Aplicación del sistema SCADA en el desarrollo de campos de metano en lechos de carbón
Acerca del autor: Lu Zefeng, hombre, ingeniero de control automático, maestría de China Petroleum Liaohe Engineering Co., Ltd., se dedica principalmente a la investigación en el campo de recolección y transporte de metano en lechos de carbón.
(1. PetroChina Liaohe Engineering Co., Ltd., Panjin 124010; 2. China United Coalbed Mamine Co., Ltd., Beijing 100011; 3. PetroChina North China Oilfield Coalbed Mamine Branch, Jincheng 048000)
Resumen: Tomando como contexto el Proyecto Nacional de Demostración de Industrialización de Alta Tecnología de Metano de Capas de Carbón de China United Coalbed Mtane Co., Ltd., se presentan la estructura, funciones y características del sistema SCA-DA en el proyecto. descrito, que refleja la aplicación de la tecnología de automatización y comunicación electrónica en vetas de carbón. Estado actual de la aplicación en el desarrollo de campos de gas. A través de la implementación del proyecto, se logró la integración de cables inalámbricos, ópticos, cables y otros métodos de comunicación en el sistema SCADA, lo que ha reducido con éxito la inversión en sistemas de control automático durante el proceso de construcción y mantenimiento de la información de los campos de metano de lechos de carbón. Es adecuado para pozos de metano de lechos de carbón con ubicaciones remotas, muchos pozos y tiene las características de pozo denso, baja presión y baja producción.
Palabras clave: red de transmisión inalámbrica GPRS SCADA metano de lecho de carbón
Aplicación de SCADA en el desarrollo de proyectos de metano de lecho de carbón
Lu Zefeng1, Chen Shilin2, Chang Xuelan3, Lin Xiangyang 1
(1. China Liaohe Petroleum Engineering Co., Ltd. Panjin 124010. China Beijing Zhonglian Coalbed Mamine Co., Ltd. 1003011. North China Oilfield Coalbed Mamine Company, Jincheng 048000, China)
Resumen: Tomando el proyecto de demostración de industrialización de alta tecnología de China Coalbed Mtane Co., Ltd. como base de ingeniería, se analizan la estructura, funciones y características del sistema SCADA, lo que refleja el estado actual de la aplicación de la tecnología de automatización y la electrónica. tecnología de la comunicación. SCADA realiza la integración de comunicaciones inalámbricas y por cable, lo que no solo ahorra los costos de construcción, operación y mantenimiento de la construcción de información del campo de metano en lechos de carbón, sino que también se ajusta a las características de ubicación remota, gran número, alta densidad, baja presión y baja producción. de pozos de metano en lechos de carbón.
Palabras clave: Comunicación inalámbrica GPRS; SCADA metano de yacimientos de carbón
1 Introducción
El sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) es un sistema de monitoreo y sistema de despacho El sistema de automatización de gestión puede realizar recopilación remota de datos, control de equipos, medición, ajuste de parámetros, alarma de señal y otras funciones. Tiene las ventajas de una transmisión de información rápida y precisa y una visualización intuitiva. En países con altos niveles de desarrollo de metano de yacimientos de carbón, los sistemas de monitoreo y recolección de datos se han convertido en instalaciones comunes en los sistemas de recolección y transporte de metano de yacimientos de carbón. Desde principios del siglo XXI, dado que el país ha otorgado gran importancia al desarrollo del metano de yacimientos de carbón, los sistemas SCADA también han comenzado a aplicarse en la industria del metano de yacimientos de carbón de mi país.
La aplicación práctica del sistema SCADA en la industria del metano de lecho de carbón requiere un diseño y planificación basados en las condiciones y características reales del sistema de recolección y transporte de metano de lecho de carbón y la ubicación geográfica real del metano de lecho de carbón. pozos, y comprender cuidadosamente los principios de diseño, las funciones del sistema y la estructura del sistema y otras características, lograr la mejor combinación de tecnología moderna y requisitos de transporte y recolección de superficie de metano de lechos de carbón, reducir la inversión del proyecto, promover el progreso tecnológico en el desarrollo y utilización del metano de lechos de carbón. y garantizar el envío científico y la recolección y transporte seguros de metano de yacimientos de carbón.
