油气田SCADA系统软件设计

赵磊 王蓬 郑志强 李广 毕鉴首

[摘    要]设计油气田SCADA系统软件，包括实时数据库模块、组态配置模块、数据监控模块、关系数据库模块，实现了对油气田工业设备和工业传感器进行数据采集、存储、处理、组态、监测、控制等功能，具有内核精简、配置简单、组态灵活、交互容易、接口丰富等特点，为满足油气田生产的数据采集与监视控制需求提供了一种新的软件设计方案。

[关键词]油气田;SCADA;配置;组态

[中图分类号]TP368.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–00–03

Software Design of SCADA System for Oil and Gas Fields

Zhao Lei，Wang Peng，Zheng Zhi-qiang，Li Guang，Bi Jian-shou

[Abstract]This paper designs oil and gas field SCADA system software， including real-time database module， configuration configuration module， data monitoring module， relational database module， and realizes data acquisition， storage， processing， configuration， monitoring， Control and other functions have the technical characteristics of simplified kernel， simple configuration， flexible configuration， easy interaction， and rich interfaces. It provides a new software design to meet the data acquisition and monitoring and control requirements of oil and gas field production.

[Keywords]oil and gas field; SCADA; configuration; configuration

油气田生产企业在进行数字化、信息化、自动化改造和应用时，面临着生产对象种类繁多、参数测量点数目庞大、应用配置频繁变更等诸多挑战。为了达到调度管理的灵活应用效果，在已有技术中，通常使用SCADA系统对分布距离远及生产单元分散的井、站、线设备进行监控，利用有线或无线的方式实现数据传输。但该类系统往往关注于通用性和普适性，在运行性能、应用便捷性、产品价格方面不具备太强竞争力。使用通用SCADA系统进行大规模项目实施的油气田企业，通常存在着企业自运维困难、服务器冗余过多、经费耗资较大等问题。所以，本文设计了一种油气田企业专用的SCADA系统，在精简产品内核的同时，进一步提高组件应用水平，从而大幅降低系统使用难度，辅助油气田企业提高信息系统的投入产出比。

1 系统架构设计

油气田SCADA系统软件架构（图1）主要包括：实时数据库模块、组态配置模块、数据监控模块和关系数据库模块。

1.1 实时数据库模块

（1）实时数据库rtdb：油气田SCADA系统的实时数据存储、消息推送模块。

（2）采集服务IOServer：与前端RTU、PLC等系统进行数据采集、交互的服务模块。

（3）数据转储DataRouter：实时数据向第三方系统传输的模块。

1.2 组态配置模塊

（1）组态软件：提供第三方可挂载的组态服务的插件。

（2）配置软件：系统初始化、项目搭建、系统运维的插件。

1.3 数据监控模块

数据监控DataView：实时数据监测、控制、报警处理、阈值设置及组态展示等功能的应用插件。

1.4 关系数据库模块

应用第三方关系数据库完成系统配置数据和历史数据存储。

2 系统详细设计

2.1 实时数据库模块设计说明

实时数据库rtdb负责油气田SCADA系统的实时数据存储和消息推送服务，是系统各模块之间实时数据交互的桥梁。rtdb与IOServer交互，作为数据“接收方”存在，由IOServer向rtdb写入数据流，主要用于更新rtdb最新数据;rtdb与DataRouter交互，作为数据“提供方”存在，DataRouter根据配置从rtdb中获取最新数据，用于向第三方系统按照格式转发数据;rtdb与组态软件交互，作为数据“提供方”存在，组态软件根据配置从rtdb中获取最新数据进行页面展示，用于向第三方系统发布无插件的组态链接服务页面;rtdb与DataView交互，作为数据“提供方”存在，DataView从rtdb中获取最新数据进行数据展示、报警、报表分析等应用;rtdb与配置软件无数据流交互。

采集服务IOServer主要负责对安装于油井、气井、注水井、掺水井、计量站、配水间、接转站、注水站、注聚站、联合站等各类生产单元的工业传感器和工业设备进行数据采集、处理、存储等功能，涉及的参数主要包括温度、压力、载荷、位移、电参、液位、频率、流量、振动、转速等。同时，报警是采集服务IOServer的重要功能，系统的遥测、遥信变量支持报警功能，其中遥信变量支持的报警类型有：SOE报警、故障报警和遥信变位报警。遥测变量支持的报警类型为超上上限报警、超上限报警、超下限报警、超下下限报警四种越限报警类型。

数据转储DataRouter负责油气田SCADA系统与第三方系统的数据交互，从而完成数据转发、报警推送、数据补录等功能。DataRouter的运行流程为：首先进行数据初始化，然后启动实时数据转储、报警信息转储、曲线数据转储、操作记录转储、数据补录转储。其中，实时数据转储为多线程按固定时间间隔转储数据，报警信息转储和曲线数据转储订阅rtdb监听数据进行转储，操作记录转储通过WebService接口监听并转储数据，数据补录在异常情况发生时处理异常数据补录转储。

