基于嵌入式PC與GPRS的SCADA在油田中的應(yīng)用

1 引言

　　隨著電子計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)功能也在不斷增強(qiáng)。本文針對(duì)的某油田采油區(qū)較為分散的實(shí)際情況，探索應(yīng)用相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)。由于存在著單井作業(yè)或數(shù)臺(tái)甚至十臺(tái)以上抽油機(jī)排列在一起，形成一個(gè)或數(shù)個(gè)井排，同時(shí)在其周?chē)嗑鄮装倜追植贾恍┲修D(zhuǎn)原油的儲(chǔ)油罐和其他設(shè)備，為了提高采油效率，保障安全生產(chǎn)，需要采集各個(gè)抽油機(jī)、油罐、電機(jī)和油泵等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、油罐的液位和儲(chǔ)油量、電壓、電流等。為了使采油廠的生產(chǎn)管理調(diào)度部門(mén)及時(shí)掌握一線生產(chǎn)情況，必須將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳。但工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，無(wú)法晝夜值守，又無(wú)通訊線路，因此，給生產(chǎn)管理帶來(lái)極大不便。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文討論一種不受惡劣環(huán)境影響的、可安裝在現(xiàn)場(chǎng)的基于嵌入式PC 和中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 嵌入式PC（Embedded PC）[1]

　　早在20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就出現(xiàn)了一個(gè)新分支――嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。為了區(qū)別原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，稱(chēng)作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去，也可將其定義為：“嵌入到對(duì)象體系中的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。對(duì)象系統(tǒng)是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)，如本文中所涉及到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　針對(duì)對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境（如地理、成本）要求，嵌入式系統(tǒng)是要嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中去，能夠滿(mǎn)足對(duì)象要求的最小軟、硬件配置及對(duì)象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的三個(gè)基本要素即“嵌入性”、“專(zhuān)用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。

　　嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為三種：芯片級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)即微控制器，俗稱(chēng)單片機(jī);模板級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)，即以8位、16位、32位微處理器為核心的板卡或模塊;系統(tǒng)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)。本文中采用的ADAM-5510即是一款模板級(jí)的嵌入式系統(tǒng)。

3 GPRS技術(shù)及其特點(diǎn)[2]

　　GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/應(yīng)用">應(yīng)用。它采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線信道，同一無(wú)線信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，資源被有效的利用。GPRS能將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，允許用戶(hù)在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，只有在資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，且傳輸時(shí)按量計(jì)價(jià)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)比較經(jīng)濟(jì)合理。在本研究課題中使用GPRS技術(shù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收。能永遠(yuǎn)在線并且只按傳輸流量計(jì)費(fèi)，較大幅度地降低服務(wù)成本。

4 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）[3][4]

　　SCADA系統(tǒng)是以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視為主，向操作控制人員提供現(xiàn)場(chǎng)信息并由操作控制人員決定要實(shí)施的控制，最后由操作人員發(fā)出指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器進(jìn)行操作的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個(gè)分散的遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU （Remote Terminal Unit）和通信介質(zhì)三部分組成。監(jiān)控中心又稱(chēng)主站,是SCADA系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)控制管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;RTU又稱(chēng)外圍站點(diǎn),相當(dāng)于DCS中的現(xiàn)場(chǎng)控制站，是采用PLC或單片機(jī)等測(cè)控系統(tǒng)組成的可獨(dú)立運(yùn)行的智能測(cè)控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)程控制中心的通信、具有易擴(kuò)展性和易維護(hù)性特點(diǎn)。隨著開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷成熟和IP技術(shù)的高速發(fā)展，系統(tǒng)的功能正在逐步從單一向綜合的方向發(fā)展，許多過(guò)去要幾個(gè)不同系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)的控制和自動(dòng)化功能，現(xiàn)在只需要一個(gè)系統(tǒng)即可完成。

5 系統(tǒng)組成及原理

　　5.1 系統(tǒng)組成

　　本數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分、GPRS傳輸部分、外部數(shù)據(jù)網(wǎng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心四部分組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

　　在圖1所示系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分將各種傳感器傳回的信號(hào)經(jīng)過(guò)智能模塊的處理，通過(guò)GPRS傳輸部分將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上，再通過(guò)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)（如Internet）傳輸。監(jiān)控中心服務(wù)器通過(guò)GPRS Modem即可接受現(xiàn)場(chǎng)的全部數(shù)據(jù)。