小議基于以太網技術的油田監控系統

屈會玉

摘要:隨著以太網的迅速發展，其已成為事實上的工業標準。油井管理作為油田生產管理的關鍵環節，距離中控室較遠的油井便利用以太網進行無線通信，實現井口與監控工作站的通信。本文簡單介紹了以太網應用于工控領域的優勢，并對利用以太網進行油田通信的設計方案進行了探討。

關鍵詞: 以太網;無線通信;工控領域

1 以太網概述

以太網是IEEE802.3所支持的局域網標準，最早由Xerox公司開發，DEC公司、Intel公司和Xerox公司聯合擴展，成為以太網標準。按照ISO開放系統互連參考模型的7層結構，以太網標準只定義了鏈路層和物理層。作為一個完整的通信系統，它需要高層協議的支持。以太網的媒介訪問控制協議(CSMA/CD)有無法預見的延遲特性:節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發送后，還需要檢查是否發生碰撞，信息如發生碰撞，等待一段隨機長度的時間后重新發送。16次碰撞后，控制器將停止發送并向節點微處理器回報失敗信息。以太網的這種機制導致了非確定性的產生。因為在一系列碰撞后，報文可能會丟失，節點與節點之間的通信將無法得到保障，從而使控制系統需要的通信確定性和實時性難以保證。這也正是長期阻礙以太網進入工業控制領域的主要障礙。

2 以太網應用于工控領域的優勢

控制技術與計算機及網絡技術的緊密結合，促使傳統控制系統向現場總線控制網絡發展。以太網和TCP/IP也隨著控制技術與信息技術的結合進入到過程控制領域。其優勢主要體現在以下方面。

成本低和技術支持廣泛。以太網已被使用多年，具有大量的軟、硬件資源和開發設計經驗。絕大多數網絡產品均提供以太網接口，目前以太網網卡的價格只有Profibus,FF等現場總線網卡的1/l0，而且隨著集成電路技術的發展，其價格還會進一步下降。以太網有豐富的軟、硬件支持，有大量從事開發和維護的技術人員。

通信速率高。以太網發展速度，從lOMbPs, 100MbPs己發展到千兆以太網。由于高速以太網的幀格式不變，使之向下兼容，升級成本低，因此以太網是理想的高性能網絡載體。

實現網絡的無縫連接。在以太網上使用TCP/IP，其開放性可以使測控網和信息網統一起來。現場信號可以在企業的Intranet上及時發布和共享，還可以在Internet/Intranet的任何位置對現場智能設備進行在線控制、功能組態以及遠程診斷等，實現網絡控制系統真正意義上的開放性和互操作性。

可持續發展潛力大。由于以太網的廣泛應用，使它的發展一直受到廣泛的重視和大量的技術投入;并且，在這信息瞬息萬變的時代，企業的生存與發展將很大程序上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續向前發展。

因此，如果工業控制領域采用以太網作為現場設備之間的通信網絡平臺，可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術的發展主流之外，從而使現場總線技術和一般網絡技術互相促進，共同發展，并保證技術上的可持續發展，在技術升級方面無需單獨的研究投入。這一點是任何現有現場總線技術所無法比擬的。

3基于以太網的油田監控系統整體設計

3.1系統設計方案

整個系統分成三級，即現場級、監控級和管理級。抽油機、注水終端、自動計量終端等RTU為該系統的最底層，構成了系統的現場級，完成動態數據的采集、應急處理、數據傳送、狀態反饋和故障報警等。中心控制室建立在采油小隊里，其完成對該小隊管轄內的所有抽油機、計量站的油、水井終端和自動計量的參數設置，現場各類控制信息的采集、儲存、分析、診斷，可即時監測和控制所有遠程終端，其構成了系統的監控級。采油廠和作業區通過撥號方式登錄數據服務器，構成系統的管理級，實現向企業決策者提供及時、可靠的油井信息，幫助決策者對油藏工程、采油工程、地面工程和生產管理等各方面進行量的分析和論證，從而對油井開發做出科學的決策。整套系統采用基于PC的控制方式，使用Windows 2000/NT作為操作系統，使用TCP/IP作為通信協議，以太網向下延伸直接應用于現場設備之間的通信。