2 Diseño del sistema SCADA
2.1 Principios de diseño
Utilizar la última tecnología de software y hardware para establecer un entorno de aplicación integrado SCADA. El diseño del sistema sigue lo siguiente. principios:
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(1) Avanzado: la construcción del sistema debe tener un punto de partida técnico elevado, adoptar una arquitectura distribuida maestro-esclavo cliente/servidor y seleccionar la plataforma de software unificada del sistema operativo WindowsXP. para lograr el mejor rendimiento de costos.
(2) Seguro y confiable: el equipo de hardware seleccionado para el sistema debe cumplir con los estándares industriales modernos y adoptar una estructura de diseño redundante, como máquinas duales, redes duales, fuentes de alimentación duales y acceso de doble canal. que puede cambiar automáticamente cuando ocurre una falla, asegurando un funcionamiento ininterrumpido y confiable del sistema. La plataforma de software del sistema debe ser madura, confiable y segura, y el desarrollo de software debe seguir métodos de ingeniería de software. Después de pruebas exhaustivas, el programa se ejecuta de manera estable y confiable, y es fácil de usar y mantener. Las redes y los equipos clave deben tener redundancias dobles y múltiples, y la gestión de bases de datos debe ser jerárquica y autorizada jerárquicamente. El sistema debe tener una copia de seguridad confiable para garantizar que su funcionamiento se pueda restaurar lo antes posible cuando ocurre una falla en el sistema.
(3) Apertura: La apertura se refleja principalmente en dos aspectos: plataforma de soporte y sistema de aplicación. Para la plataforma de soporte, se deben seleccionar productos de software y hardware estandarizados. Los equipos del sistema deben tener una buena versatilidad. Los productos de diferentes fabricantes se pueden integrar entre sí y el sistema se puede ampliar y actualizar. Para los sistemas de aplicaciones, el sistema de aplicaciones debe proporcionar una plataforma de soporte integrada con las características de modularidad, redes y estandarización de interfaces, respaldar el desarrollo de software de aplicaciones de usuario y garantizar la interconexión y la integración perfecta con otros sistemas.
(4) Escalabilidad: el sistema SCADA debe tener una buena escalabilidad funcional para que la construcción del sistema pueda planificarse en general, construirse paso a paso y expandirse y actualizarse gradualmente.
(5) Facilidad de uso: El sistema debe tener una interfaz de usuario sencilla, fácil de entender y fácil de operar. Los operadores pueden utilizar y mantener el sistema sin tener conocimientos informáticos sólidos. Al mismo tiempo, varios módulos funcionales del software del sistema se distribuyen de manera flexible en varios nodos de la red con la base de datos como núcleo. Excepto por algunos módulos que requieren hardware relacionado, se pueden ejecutar en cualquier nodo para lograr un estado "listo para usar". usar".
2.2 La estructura general del sistema SCADA
El sistema SCADA consta del sistema de control de estación (SCS) de la estación de recolección de gas, la unidad terminal remota (RTU) de la válvula grupo o red de transmisión inalámbrica y el Panhe El sistema SCADA de la estación de sobrealimentación está compuesto por el centro de control de despacho. El centro de control de despacho completa las tareas de monitoreo, despacho y gestión de todas las estaciones y grupos de válvulas a lo largo de la tubería.
Teniendo en cuenta los requisitos de seguridad y confiabilidad de todo el sistema, todas las partes importantes del sistema SCADA se configuran de forma redundante. Cuando ocurre una falla, puede cambiar automáticamente y hacer una copia de seguridad de los datos del sistema. De manera similar, todos los puntos AO, puntos DO y algunos puntos AI importantes de la RTU se configuran de forma redundante.
