基于LonWorks《采油廠管控一體化網(wǎng)絡(luò)》研究

張樂(lè)芳，陳建鐸

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

目前，我國(guó)多數(shù)油田的采油作業(yè)仍然是人工操作。僅有少數(shù)采油廠的個(gè)別采油站實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)控，而全套設(shè)備由國(guó)外引進(jìn)，價(jià)格昂貴。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求，提高采油廠生產(chǎn)與管理的水平，我們進(jìn)行了基于LonWorks《采油廠管控一體化網(wǎng)絡(luò)》的研究。為了與實(shí)際結(jié)合，我們以華池某采油站為目標(biāo)，進(jìn)行管控一體化網(wǎng)絡(luò)方案的研究，使企業(yè)能夠以控制集成、信息集成的觀點(diǎn)組織生產(chǎn)和管理，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

針對(duì)采油廠的一個(gè)采油站，每天的生產(chǎn)控制與管理可歸納為以下幾個(gè)方面：

1）數(shù)據(jù)采集：采集每條輸油管內(nèi)原油的壓力、溫度、流量，儲(chǔ)油罐內(nèi)液位、溫度，原油中的含水量以及采油站原油總輸入與輸出量等。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控：控制采油站各設(shè)備的運(yùn)行狀況，包括各壓力、溫度、流量傳感器及儲(chǔ)油罐液位計(jì)的信號(hào)采集，含水分析儀的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)電動(dòng)閥和調(diào)頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)流量控制。

3）數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集到的壓力、溫度、液位、流量、含水量等參數(shù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)，并生成實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表。

4）資料存儲(chǔ)：自動(dòng)設(shè)置各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集與保存期限，使各種數(shù)據(jù)按時(shí)采集，定期保存，按時(shí)段生成歷史數(shù)據(jù)的分析報(bào)表及相應(yīng)的報(bào)警信息。比如當(dāng)壓力、溫度、液位處于臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

5）遠(yuǎn)程控制：一方面自動(dòng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制；另一方面使管理人員使用鼠標(biāo)可在遠(yuǎn)程屏幕所顯示的工況圖上對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟度、變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制相應(yīng)部位原油的流量。

上述管控功能采用LonWorks技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。文中主要介紹LonWorks技術(shù)和該管控一體化網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)、底層現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的建立、軟件功能及上層管控操作。

1 LonWorks技術(shù)

LonWorks技術(shù)主要由基于網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)工具LonBuilder、基于節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的工具Nodebuilder和LonManager組成。其中LonBuilder是一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括LonManager DDE服務(wù)器和單通道LonTalk適配器（PCLTA）；NodeBuilder包括PCNSS PC接口卡及多種節(jié)點(diǎn)和模塊，與LonBuilder配合使用，用于LonWorks前端節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)、連接和使用；LonManager主要包括 LonManager DDE、LonManager Profile、LonMark 和LonManager協(xié)議分析儀，用于節(jié)點(diǎn)映像、網(wǎng)絡(luò)安裝、配置、維護(hù)和監(jiān)測(cè)。

以后，Echelon公司又推出了i.Lon100/500，有多種版本，是由Echelon公司和CISCO Systems公司、微軟公司、Sun Microsystems公司共同開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，包含上述多種功能，既是高性能的網(wǎng)絡(luò)接口，又是節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具，可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與以太網(wǎng)的連接。i.Lon100/500 Internet服務(wù)器提供進(jìn)程管理、數(shù)據(jù)記錄、信號(hào)檢測(cè)與報(bào)警以及信號(hào)發(fā)送等功能，既是路由器又是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器，可以分布式的技術(shù)把LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備連接在一起，供Internet上的用戶訪問(wèn)。因此，它為用戶提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接與節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持管控一體化網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

