煤层气马必区块SCADA系统方案.docx
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煤层气马必区块SCADA系统方案
马必区块SCADA系统
技术方案
1MOX公司简介
1、MOX公司长期致力于油气行业的自动化和信息化建设项目（油田，气井，长输管线，区控中心，省级调度中心）。
2、MOX公司构建的系统都是基于自主核心产品的（控制器、监控平台、分析平台），具有最佳性价比和系统兼容性
3、MOX公司有覆盖全国的网络和技术服务中心，可提供快速、便捷、本地化的支持服务。
4、MOX公司参与建设了中石油，中石化，中海油等油气行业的站控，区控和调度系统的建设，并具有系统建设和运维的工程及咨询服务能力。
5、MOX公司整合了国际化团队，可以综合国内外分布式能源企业的管理经验，提供多种高品质解决方案和服务。
2项目概述
2.1项目建设内容
亚美大陆煤层气有限公司马必区块即将进入正式开发阶段。
我公司提供的基于自主研发的PLC硬件和SCADA软件的煤层气现场控制系统和集中监控平台，同时通过标准的现场总线和开放的接口实现现场仪表，设备的数据交互和连锁控制，实现井场生产的集中控制和管理。
建设内容主要包括控制中心硬件及SCADA软件平台系统，各个井场排采控制系统，通讯总线传输及转换系统，网络传输系统。
3参考方案分析比较
“马必区块SCADA系统规划”中提出了两种不通的控制方案，现根据我们的理解，对两种方案进行分析比较。
3.1方案一概述
根据“马必区块SCADA系统规划”中提出的第一种方案，系统结构图如下所示：
图1.1系统方案1结构图
此套方案将PLC/RTU控制柜放在现场，将井口的所有设备，包括井底流压计、套压计、流量计、变频器等，按照每6口井为一个单元，通过RS485Modbus接口接入PLC/RTU中，通过PLC/RTU对现场的设备进行数据采集、设备控制。
站场的其他设备通过RS485Modbus接口，接入配电房的串口服务器内，通过串口服务器转换为以太网，接入交换机。
通过自建光纤，以ModbusTCP/IP方式传输至集气站SCADA服务器内。
3.2方案二概述
根据“马必区块SCADA系统规划”中提出的第二种方案，系统结构图如下所示：
图1.2系统方案2结构图
此套方案将PLC/RTU控制柜放在集气站，将井口的所有设备，包括井底流压计、套压计、流量计、变频器等，按照每6口井为一个单元，通过RS485Modbus接口接入串口服务器中，将RS485转换成以太网，接入交换机。
通过自建光纤，以ModbusTCP/IP方式传输至集气站的PLC柜内，由PLC柜内的PLC进行控制。
站场的其他设备接入方式与井口设备类似。
3.3两种方案比较
现对两种方案做出比较，如下表所示：
表1两种方案比较
序号
比较项
方案一
方案二
结论
1
系统运行稳定性
井口设备由放在现场的PLC进行控制
系统控制不受通讯状况影响
井口设备由放在集气站的PLC进行控制，如出现通讯故障，则现场设备不受控
根据比较系统1具备较高的可靠性、稳定性。
系统2不具备可靠性，稳定性。
2
系统运行速率
每个PLC最多接入6个井口设备，合计24路RS485信号。
每个PLC控制的设备数量适中，不影响系统运行速度。
每套PLC需要接入500路以上RS485信号，需要控制的设备数量过多，会严重影响PLC系统的运行速度。
方案一系统具有良好的运行速度。
方案二会严重影响系统的运行速度。
3
成本
每6个井站配置一套军备普通功能的PLC即可。
但是集气站不需要再配置高性能PLC。
虽然不用在单井站配置PLC，但是需要在集气站配置高性能PLC，费用会非常高昂。
方案一虽然配置较多PLC，但是普通的PLC价格要远低于高性能PLC。