El sistema de control de la estación también comunica datos con equipos de terceros en el sitio. Todos los dispositivos de terceros tienen la capacidad de comunicarse con RTU. La interfaz de comunicación es estándar Modbus-RTU. Durante el proceso de comunicación, la RTU actúa como estación maestra y el tercer dispositivo actúa como estación esclava. La RTU lee los parámetros operativos de estos equipos en el sistema SCADA como referencia en producción, operación y mantenimiento. Cuando la RTU se conecta a equipos de terceros, se utiliza un servidor de terminal, que se utiliza especialmente para la conexión perfecta desde el puerto serie a Ethernet. Permite que los dispositivos de puerto serie se comuniquen directamente con dispositivos de red sin la necesidad de un desarrollo secundario de software o hardware. Proporciona un método de transmisión conveniente para que los dispositivos de puerto serie se conecten a Ethernet y puede realizar una transmisión de datos bidireccional entre el puerto serie y. Puerto Ethernet para gestionar de forma centralizada los dispositivos de puerto serie. El servidor de terminal conecta todos los dispositivos serie Modbus RS485 dispersos en el sitio a través de puertos serie y se conecta a la red RTU a través de TCP/IP.
El método de comunicación entre la boca de pozo y el grupo de válvulas y el sistema de control de la estación de recolección de gas se basa en los diferentes entornos naturales y cobertura de red de los operadores móviles, con el propósito de reducir al máximo los costos cumpliendo con el sistema. requisitos. La comunicación GPRS de menor costo debe usarse en áreas con cobertura de señal móvil, la comunicación de red de transmisión inalámbrica debe usarse en áreas sin cobertura de señal móvil y terrenos difíciles, y la comunicación por cable óptico debe usarse en los casos en que las carreteras troncales de comunicación y los volúmenes de transmisión de datos son grandes. La estructura del sistema SCADA se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Diagrama de estructura del sistema SCADA
2.3 Comunicación del sistema SCADA
2.3.1 Comunicación GPRS
Comunicación GPRS comúnmente utilizada en la industria. El principio se muestra en la Figura 2.
Los usuarios empresariales envían datos a la estación base de la empresa móvil a través del módulo GPRS. La estación base de la empresa móvil envía los datos directamente al usuario empresarial a través de Internet a través del conmutador según la dirección de envío de datos (IP fija). dirección) especificada en el paquete de datos recibido.
GPRS se basa en el servicio general de radio por paquetes proporcionado por GMS en la Fase 2+. Utiliza tecnología IP inalámbrica basada en el modo de transmisión de paquetes para transmitir datos a alta velocidad de manera eficiente. GPRS admite el protocolo TCP/IP y el protocolo X.25 más utilizados en Internet, asigna direcciones IP dinámicas a los terminales de la red y accede a Internet a través de GGSN. Los usuarios pueden acceder directamente a sitios de Internet. La transmisión de datos a través del canal PDCH tiene una tasa de transmisión 65.438+00 veces mayor que GSM y un costo 65.438+0/6 o incluso menor. La velocidad de transmisión máxima teórica es 65, 438+0, 765, 438+0,2 kbit/s, lo que tiene las ventajas de estar "siempre en línea" y cargos bajos.
Las funciones principales de GPRS:
(1) Define diferentes servicios, como servicio sin conexión punto a punto, servicio orientado a conexión punto a punto y servicio punto a -servicio de multidifusión de puntos.
(2) Define un nuevo canal inalámbrico GPRS con método de asignación flexible. A cada trama TDMA se le pueden asignar de 1 a 8 intervalos de tiempo de interfaz inalámbrica, que pueden ser disfrutados por usuarios dinámicos, con asignación independiente de enlace ascendente y descendente.
(3) Puede admitir transmisión de datos en ráfagas intermitentes y transmisión de datos grandes ocasionales; admite cuatro niveles de QOS diferentes y puede reanudar la retransmisión de datos en 0,5 ~ 1 segundo.
(4) Utilizando tecnología de conmutación de paquetes, la capa central adopta tecnología IP para proporcionar un enlace perfecto con la red existente.
