基于LonWorks《采油廠管控一體化網絡》研究

張樂芳，陳建鐸

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

目前，我國多數油田的采油作業仍然是人工操作。僅有少數采油廠的個別采油站實現了自動監控，而全套設備由國外引進，價格昂貴。為了適應現場需求，提高采油廠生產與管理的水平，我們進行了基于LonWorks《采油廠管控一體化網絡》的研究。為了與實際結合，我們以華池某采油站為目標，進行管控一體化網絡方案的研究，使企業能夠以控制集成、信息集成的觀點組織生產和管理，節約成本，提高生產效率。

針對采油廠的一個采油站，每天的生產控制與管理可歸納為以下幾個方面：

1）數據采集：采集每條輸油管內原油的壓力、溫度、流量，儲油罐內液位、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）實時監控：控制采油站各設備的運行狀況，包括各壓力、溫度、流量傳感器及儲油罐液位計的信號采集，含水分析儀的數據采集，通過電動閥和調頻電機實現流量控制。

3）數據處理：對采集到的壓力、溫度、液位、流量、含水量等參數自動記錄存儲，并生成實時曲線、歷史曲線和數據報表。

4）資料存儲：自動設置各種監控數據的采集與保存期限，使各種數據按時采集，定期保存，按時段生成歷史數據的分析報表及相應的報警信息。比如當壓力、溫度、液位處于臨界值時，發出報警信號，并進行相應的處理。

5）遠程控制：一方面自動實現現場過程控制；另一方面使管理人員使用鼠標可在遠程屏幕所顯示的工況圖上對電動閥門的開啟度、變頻電機的轉速進行調節，控制相應部位原油的流量。

上述管控功能采用LonWorks技術來實現。文中主要介紹LonWorks技術和該管控一體化網絡的總體結構、底層現場總線網的建立、軟件功能及上層管控操作。

1 LonWorks技術

LonWorks技術主要由基于網絡的開發工具LonBuilder、基于節點開發的工具Nodebuilder和LonManager組成。其中LonBuilder是一個開發平臺，包括LonManager DDE服務器和單通道LonTalk適配器（PCLTA）；NodeBuilder包括PCNSS PC接口卡及多種節點和模塊，與LonBuilder配合使用，用于LonWorks前端節點的開發、連接和使用；LonManager主要包括 LonManager DDE、LonManager Profile、LonMark 和LonManager協議分析儀，用于節點映像、網絡安裝、配置、維護和監測。

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公司共同開發的產品，包含上述多種功能，既是高性能的網絡接口，又是節點開發工具，可簡單方便地實現LonWorks網絡設備與以太網的連接。i.Lon100/500 Internet服務器提供進程管理、數據記錄、信號檢測與報警以及信號發送等功能，既是路由器又是符合工業標準的Web服務器，可以分布式的技術把LonWorks網絡上的智能設備連接在一起，供Internet上的用戶訪問。因此，它為用戶提供了一個經濟、可靠的網絡連接與節點開發平臺，支持管控一體化網絡的開發與實現。

2 總體結構與功能

2.1 硬件設備與連接

針對采油站的生產流程和管控需求，我們采用三級體系結構。上位機監控整個采油站現場生產流程，實現數據處理、信息存儲、報警、遠程控制等功能；中間層網絡適配器負責數據的上傳下達，把控制網絡的數據上傳到上位機，同時把上位機的控制命令下發到現場控制網絡，中間層接口卡選用PCLTA-10，插在PC機的插槽中；向下通過i.Lon100連接底層現場控制網絡的各前端智能節點，再通過智能節點連接各傳感器/變送器、執行機構，實現現場數據的采集與控制，其示意如圖1所示，前端測控設備如表1所示。根據需要，可在上位監控計算機上配置打印機和大屏幕顯示器[2-3]。

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

表1 設備清單Tab.1 Equipment list

參考采油站現有生產油井以及工藝流程，該方案對于從井口到原油輸出的整個過程進行監控。為了監測油井和輸入管道的相關參數，在每條管道的入口安裝壓力、溫度傳感器/變送器及流量計，由一個智能節點控制，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，通過調頻電機（泵）和電動閥門調節管道中原油的壓力和流量，調速與電動閥門的開啟共用一個智能節點控制。該采油站有12條輸入管道，匯集到一起，經換熱系統后進入油氣水分離器，分離后的原油引入含水分析儀。每臺含水分析儀配置一個智能節點，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，由一個智能節點控制。分離后的原油打入兩個儲油罐，以備外輸到集輸站。

分離出的水注入地下，可燃氣體送鍋爐燃燒。在儲油罐的前端設置加壓泵，頂部設置雷達液位計，出口端設置電動閥門。加壓泵、出口電動閥、液位計共用一個智能節點，監測液位，控制輸出流量。若液位過高，超過報警線，自動調節電動閥的開啟度。采油站的原油外輸到集輸站去時，也要進行壓力檢測和原油計量。為此在輸油管的輸出口亦安裝壓力、溫度傳感器、流量計，監測輸出管道的相關參數，并進行輸出計量和調節控制。對于注入的地下水和鍋爐燃氣的壓力、溫度及計量亦設有專門的傳感器/變送器和流量計進行計量。所有采集到的數據由相應的節點保存，定時傳送給上位機中。

在底層，由智能節點連接各傳感器/變送器與執行機構，組成現場總線控制網，然后通過i.lon 100與采油站的PC服務器連接，再通過PC服務器與采油廠的Intranet連接，從而構成采油站管控一體化的網絡體系。