2 總體結(jié)構(gòu)與功能

2.1 硬件設(shè)備與連接

針對(duì)采油站的生產(chǎn)流程和管控需求，我們采用三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。上位機(jī)監(jiān)控整個(gè)采油站現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、信息存儲(chǔ)、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等功能；中間層網(wǎng)絡(luò)適配器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，把控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，同時(shí)把上位機(jī)的控制命令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，中間層接口卡選用PCLTA-10，插在PC機(jī)的插槽中；向下通過(guò)i.Lon100連接底層現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的各前端智能節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)連接各傳感器/變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與控制，其示意如圖1所示，前端測(cè)控設(shè)備如表1所示。根據(jù)需要，可在上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)上配置打印機(jī)和大屏幕顯示器[2-3]。

圖1 總體硬件連接示意圖Fig.1 Connection diagram of overall hardware

表1 設(shè)備清單Tab.1 Equipment list

參考采油站現(xiàn)有生產(chǎn)油井以及工藝流程，該方案對(duì)于從井口到原油輸出的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。為了監(jiān)測(cè)油井和輸入管道的相關(guān)參數(shù)，在每條管道的入口安裝壓力、溫度傳感器/變送器及流量計(jì)，由一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)控制，在每條輸油管道上安裝溫度變送器、壓力變送器和流量變送器，通過(guò)調(diào)頻電機(jī)（泵）和電動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)管道中原油的壓力和流量，調(diào)速與電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟共用一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)控制。該采油站有12條輸入管道，匯集到一起，經(jīng)換熱系統(tǒng)后進(jìn)入油氣水分離器，分離后的原油引入含水分析儀。每臺(tái)含水分析儀配置一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，分析原油中的含水量。油氣水分離器安裝有壓力、溫度傳感器/變送器，由一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)控制。分離后的原油打入兩個(gè)儲(chǔ)油罐，以備外輸?shù)郊斦尽?/p>

分離出的水注入地下，可燃?xì)怏w送鍋爐燃燒。在儲(chǔ)油罐的前端設(shè)置加壓泵，頂部設(shè)置雷達(dá)液位計(jì)，出口端設(shè)置電動(dòng)閥門(mén)。加壓泵、出口電動(dòng)閥、液位計(jì)共用一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)液位，控制輸出流量。若液位過(guò)高，超過(guò)報(bào)警線，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開(kāi)啟度。采油站的原油外輸?shù)郊斦救r(shí)，也要進(jìn)行壓力檢測(cè)和原油計(jì)量。為此在輸油管的輸出口亦安裝壓力、溫度傳感器、流量計(jì)，監(jiān)測(cè)輸出管道的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行輸出計(jì)量和調(diào)節(jié)控制。對(duì)于注入的地下水和鍋爐燃?xì)獾膲毫?、溫度及?jì)量亦設(shè)有專門(mén)的傳感器/變送器和流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。所有采集到的數(shù)據(jù)由相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)保存，定時(shí)傳送給上位機(jī)中。

在底層，由智能節(jié)點(diǎn)連接各傳感器/變送器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)，然后通過(guò)i.lon 100與采油站的PC服務(wù)器連接，再通過(guò)PC服務(wù)器與采油廠的Intranet連接，從而構(gòu)成采油站管控一體化的網(wǎng)絡(luò)體系。

采油站底層控制網(wǎng)絡(luò)既可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，又可接收上層監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使采油站的底層設(shè)備和上層的信息管理系統(tǒng)成為一體。由于所有的傳感器、變送器、調(diào)頻電機(jī)及電動(dòng)閥門(mén)等測(cè)控設(shè)備都配置LonWorks智能節(jié)點(diǎn)，分配ID（經(jīng)認(rèn)證后，成為IP）地址。因此Internet上的授權(quán)用戶可訪問(wèn)每一臺(tái)測(cè)控裝置[4]。

2.2 智能節(jié)點(diǎn)

智能節(jié)點(diǎn)可采用兩種組織結(jié)構(gòu)：一種是基于Neuron（神經(jīng)元）芯片的現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)，其應(yīng)用程序直接在Neuron芯片的CPU上運(yùn)行；另一種是基于主機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)，它的應(yīng)用程序在附加的主處理器上運(yùn)行，而Neuron芯片只負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但功能有限；后者功能強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高?？紤]到本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)所要完成的功能比較簡(jiǎn)單，所以采用基于Neuron芯片的現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)[5]。