2.3.2 Comunicación de red de transmisión inalámbrica
La transmisión inalámbrica adopta el método de respuesta maestro-esclavo y la estación maestra utiliza la red inalámbrica para emitir comandos. Luego de recibir el comando, la estación esclava realiza la operación correspondiente y genera una respuesta. La respuesta puede ser datos o información del sistema. Como se muestra en la Figura 3.
Figura 2 Esquema de comunicación GPRS
Figura 3 Diagrama de estructura de la red de transmisión inalámbrica
Esta solución utiliza principalmente nodos para construir una red troncal de malla inalámbrica con una red de velocidad de comunicación muy rápida. , y esta red troncal inalámbrica se organiza y repara automáticamente y admite diversas aplicaciones inalámbricas e instrumentos de campo de varios protocolos de comunicación. Los instrumentos inalámbricos de campo pueden elegir automáticamente comunicarse con cualquier nodo y tener capacidades de autoorganización y autorreparación. Sin embargo, los instrumentos de campo no tienen capacidades de enrutamiento. Normalmente, cualquier nodo puede servir como puerta de enlace o implementar simultáneamente la integración de datos con DCS. El transmisor inalámbrico funciona con baterías, tiene comunicaciones de espectro extendido y salto de frecuencia, utilizando la banda de frecuencia pública de 2,4 GHz. La distancia máxima de comunicación entre nodos puede alcanzar los 10 km.
La ventaja de esta solución es que debido a la red troncal de malla rápida construida por los nodos, la velocidad de actualización del transmisor inalámbrico puede ser muy rápida, generalmente una vez cada 1 segundo o 0,25 segundos, y porque el El transmisor inalámbrico solo necesita Los datos se pueden transmitir a una red troncal inalámbrica con una velocidad de comunicación muy rápida en un solo salto, por lo que el retraso de comunicación de toda la red también es muy corto.
Debido a que cada transmisor inalámbrico no actúa como ruta para otros transmisores, la duración de la batería es muy larga, alcanzando los 5 años a temperatura ambiente con una actualización de 1 segundo. Y como no hay función de enrutamiento, el voltaje de la batería no solo puede mostrar alarmas en cualquier momento, sino también predecir la duración de la batería.
Debido a las ventajas de la arquitectura general, la escala de la red es muy flexible y la cantidad de tablas inalámbricas admitidas por una red puede llegar a miles.
2. 3. 3 Integración de comunicaciones del sistema SCADA
Para mejorar la aplicabilidad del sistema, es necesario desarrollar varios métodos de comunicación basados en cables ópticos, GPRS y redes de transmisión inalámbrica. integrado orgánicamente en el sistema SCADA en un sistema SCADA completo. Hay muchos casos exitosos de integración de sistemas basados en cableado y GPRS en ingeniería, por lo que no entraré en detalles aquí.
La red de transmisión inalámbrica es un concepto de comunicación completamente nuevo que abandona el método de comunicación del sistema SCADA tradicional desde el instrumento principal hasta la RTU y el sistema de control de la estación, y adopta un método de comunicación directa desde el transmisor inalámbrico al nodo multifunción. método de comunicación. Al instalar nodos multifunción inalámbricos en la estación de recolección de gas, se pueden integrar en toda la red de transmisión inalámbrica. Los nodos multifunción inalámbricos instalados en la estación de recolección de gas pueden comunicarse directamente con el sistema informático principal.
La red de transmisión inalámbrica también es un complemento eficaz de todo el sistema SCADA. Cuando la RTU no puede enviar datos a la computadora host debido a una falla en la línea de comunicación, se puede instalar temporalmente un nodo multifunción inalámbrico en la RTU para cargar los datos de proceso generados por la RTU debido a la falla en la línea de comunicación a la computadora host a través de la red de transmisión inalámbrica.
3 Funciones del sistema SCADA
3.1 Funciones de control de producción del sistema
El grupo de válvulas RTU y la red de transmisión inalámbrica son responsables de transmitir los parámetros del proceso de cada producción de metano de carbón. pozo y grupo de válvulas cargados en el sistema de control de la estación en tiempo real;
El sistema de control de la estación es responsable de recibir los parámetros del proceso enviados por el cabezal del pozo y el grupo de válvulas a través de varios métodos y, al mismo tiempo, emitir el control. instrucciones. El sistema de control de la estación también completa la detección y el control de los parámetros del proceso de la estación de recolección de gas. Los detalles son los siguientes:
3.1.1 Función de recopilación de datos
Incluyendo temperatura, presión, nivel de líquido, concentración de metano en lecho de carbón, contenido de agua, etc.