采油站底層控制網絡既可以進行現場的數據采集，又可接收上層監控計算機的指令，對現場執行機構進行控制，使采油站的底層設備和上層的信息管理系統成為一體。由于所有的傳感器、變送器、調頻電機及電動閥門等測控設備都配置LonWorks智能節點，分配ID（經認證后，成為IP）地址。因此Internet上的授權用戶可訪問每一臺測控裝置[4]。

2.2 智能節點

智能節點可采用兩種組織結構：一種是基于Neuron（神經元）芯片的現場智能節點，其應用程序直接在Neuron芯片的CPU上運行；另一種是基于主機的現場智能節點，它的應用程序在附加的主處理器上運行，而Neuron芯片只負責與其他網絡節點之間的通信。前者結構簡單，成本低，但功能有限；后者功能強，但是結構復雜，成本高。考慮到本系統節點所要完成的功能比較簡單，所以采用基于Neuron芯片的現場智能節點[5]。

智能節點的核心技術是將LonTalk協議集成到Neuron芯片中。Neuron芯片有3個8位CPU，其中一個是介質訪問控制處理器，一個是網絡處理器，另外一個是應用處理器。在安裝完成后，節點可以脫離上層管理工具，自行完成數據采集與處理，可實時接收上位機的控制命令，實現對前端執行機構的控制與調節。智能節點的主要功能如下：

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

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

3）2通道數字量（觸點或電平）輸入。

4）2通道開關量輸出。

圖2 系統軟件功能Fig.2 System software function

3 軟件功能設計

3.1 軟件功能

軟件設計分為兩部分，即上層監控程序和前端智能節點數據采集與控制程序。在上層采用組態軟件構成監控界面，由i.lon 100 Internet Server實現上層系統管理。在下層使用Neuron C編程。系統監控軟件如圖2所示，分為5個部分，即監控系統、用戶管理、曲線、報表與報警。

3.2 監控界面

上層監控系統是根據采油站工藝流程設計的，由程序自動完成。對外，所有的監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，由組態軟件設計，分為原油輸入區、換熱區、油水氣分離區、輸出計量區等區域。用鼠標單擊某一區域，可看到現場詳細布局圖與工作狀況，其中原油輸入區流程圖如圖4所示[6-7]。

在進入每一個區域后，通過鼠標操作可顯示每一個節點的監測數據，可進行閥門開啟度、電機轉速、原油輸入輸出流量以及鍋爐溫度等參數的調節與控制。還可顯示各類參數的歷史數據，生成報表，并且可按特殊要求實現報警，并對事故進行分析。如果用鼠標單擊某一節點，則顯示該節點的相關參數，亦可對其進行相應的調節或控制。

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類似的各個工藝流程窗口中都設置有14個菜單。通過菜單操作，可進行圖2所示的全部監測與控制功能。

4 上層監控系統

上層管控軟件是在Visual C#.NET開發環境中實現的，可實時采集現場數據，下發控制命令，實現遠程控制。管理員操作時，首先在監控界面的對話框中，輸入由i.Lon 100為某節點分配的IP地址，以確定上層監控軟件與該節點建立通信聯系，然后該節點可接收上層監控命令。數據采集時，設有兩種方式，即自動和手動采集方式。所謂自動，是由程序自動定時進行；所謂手動，是通過鍵盤或鼠標操作來進行。采集到的數據在界面上實時顯示，同時保存到數據庫中。在下發控制命令時，也采用兩種方式，即自動和手動發送方式。通過對采集到的數據進行分析，然后下發控制命令，調節前端執行機構，實現遠程控制。

為了實現數據的采集和控制命令的發出，在編程前需要添加ilon 100的web引用，借助i.Lon 100服務器提供的兩個函數 DataPointWrite（）和DataPointRead（）來實現數據的讀寫操作[8]。

圖4 原油輸入口Fig.4 Crude oil input port

DataPointWrite（）函數能夠把監控程序下發的控制命令寫入到底層控制網絡中，函數格式如下：

其中：UCTPpointName表示寫入數據的變量名；UCPTfieldname表示字段名，如果不是一個結構，該值就為空；UCPTvalue表示寫入的數據值；UCPTpropagate表示如果該值為1，寫入的數據將在整個網絡上廣播；UCPTpriority表示設定的優先級，在0到255之間。

DataPointRead（）函數能夠把底層控制網絡的數據采集到上層監控軟件中，函數格式如下：

其中：UCTPpointName表示讀入數據的變量名；UCPT fieldname表示字段名，如果不是一個結構，該值就為空。

5 結 論

通過文中分析，在采油廠建立管控一體化的網絡體系是必要的，也是可行的。它可以使企業能以控制集成、信息集成的觀點組織生產和管理。而且，還可以與企業的Internet連接，有利于管理、控制和運營。

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

[2]陳建鐸.基于LonWorks/iLon100現場總線控制網絡的結構與實現[J].探測與控制學報，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技術的水廠全分布管控一體化網絡研究[J].電子設計工程，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，張樂芳.水廠全分布式管控一體化網絡前端測控系統的設計與實現[J].電子設計工程，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絡前端智能節點的配置與實現[J].電子設計工程，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]張樂芳，陳建鐸.基于LonWorks技術的全分布管控一體化網絡上層監控系統的設計與實現[J].電子設計工程，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.世紀星組態軟件在工業過程控制中的應用[J].現代電子技術，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網絡中上位機與智能節點通信方式的研究與實現[J].微電子學與計算機，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.