, 系统的升级、维护、扩容更有保障。

Ø独一无二的MDLC数据通信协议。

Ø摩托罗拉公司1988年荣获美国总统质量奖, 其6西格玛质量标准保证MOSCAD平均无故障时间为225,000小时。

ØMOSCAD工作温度为-30℃~ +60℃, 外壳防护满足IP65标准, 可以直接工作于各种恶劣环境。

Ø若使用无线通信系统, 那整个系统只需一个无线频点。

ØRTU中后备电池可以保证现场交流电断电以后仍能继续工作, 并将停电信息上传给中心站。

Ø中心站既可以轮询RTU现场参数, 现场异常时RTU还可以主动向中心站告警。

Ø可以对RTU进行空中远距诊断、维护、编程, 在中心站就可以对现场进行诊断与维护。

ØRTU具有存贮转发功能, 它可以择优选择通信路由, 确保通信可靠性。

系统方案

本方案主要解决大天池气田中控室对各个气井数据的采集和监控。本系统由1个中心站、1个显示站、9个站控中心、41个RTU组成,实现了对29口生产井、4座集气站、3座输气站和9套脱水装置的监视控制与数据采集。本系统是一个典型的点对多点星型结构无线通信系统。系统拓扑结构示意图如下所示:

系统结构示意图

系统安装调试及运行:

本系统中, 由于传输距离较远, 为减小系统损耗, 主站采用230MHz高增益全向天线, 采用国产低损耗电缆作馈线, 各从站使用230MHz高增益定向天线及国产低损耗馈线。因水厂周围高大建筑较多, 为确定保系统运行正常, 工程实施前对无线系统进行了实地电测, 并根据电测数据确定主、从站天线架设高度。

结论:

该工程于2002年安装施工并调试完成, 系统运行完全可靠。该项目的顺利实施提高了气田采集系统的自动化水平, 为科学有效管理能力打下了坚实的基础。MDS2710电台高效稳定的工作能力得到了用户的普遍认同, 其优越的性能和高质量的品质, 是值得用户信任的第一无线数据传输设备。