所以鉴于成本考虑，方案二没有明显优势。
根据两种方案的比较，我们选择第一种方案进行项目实施。
4煤层气自动排采控制
煤层是一种具有割理和基质孔隙的双重孔隙结构储层，广义的煤层气是指储存于煤层及其围岩中的天然气。
中国大部分聚煤盆地经受多期构造运动影响，煤层构造复杂、成煤时代较早、煤热变质程度高、煤阶多为高煤阶、煤储层非均质性强，渗透率普遍较低，而且煤储层对地层压力的敏感性极强。
煤层甲烷的吸附是一种物理吸附，且是一个可逆过程，这就决定了煤层气的开发是一个排水降压的连续过程。
煤层气产气机理如下图所示：
图4-1层气采气机理
煤层气排采，概括来说就是使用油管抽水，利用套管产气。
排采是煤层气开发中的一个重要环节，煤层气井的生产实际上是排水降压采气的过程，排采中必须测定各项排采参数，通过对排采参数的分析，建立排采参数间的关系，是极其有意义的一项工作，它将成为掌握排采特征，建立合理工作制度的基础。
同时，还可以指导排采生产，实现高产井保持稳产，低产井提高产量。
一个煤层气井的整个生命周期分为以下几个阶段：
1.稳定降液阶段；
2.控压排水阶段；
3.控压产气阶段；
4.稳定生产阶段；
5.产量衰减阶段。
在整个生命周期中，产气量、产水量、井底流压以及套压的关系曲线如下图所示：
图4-2煤层气井排采曲线
4.1稳压排水阶段
本阶段主要产水，匀速稳定的降低液位。
随着压力降低到临界解吸压以下，煤层气开始解吸，并从井口产出。
这一阶段所需的事件取决于井口所处的构造位置、储层特征、地层含水性、排水速度等因素，持续时间可能是几天或者数月。
此阶段主要根据底层的产水能力参考液面下降速度来控制排水量，从而使液位匀速平缓下降，从而达到平稳降压，保护煤层结构，持续扩大降压面积的目的。
此过程的PLC控制示意图如下图所示：
图4-3稳压排水阶段控制
4.2控压排水阶段
当煤层压力进一步下降，有一定数量的煤层气从煤基质块微孔隙表面吸解，开始形成气泡，阻碍水的流动，谁的相对渗透率下降，但是气体不能流动。
当煤层气开始吸解见气以后，保持动液面恒定一段时间后继续降液，此阶段以控制井底流压、动液面的下降速率为主。
此过程的PLC控制示意图如下图所示：
图4-4控压排水阶段
4.3控压产气阶段
随着煤储层压力进一步下降，有更多的煤层气解吸出来，并扩散到煤中裂隙系统中，此时，水中含气已经达到饱和，气泡相互连接形成连续流动，气体的相对渗透率大于零。
随着吸解气体的增多，套压升高。
当地层供气满足生产要求时，在保证放气后动液面的稳定的前提下，电动V型球阀根据套压和储层供气能力自动开启和调整开度，自动维持井底流压和套压之间的均衡关系，避免因放气生产后液面大起大落、应力突变对煤层造成水锁效应。
此阶段需要稳定井底流压，保持动液面恒定。
此过程的PLC控制示意图如下图所示：
图4-5控压产气阶段
4.4稳定生产阶段
此阶段继续稳定井底流压、套压、动液面，工作制度为恒液面控制，维持动液面的高度，使套压和井底流压缓慢降低；智能调整套压、井底流压、动液面的平衡关系，以达到稳定产气量，连续、长期排采的目的。
此过程的PLC控制示意图如下图所示：
图4-6稳定产气阶段
4.5产量衰减阶段
此阶段井口套压和井底流压均为低压，产气量缓慢下降，生产方式为停止排采自喷生产。
如仍有少量水产出将自动转为间歇开井排采,保证液面在煤层以下。
此过程的PLC控制示意图如下图所示：
图4-7产量衰减阶段
5MOX系统方案
5.1系统总体方案
5.1.1系统构架
根据选取的方案一，我们完善了整体的系统构架，如下图所示：
图4.1系统总体架构图
系统说明：
整个系统分为两个层级：
站场级/集气站级。
站场：
站场的自控设备在SCADA系统中的作用是对所有的现场数据进行采集，逻辑控制。