智能節(jié)點(diǎn)的核心技術(shù)是將LonTalk協(xié)議集成到Neuron芯片中。Neuron芯片有3個(gè)8位CPU，其中一個(gè)是介質(zhì)訪問(wèn)控制處理器，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)處理器，另外一個(gè)是應(yīng)用處理器。在安裝完成后，節(jié)點(diǎn)可以脫離上層管理工具，自行完成數(shù)據(jù)采集與處理，可實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制與調(diào)節(jié)。智能節(jié)點(diǎn)的主要功能如下：

1）4通道模擬量輸入，輸入信號(hào) 0~5 V或 4~20 mA，A/D轉(zhuǎn)換12位。

2）2通道模擬量輸出，輸出信號(hào) 0~5 V或 4~20 mA，D/A轉(zhuǎn)換12位。

3）2通道數(shù)字量（觸點(diǎn)或電平）輸入。

4）2通道開(kāi)關(guān)量輸出。

圖2 系統(tǒng)軟件功能Fig.2 System software function

3 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，即上層監(jiān)控程序和前端智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與控制程序。在上層采用組態(tài)軟件構(gòu)成監(jiān)控界面，由i.lon 100 Internet Server實(shí)現(xiàn)上層系統(tǒng)管理。在下層使用Neuron C編程。系統(tǒng)監(jiān)控軟件如圖2所示，分為5個(gè)部分，即監(jiān)控系統(tǒng)、用戶管理、曲線、報(bào)表與報(bào)警。

3.2 監(jiān)控界面

上層監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)采油站工藝流程設(shè)計(jì)的，由程序自動(dòng)完成。對(duì)外，所有的監(jiān)控功能反映到桌面上的工藝流程圖上。工藝流程圖主界面如圖3所示，由組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，分為原油輸入?yún)^(qū)、換熱區(qū)、油水氣分離區(qū)、輸出計(jì)量區(qū)等區(qū)域。用鼠標(biāo)單擊某一區(qū)域，可看到現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)布局圖與工作狀況，其中原油輸入?yún)^(qū)流程圖如圖4所示[6-7]。

在進(jìn)入每一個(gè)區(qū)域后，通過(guò)鼠標(biāo)操作可顯示每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)啟度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、原油輸入輸出流量以及鍋爐溫度等參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制。還可顯示各類(lèi)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，生成報(bào)表，并且可按特殊要求實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并對(duì)事故進(jìn)行分析。如果用鼠標(biāo)單擊某一節(jié)點(diǎn)，則顯示該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，亦可對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)或控制。

圖3 采油廠工藝流程總貌示意圖Fig.3 General process sketch map in oil production plant

在與圖3類(lèi)似的各個(gè)工藝流程窗口中都設(shè)置有14個(gè)菜單。通過(guò)菜單操作，可進(jìn)行圖2所示的全部監(jiān)測(cè)與控制功能。

4 上層監(jiān)控系統(tǒng)

上層管控軟件是在Visual C#.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。管理員操作時(shí)，首先在監(jiān)控界面的對(duì)話框中，輸入由i.Lon 100為某節(jié)點(diǎn)分配的IP地址，以確定上層監(jiān)控軟件與該節(jié)點(diǎn)建立通信聯(lián)系，然后該節(jié)點(diǎn)可接收上層監(jiān)控命令。數(shù)據(jù)采集時(shí)，設(shè)有兩種方式，即自動(dòng)和手動(dòng)采集方式。所謂自動(dòng)，是由程序自動(dòng)定時(shí)進(jìn)行；所謂手動(dòng)，是通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)操作來(lái)進(jìn)行。采集到的數(shù)據(jù)在界面上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在下發(fā)控制命令時(shí)，也采用兩種方式，即自動(dòng)和手動(dòng)發(fā)送方式。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后下發(fā)控制命令，調(diào)節(jié)前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制命令的發(fā)出，在編程前需要添加ilon 100的web引用，借助i.Lon 100服務(wù)器提供的兩個(gè)函數(shù) DataPointWrite（）和DataPointRead（）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作[8]。