3.2 系統的硬件

目前，在其他已建立的油田監控系統中，基本上都是采用專用總線傳輸數據，而油井的傳輸大都采用數傳電臺，這樣，系統的硬件費用非常昂貴，整個系統沒有良好的開放性，并且傳輸速率較低。鑒于以太網已在信息領域普遍使用，價格相對便宜，而且工業以太網的發展也日趨成熟，目前己有多種以太網控制器進入市場。我們采用以太網控制器作為RTU，以太網作為低層控制網絡。

系統的硬件構成。在基于以太網的監控系統中，我們以美國Optimation公司的OptiLogic以太網RTU(lOMbps)作為油井和計量站數據采集及操作控制的智能終端設備，選用臺灣Macromate公司的無線以太網路由器和無線以太網橋作為采油小隊與油井之間的無線通信設備，它采用直擴DSSS的傳輸方式，速率可達11Mbps，支持TCP/IP協議標準。工作頻段為2.4GHz ISM自由頻段，該范圍是不受無線電管理委員會限制的頻道。同時，這種頻率段不易受干擾影響。

通過井口架設定向天線和采油小隊架設全向天線，就可實現井口與監控工作站的通信。姊妹井共用一套RTU及無線通信設備，6#RTU因為離中控室較近，用同軸細纜通過HUB與交換機相連，計量站與小隊間采用線纜方式連接。中控室的交換機將監控工作站和各路設備連接起來。通過交換機的VLAN(虛擬局域網)功能，將監控工作站和其他端口之間分別設為VLAN,減少了不必要的廣播流量和數據沖突。

無線以太網。利用MAP811和MAP811E組成的WLAN包括接入點和站，只有AP和站之間才能通信。通過架設的天線便可進行通信。MAP811和MAP811E都帶有與工EEE802.3有線局域網的接口，可以讓無線終端同有線局域網通信。

無線局域網技術正得到快速的發展和應用。與有線網絡相比，WLAN具有安裝便捷、移動性好、使用靈活、易于擴展等優點，可以為不易布線的地方和遠距離的數據處理節點提供強大的網絡支持。對于ISM波段的通信機來說，只要功率及帶外輻射滿足要求，使用者無須向無線電管理部門申請使用許可證，在中國先后開放2.4G和5.8G作為ISM頻點。系統中采用的Macromate公司的MAP811和MAP811E符合IEEE802.11無線局域網技術標準。它在MAC層采用載波監聽多路訪問/沖突避免技術(CSMA/CA)來控制傳輸介質，一方面載波監聽查看介質是否空閑，當介質被監聽到空閑時，則優先發送；另一方面，通過隨機的等待時間，使訪問沖突發生的概率盡可能的小。

以太網RTU。監控系統中采用的RTU是美國Optimation公司的OptiLogic以太網控制器，在控制器基架上可任意拼裝各種輸入輸出模塊，如開關量輸入DI、開關量輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、脈沖計數輸入PI、串口RS-232C等模塊，配置非常靈活而且結構緊湊、易于擴展。

RTU基架需外接24VDC開關電源(0.7A以上)，基架上提供RJ45以太網接口和RJ12串口RS-232C接口各一個，分別用于以太網(lOMbps)通訊連接和串行通訊(RS-232C或RS485/422轉換接口)連接智能儀表。

OptiLogic RTU可以設在系統任何地方的接口點上，它們將通過以太網鏈接到主監控PC機而進行通訊，一個系統可以很容易地由1到99臺RTU合并組成，多于99臺的RTU可以通過某種擴展配置得到解決。

主監控PC機將通過以太網通訊鏈路與每臺RTU進行通訊，鏈接的數據速率達到lOMbps在這種速率下，即便是一個很大的系統在主機和RTU之間傳送所有需要的數據也僅僅是毫秒級的時間。借助這種通訊方式，可以在中央PC機上實時地監控距離超過數公里的大型系統。為確保以太網通訊，將OptiLogicRTU連接到基于PC的控制系統時采用獨立的網絡連接。

參考文獻

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[2]張亮，無限局域網中流媒體業務的監測與控制，計算機應用研究，2003.

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