每个站场包含多个采气井口，以及站场公共设备。
每个井口需要采集、控制的设备有井底流压计、套压计、流量计以及变频器。
公共部分设备包括管网压力计、压缩机、发电机等设备。
井口的设备按照每6个井为一个单位，通过RS485接入PLC柜的RS485集线器，转接至PLC中进行数据采集和处理。
由PLC处理完成后，经以太网接入交换机，将数据传输至集气站。
站场的公用设备接入串口服务器，经串口服务器转换为TCP/IP协议，接入以太网交换机，将数据传输至集气站。
站场安防设备选用网口摄像头，直接接入以太网交换机，将视频信号传输至集气站。
集气站调度中心：
调度中心的主要作用是对现场PLC采集到的数据进行保存、处理。
将所有数据以图形化的方式展示给相关操作、技术人员。
5.2集气站调度控制中心
调度控制中心是整个煤层气SCADA系统的控制中心，也就是整个SCADA系统的大脑。
调度中心主要负责对站场采集到的各种数据、信息进行分类、处理、展示、存储等。
鉴于系统的通用性及可扩展性，系统的整体通讯采用ModbusTCP/IP通讯协议，所有的数据、信息均可通过以太网络进行传输。
调度控制设备的整体架构图如下：
图4.2集气站调度控制中心架构图
5.2.1SCADA平台
SCADA主要完成数据采集，图形化开发，Web发布等工作，是整个调度控制中心的核心，SCADA可以按照C/S或B/S的结构进行灵活设置。
其中对于数据处理主要包括以下设备：
✧数据库服务器（冗余结构）；
✧历史数据服务器；
✧WEB服务器；
✧操作员站（数据监控客户端）；
✧工程师站（软件维护客户端）；
SCADA平台数据处理流程图如下所示：
图4.3SCADA系统数据处理流程图
5.2.2数据库服务器
实时数据库服务器的主要功能是完成现场所有系统的数据采集、存储和处理，并为MOSAICSCADA系统应用程序提供数据服务。
同时也完成中间量计算、累积量计算、趋势、报警、数据短时归档等功能，并保存信息记录、操作记录。
由于MOSAIC实时数据库软件具备多重冗余和负载均衡功能，可以配置2台服务器，采用二重冗余技术，容量为50000点的实时数据库，我公司的数据库可以支持多达20万点的单机处理能力。
5.2.3Web服务器
WEB服务器主要用于远程数据发布，系统提供WEB服务功能。
在WEB服务器上运行基础MOSAIC应用软件，实现系统数据管理功能。
操作员站和工程师站等客户端通过Web的方式访问WEB服务器，实现数据实时监控、数据查询、报表查询和打印等功能。
5.2.4操作员工作站
操作员工作站是调度、操作人员与调度中心计算机监控系统的人机界面（HMI），它在调度控制中心计算机监控系统中作为客户机，操作员通过它可详细了整个系统下辖的所有场站的设备运行状况，并进行控制，它们通过以太网与WEB服务器互联并交换信息。
5.2.5工程师工作站
工程师工作站是系统工程师的操作平台。
工程师可通过它们对整个SCADA系统的数据库、组态软件等进行维护和管理；同时还可以对系统进行二次开发，实现其所允许的功能。
5.2.6主要设备及软件
集气站控制调度中心需要的主要设备如下表所示：
表4.1集气站调度控制中心硬件设备
序号
设备名称
说明
数量
单位
备注
1
SCADA数据服务器
标配2颗至强E5-2609v22.5GHz10M缓存4核心CPU，2根8GB1600MHzDDR3内存，16个2.5英寸硬盘槽位，标配3块600G 10K 硬盘，MegaRAID9266-8i（0/1/5/10）；选件，板载4个千兆以太网卡，5个PCIe扩展插槽，2个650W电源，含上架导轨。
windowsserver2008标准版
2
台
按照数据库冗余进行配置。