2.2 组态配置模块设计说明

组态配置模块是油气田SCADA系统搭建的核心模块，主要负责项目基础数据录入、组态绘制和数据转储配置等工作。

2.2.1 组态软件设计

组态软件将数据以工艺流程图的方式让用户更直观地查看数据是油气田SCADA系统的一项重要功能，组态软件主要包括组态设计和组态展示两个功能。

组态设计功能是使用基础的油气田SVG进行工艺流程图绘制，绘制完成后的图片保存为JPG或SVG格式并存放软件指定目录下，将图片与相应的油气田生产单元关联，同时设计与工艺流程图相关联的监测变量及坐标信息，其中路径信息、关联信息以及变量坐标信息等存入关系数据库中。

组态展示功能是将组态设计好的工艺流程图以Web链接的方式展示到DataView或其他系统，自适应浏览器大小以及兼容主流浏览器，可以查询到监测变量的实时数据以及历史曲线数据，运行的流程如图2所示。

2.2.2 配置软件设计

配置软件主要为管理员用户提供项目快速搭建、复用、工程备份等管理类功能。油气田生产业务会经常面临生产单元的不定期变更，这将导致工程项目频繁的新增、删除、移动等配置，平台提供便捷、简单、模板化的管理功能，将大幅提高用户应对项目变更速度的及时、高效管理。配置软件主要功能包括工程管理、变量配置、监控设备配置、监控对象配置、数据转储配置等。

工程管理功能主要包括数据源的初始化及工程的初始化，数据源初始化是配置rtdb及关系数据库的用户名、密码、地址等信息;工程初始化主要是对项目表结构、基础数据以及用户等信息的初始化。

变量配置功能主要是变量模板的构建、导入和导出，以及不同分组下变量的本地历史数据存储间隔的配置，变量的具体属性配置包括变量类型、子类型、变量分组、变量标志、功能码、数据地址、字节长度、字节偏移量、位偏移量、值类型、基数、系数、存储规则等。

监控设备配置功能主要是对监控设备及采集通道进行配置。监控设备的配置主要包括设备地址、通信超时时间、重发次数、生产厂家、型号、安装日期等;采集通道配置主要包括通信协议、通信链路、通信帧、帧间隔、通道编号等。

监控对象配置功能主要是索引对象及监控对象导航树搭建、采集通道关联、组态关联配置等功能。索引对象为树形菜单，按照油气田的管理层级进行设置;监控对象即油井、水井、气井等生产单元，按照工艺流程和组织单位配置到索引对象下;监控对象需关联监控设备的采集通道，为IOServer采集数据及组织数据做准备;有工艺流程的监控对象需要和组态软件的工艺流程图关联，为DataView或其他系统展示工艺流程图做准备。

数据转储配置功能主要是将油气田SCADA系统的数据转储给其他生产管理系统，包括转储对象、转储变量、转储模板的配置。转储对象为第三方系统定义的对象编号，转储变量为第三方系统定义的变量名称，转储模板为油气田SCADA系统中的数据与第三方系统转储对象和转储变量的映射关系，配置好之后DataRouter将进行系统间数据转储。

2.3 数据监控模块设计说明

数据监控模块DataView 是专门针对油气田开发，集实时数据展示、历史数据查询、工艺流程图呈现、远程调节/控制、报警阈值设置/推送、操控记录查询、交接班等功能于一身的油气田SCADA系统监控终端软件。数据监控模块用于对生产单元提供列表化、單位化、模型化的监视和控制，便于监控职工、生产管理经理等角色实时查看现场状态，精准跟踪生产过程。

数据监控模块DataView功能包括以下内容。

（1）实时监控：用于监控油井、气井、水井、站库等生产单元的实时数据、历史数据、组态数据，功能主要包括油井实时监控、集输实时监控、注水实时监控。

（2）报警处置：用于对现场数据异常的处置，功能主要包括实时报警查询、历史报警查询、实时报警推送、报警处置。

（3）参数设置：主要用于对现场工业仪表的运行参数进行实时设置，功能主要包括设备参数下置、SOE报警设置、软件报警设置及相关操控日志查看。

（4）远程调参：SCADA系统的遥调、遥控操作，将参数下发至下位机设备，实现远程调整设备调节及控制参数的功能。

（5）通信诊断：判断出远端传感器、监控设备、路由器、服务器等所有链路的通信在线状态，并初步给出离线原因及位置等信息。

（6）生产报表：油气田生产相关的日报、月报、年报表信息，具有查询、对比、导出及打印功能。

（7）用户管理：用户管理、角色管理、切换用户、交接班功能。

2.4 关系数据库模块设计说明

关系数据库作为油气田SCADA系统配置数据和历史数据的存储单元，是系统的核心组成模块。作为系统配置数据库，组态配置模块将系统的采集配置数据、转储配置数据、组态配置数据等写入关系数据库。关系数据库为IOServer提供采集配置数据，IOServer将采集到的数据定期写入关系数据库作为历史数据存储;关系数据库为DataRouter提供转储配置数据，为组态软件提供查询功能需要的数据集合，同时组态软件在发生远程操控等功能时也向关系数据库回写部分业务数据;关系数据库为DataView提供查询功能需要的数据集合，同时DataView在发生远程操控、阈值设置、登录等事件时也向关系数据库回写部分业务数据。关系数据库模块与其他模块交互数据流如图3所示。

3 结语

本文设计的油气田SCADA系统软件，提出了一种全新的软件架构，解决了油气田生产在数据采集与监视控应用上的众多问题，在油气田SCADA系统领域具有很好的推广前景和应用价值。

参考文献

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