圖4 原油輸入口Fig.4 Crude oil input port

DataPointWrite（）函數(shù)能夠把監(jiān)控程序下發(fā)的控制命令寫(xiě)入到底層控制網(wǎng)絡(luò)中，函數(shù)格式如下：

其中：UCTPpointName表示寫(xiě)入數(shù)據(jù)的變量名；UCPTfieldname表示字段名，如果不是一個(gè)結(jié)構(gòu)，該值就為空；UCPTvalue表示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)值；UCPTpropagate表示如果該值為1，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上廣播；UCPTpriority表示設(shè)定的優(yōu)先級(jí)，在0到255之間。

DataPointRead（）函數(shù)能夠把底層控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集到上層監(jiān)控軟件中，函數(shù)格式如下：

其中：UCTPpointName表示讀入數(shù)據(jù)的變量名；UCPT fieldname表示字段名，如果不是一個(gè)結(jié)構(gòu)，該值就為空。

5 結(jié) 論

通過(guò)文中分析，在采油廠建立管控一體化的網(wǎng)絡(luò)體系是必要的，也是可行的。它可以使企業(yè)能以控制集成、信息集成的觀點(diǎn)組織生產(chǎn)和管理。而且，還可以與企業(yè)的Internet連接，有利于管理、控制和運(yùn)營(yíng)。

[1]Echelon.LonMaker for Windows Release 3.1 User’s Guide.[S].USA:Echelon Corporation，2002.

[2]陳建鐸.基于LonWorks/iLon100現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2006（1）：59-63.

CHEN Jian-duo.Structure and implementation of fieldsus control network on LonWorks[J].Journal of Detection&Control，2006，（1）：59-63.

[3]王艷君，陳建鐸.基于LonWorks技術(shù)的水廠全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（11）：96-99.

WANG Yan-jun，CHEN Jian-duo.Research of Waterworks’whole distribution integrative managementand control network on LonWorks[J].Electronic Design Engineering，2012（11）:96-99.

[4]陳建鐸，張樂(lè)芳.水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)前端測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2102（10）：88-90.

CHEN Jian-duo，ZHANG Le-fang.Design and Implementation of front observation and control system to Waterworks’full distribution integrative management and control network[J].Electronic Design Engineering， 2012（10）:88-90.

[5]王艷君，陳建鐸.基于LonWorks水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)前端智能節(jié)點(diǎn)的配置與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2102，（16）：77-80.

WANG Yan-jun，CHEN Jian-duo.Configuration and implementation of Front-end intelligent node to Waterworks’ whole distribution integrative management and control network on LonWorks[J].Electronic Design Engineering，2012（16）:77-80.

[6]張樂(lè)芳，陳建鐸.基于LonWorks技術(shù)的全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2102（12）：156-159.

ZHANG Le-fang，CHEN Jian-duo.Design and Implementation ofupperlevels controlsystem to whole distribution integrative management and control network on LonWorks[J].Electronic Design Engineering，2012（12）:156-159.

[7]李言武，陳建鐸.世紀(jì)星組態(tài)軟件在工業(yè)過(guò)程控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（8）：132-133.

LI Yan-wu，CHEN Jian-duo.Application of the centurystar configuration software in industrial process control system[J].Modern Electronics Technique，2007（8）：132-133.

[8]程啟文，陳建鐸.Lon網(wǎng)絡(luò)中上位機(jī)與智能節(jié)點(diǎn)通信方式的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005（7）：168-170.

CHENG Qi-wen，CHEN Jian-duo.Research and implementation of communication between supervisor and intelligent nodes in LonWoeks network[J].Microelectronics&Computer，2005（7）：168-170.