不需要冗余配置，次数量可以减少1台。
2
商业电脑
i7/Windows7家庭普通版/4GB/1TB/独显/光驱/小机箱
3
台
按照两台操作员站，一台工程师站进行配置。
3
显示器
三星
3
台
同上
4
KVM切换器
CL5708KVMP抽拉式多电脑切换器是一套先进的控制方案，其可通过一组PS/2或USBKVM控制端（键盘、鼠标及显示器）存取多台服务器。
一台CL5708可分别直接管理8台服务器。
1
套
用于切换各服务器之间的显示，操作。
5
24口交换机
24口千兆以太网三层交换机，可冗余配置
2
套
交换机按照冗余配置，如不需要冗余配置，次数量可以减少1台。
6
A3幅面网络激光黑白打印机
A3黑白激光打印机；打印速度A3：
15ppm，A4：
大约31ppm；最高分辨率（dpi）1200×1200
1
套
用于打印报表等。
7
机柜及配套附件
标准网络机柜
1
套
8
操作台
4工位操作台
1
套
9
UPS
10KVA.后备时间5个小时。
主机：
HT1110L电池：
MF120-12电池箱：
A16
1
套
10
笔记本电脑
1
台
可选项
用于工程师在现场程序维护。
11
防火墙
企业级防火墙，7个10/100网络端口，支持VPN
1
套
可选项
用于网络安全防护
12
GPS网络时间服务器
1
台
可选项
用于同步各站点及PLC的时钟。
由于数据库建设需要有一定的前瞻性，所有在配置数据库软件的时候，需要考虑到规划中的500口采气井。
单个井口所有设备需要采集的主要数据有27个数据点，共计：
27*500=13500；
站场设备包括：
压缩机：
按照每5口井配置一台压缩机来预估，每个压缩机有16个数据采集点。
共计：
16*（500/5）=1600点；
其余设备：
除此之外其余设备，包括发电机，管网压力等，预计500口井共计2000点。
数据库配置一般按照实际点数1.2-1.5倍来配置。
所以得出：
（13500+1600+2000）*1.2=20520；
（13500+1600+2000）*1.5=25650。
所以数据库软件按照25000点来进行配置。
集气站控制调度中心需要的主要软件如下表所示：
表4.2系统软件配置列表
序号
设备名称
说明
数量
单位
备注
1
Mosaic数据库软件
25000点
2
套
数据库按照500口井的容量进行配置。
2
Mosaic组态软件
25000点
3
套
按照两台操作员站，一台工程师站进行配置。
3
MOXGraf编程软件
V5无限点
2
套
考虑PLC程序自主维护，配置PLC编程软件2套。
5.3站场控制系统
5.3.1控制系统
站场处于数据采集的最底层，负责完成站场内所有生产数据的采集，站场设备的控制，视频数据的采集等。
再通过自建光纤通讯链路，将相关数据上传至调度控制中心。
并结束调度控制中心的远程管理。
具体功能如下：
✧实时生产数据采集、传输。
数据采集采用固定周期轮询和基于变化的采样方式，并可向调度控制中心远程传输实时数据；
✧具备本地及远程控制功能；
✧具备断点续传功能。
RTU在运行过程中，会对井站上的数据进行实时存储，如果通讯出现故障，会在通讯恢复后将RTU自身记录的数据发送给数据库；
✧具备设备控制功能。
RTU可通过控制变频器来控制井口的螺杆泵。
从而对井站采气作业进行控制；
✧具备自检功能。
RTU可以监测自身的工作状态，当自身出现故障后，会发送相应的故障代码至上位机，提醒相应的工作人员对其进行检测、维护。
设备整体结构图如下所示：
✧
✧图4.4站场设备结构图
5.3.2站场机柜配置
站场需要配置的机柜分为两种，一种是现场PLC柜，一种是站场通讯柜。
其中现场PLC柜主要负责将6口井的井口相关数据进行采集，并对每个井口的螺杆泵进行控制，并结构图如下所示：