3.1.2 Alarmas y enclavamientos
Alarmas de parámetros de producción, como alarmas de alto nivel de líquido y alarmas de alta concentración de metano en lechos de carbón, alarmas de falla de equipos, como alarma y juicio de falla de válvula eléctrica; , Monitoreo y alarma de llama de horno de calefacción, etc. Alarma de anomalía del proceso en sitio.
3.1.3 Interfaz hombre-máquina y teclado
Visualización de datos de recopilación, visualización de alarmas, monitorización de procesos, configuración de parámetros, etc. A través de la interfaz hombre-máquina y el teclado, se pueden realizar operaciones y configuraciones de monitoreo en el sitio.
3.1.4 Interfaz de comunicación
Al comunicarse con el centro de control a través de la línea de comunicación, es posible cargar los datos recopilados en la estación, medir, cargar resultados de monitoreo, descargar parámetros ajustes de la sala de control central, etc. La operación remota permite grupos de válvulas y cabezales de pozo desatendidos.
3.2 Funciones de gestión de datos del sistema
El software suele utilizar protocolos de comunicación estándar y abiertos. El software RTU, PLC y DCS escribe datos en la base de datos en tiempo real a través de ODBC, ADO o interfaz directa de base de datos.
3.2.1 Mantenimiento de datos del sistema
Por ejemplo, información utilizada para el mantenimiento interno de los sistemas SCADA y DCS, así como información de seguridad operativa para el equipo de operación de la sala de control central, etc. .
3.2.2 Mantenimiento de datos básicos del sitio
El mantenimiento de la base de datos básica garantiza que la información interna del sistema MIS sea coherente con la situación de producción real.
Recopilación dinámica de información
La recopilación dinámica de datos incluye datos históricos como temperatura, presión, caudal y concentración de gas natural en cada sitio, así como los resultados de las mediciones de producción de cada petróleo. Bueno.
Procesamiento y análisis de datos
Analizar y procesar datos anormales en producción.
Salida del informe
3.3 Publicación de datos del sistema
El sistema de base de datos en tiempo real se combina con datos WEB y un sistema GIS (Sistema de Información Geográfica) para realizar la producción. intercambio de información del sistema de campo de metano de lecho de carbón para mejorar el nivel de aplicación de información y gestión de producción.
4 Conclusión
Este sistema se ha desarrollado en el Proyecto Nacional de Demostración de Industrialización de Alta Tecnología de Metano de Capas de Carbón de China United Coalbed Mtane Co., Ltd. y ha logrado buenos resultados de aplicación:
(1) Debido al uso de una variedad de tecnologías de transmisión de datos, la inversión del proyecto se reduce y el ciclo de construcción se acorta.
(2) La aplicación de la tecnología de red de transmisión inalámbrica hace posible el monitoreo por video en boca de pozo, juega un papel importante en la producción segura y acorta el ciclo de construcción del proyecto.
(3)3) La aplicación exitosa del sistema SCADA ha permitido que la tasa de operación no tripulada en la estación alcance el 89%, la transmisión de datos del sistema fuera de la estación sea del 100%, la tasa del pozo de inspección ha se ha reducido en un 67% y la intensidad laboral se ha reducido considerablemente.
Referencia
Chen Yinsheng. 2005. Construcción y aplicación de un sistema de automatización de estación de control centralizado [J]. Electric Power Construction, 47(12):67268
Ma Dexin, Sun.
2008. Sistema de control automático de tuberías de gas natural licuado de Guangdong Dapeng[J]. Automatización petroquímica, 44(1):49~254
Sun Maoyuan. Liu Yijun. 2009. Nuevos avances en la industria del metano de carbón de China. industria del gas natural.
3.