图5.4现场PLC柜结构图
每台现场控制柜所包含的主要设备如下表所示：
表5.1现场控制柜设备表
序号
设备名称
设备型号/说明
说明
数量
单位
厂商
1
机柜
2100*800*800
2100*800*800前后开门。
前后双安装板。
顶部防雨罩，排风风扇。
后门排风扇、防尘罩。
1
台
国产
2
变频器
含内置刹车单元。
15KW
6
台
国产
3
断路器
断路器，机柜总电源.225A
1
台
国产
4
断路器
断路器，给变频器供电.30A
6
台
国产
5
电源
MX606-4001
RTU电源
1
套
MOX
6
CPU
MX606-3002-02A
CPU，两网口，2路RS485，2路RS232接口
1
套
MOX
7
交换机
4口交换机。
1
套
国产
8
串口服务器
16口串口服务器
2
台
国产
9
机柜集成费用
含集成所需辅材，如线缆、接线端子，开关电源等。
1
项
MOX
10
软件开发
1
项
MOX
站场通讯机柜主要负责整个站场所有设备的通讯，网络接入，同时可以选装串口服务器，将站场的公用设备由RS485信号转换为TCP/IP，接入以太网，其结构图如下所示：
图5.5站场通讯柜
站场通讯柜柜内主要设备如下表所示：
表5.2现场通讯机柜设备表
序号
设备名称
设备型号/说明
说明
数量
单位
厂商
1
机柜
300*550*400
壁挂式网络柜
1
台
国产
2
交换机
8口交换机
1
台
国产
2
串口服务器（选配）
4、8、16口串口服务器均可选配。
1
台
国产
5.3.3数据采集
数据采集是指RTU控制器采集站场的生产工艺参数、设备状态等。
本次项目选用了MOX公司自主生产的IoNix系列高性能RTU。
其实用特性及优点会在后文做详细描述。
每3口的井口设备通过RS485通讯讲井口的设备接入16口串口服务器，将RS485信号转换为TCP/IP协议，接入交换机，同时也将PLC接入交换机，进行数据交换，从而达到控制变频器，采集井口现场数据的目的。
其结构图如下图所示：
图4.5现场控制柜结构图
5.3.4设备控制
现场需要RTU控制器对站场的螺杆泵进行控制。
本方案通过变频器对螺杆泵进行驱动控制。
所以控制了变频器，也就控制了螺杆泵。
变频器具有以下特点：
Ø变频调速的节能
Ø软启动
Ø减少无功功率
Ø方便控制，使控制系统简单化
a）变频器很容易实现电机的正、反转；
b）加、减速时间及频率可任意调节；
c）方便进行制动；
d）运行平稳；
e）可进行高速运转。
RTU对变频器进行控制，采用RS485通讯总线的方式与变频器进行通讯。
设备连接方式如下图所示：
图4.6井口设备控制结构图
6软件配置
本方案拟采用的上位组态软件及数据库系统为MOX公司的MOSAICSuite软件。
RTU的编程软件为MOX公司的MOXGraf。
6.1MOSAICSuite简介
本项目HMI软件采用MOX公司的MOSAICSuite。
MOSAICSuite由三部分组成：
✧图形化开发工具-mxSight
可完成画面监控，报警，事件、趋势功能，各种驱动程序、以及OPC/ODBC接口等组态。
✧高性能工业实时库-mxHistory
实时数据库组件，提供高效的实时数据库处理、压缩、冗余、数据回补、内嵌的数据查询算法以及与其他信息化系统的访问接口如API，WebService等，同时提供与主流关系数据库如SQL/ORACLE/DB2的访问接口。
✧Web服务器-mxWeb
WEB发布组件，为基于W3C标准开发的Web服务，采用SVG图形管理技术，使得用户可通过浏览器做为Web客户端远程访问系统。
系统具备扩容功能，可根据系统的实际需要进行扩容，实时数据库的点数容量没有上限要求。
6.2MOSAIC数据库特点
1）平台设计之初就是针对大型调度系统设计的，非常适合大型分布式能源企业的SCADA平台的建设。
2）MOSAICSuite支持多调度中心、分散中心及灾备中心的系统架构
3）MOSAICSuite具有业界领先的负载均衡管理，
4）MOSAICSuite具有业界领先的1：
N冗余管理，无论是对数据完整性还是对系统扩容都有很大价值。
5）MOSAICSuite具有面向对象的数据管理模型，节约开发时间和便于大量数据点的管理。
6）MOSAICSuite在大点数（50000点以上）应用上有众多的案例，有20多年的历史，系统稳定可靠。
7）MOSAICSuite是跨平台的系统，支持Windows/UNIX/LINUX系统。
8）MOSAICSuite提供多种数据接口方式来与其它系统进行数据交换，提供成熟的接口与主流的关系数据库如SQLserver、Oracle、DB2等进行无缝链接。
6.3丰富的通讯协议
MOSAICSuite是采用模块化设计的开放式系统，可以在任何环境中与任意系统实现数据集成。
到目前为止，MOSAICSuite至少包含并支持以下的协议标准：
✧Modbus
✧DNP3
✧IEC60870-5-102
✧IEC60870-5-104
✧OPCServer/OPCClient
✧SiemensS7
✧GenericASCII
✧GEFanuc
✧AllenBradleyDatahighwayPlus（DH+）
✧Ethernet/IP
✧MotorolaMDLC
✧Kingfisher2
✧ConitelC2020/C2025
✧SNMP
✧……
MOSAICSuite支持断线自动重连，断点续传，历史自动回补。
MOSAICSuite通过API接口还可以实现特殊通信协议的集成。
MOSAICSuite支持冗余的通讯链路，可自动实现主从链路的切换。
6.4图形化开发工具-MOSAICmxSight特点
MOSAICmxSight用户界面是一个通用的可视化工具，能够以图形和文本格式显示系统的数据，界面可实时的监视和控制系统，使用户可以分析历史数据，监控报警信息，控制现场设备的事件以及配置数据库信息。
6.4.1矢量化的画面，支持漫游、缩放和分层功能
具备画面漫游、无级缩放功能，动态消隐等特点，能适应大型系统在各种不同终端上的不同分辨率的显示需求，例如：
大屏幕系统、各类工作站、嵌入式系统、手持与移动终端，可做到完全的自适应。
图5.1画面适应不同分辨率的显示要求
画面分层功能，可以根据需要显示或消隐不同图层次上的图形。
结合SchematicsEditor的画面导入功能可以快速生成厂级网络拓扑、通讯网络拓扑等带有实时信息的监视画面。
图5.2画面分层
6.4.2全局监控
绘制系统总貌图，将总个工艺流程参数显示到统一画面，同时显示关键生产参数、报警状态以及与其他功能块的链接导航，既能够全面的了解系统整个情况，也能快速的切换到其他功能块。
图5.3总貌画面
6.4.3站场监控
按照工艺要求，将每套控制系统分为多个分组画面。
在分组画面中完成该工艺区的所有设备运行参数查看，设备启停控制，运行参数设置等功能。
图5.4工艺流程图
6.4.4报警功能
系统具备对重要现场设备的故障信号、参数报警超限、与生产相关的重要生产单元运行状态变化等报警的功能。
图5.5报警窗口样例
6.4.5趋势功能
对一些重要的设备状态和过程参数，经过配置后将其数据存储到实时数据库，必要时，通过趋势显示功能可以将某一段时间内的过程数据从实时数据库中调出，显示这一设备状态或这一计量参数在过去某一段时间内的变化趋势
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