天然氣計量遠程監(jiān)測管理平臺的研究

張楠

摘 要 文章研究了遠程監(jiān)測管理聯(lián)合站及中轉(zhuǎn)站天然氣計量系統(tǒng)。以PLC為站內(nèi)數(shù)據(jù)采集平臺，利用上位機組態(tài)軟件實時顯示現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以各站為節(jié)點，通過OPC、ODBC、API/SDK等接口方式訪問各節(jié)點實時數(shù)據(jù)庫，研究硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)技術(shù)，建立遠程統(tǒng)一的監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)遠程采集匯總、多站點集中顯示和數(shù)據(jù)庫存儲功能，實現(xiàn)全廠外輸氣的計量。

關(guān)鍵詞 PLC；組態(tài)軟件；計量；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0033-02

聯(lián)合站天然氣標(biāo)準(zhǔn)計量系統(tǒng)作為采油廠與天然氣公司進行天然氣交接的計量憑證，對采油天然氣的生產(chǎn)管理具有重要意義。隨著科技發(fā)展及油田數(shù)字化進程的不斷深入，自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化已成為未來油田控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。而某采油廠目前使用的天然氣計量系統(tǒng)只能用于各天然氣計量口對本站天然氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集和顯示，無法實現(xiàn)遠程采集匯總、多站點集中顯示和數(shù)據(jù)庫存儲功能，沒有形成對全廠天然氣進行統(tǒng)一監(jiān)測的管理平臺，不適應(yīng)數(shù)字化油田發(fā)展的要求。該廠研制了一套新的天然氣計量監(jiān)測管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以新標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，配套相應(yīng)的采集硬件和組態(tài)軟件，增加數(shù)據(jù)遠程傳輸與存儲、信息網(wǎng)絡(luò)共享和在線實時監(jiān)測等適應(yīng)數(shù)字化油田建設(shè)的新功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是要建立遠程平臺監(jiān)測管理廠內(nèi)各個聯(lián)合站天然氣相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效的匯總、集中顯示，便于管理全廠天然氣外輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場一次儀表采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給PLC進行信號處理，處理好的信號通過I/O接口通訊傳送到站內(nèi)設(shè)計好組態(tài)程序的工控機，組態(tài)程序會對數(shù)據(jù)進行實時、歷史數(shù)據(jù)顯示、跟蹤及報警處理等，最終在遠程平臺上通過ODBC接口采集全廠各站天然氣數(shù)據(jù)并存儲，通過二次開發(fā)的手段建立遠程平臺。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以西門子S7-300可編程控制器為核心，根據(jù)采集信號的數(shù)量和類型，選取相應(yīng)接口模塊、通信模塊、信號模塊、功能模塊及通訊處理器，組建站內(nèi)PLC數(shù)據(jù)采集平臺。PLC設(shè)置主要對各個智能模塊的參數(shù)進行設(shè)置，包括報警限值的設(shè)置、采樣周期的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集預(yù)處理等，如對模擬量輸入通道的轉(zhuǎn)換時間設(shè)置等。

將現(xiàn)場一次儀表采集的信號送給PLC輸入模塊（數(shù)字模塊或者模擬模塊），模塊將信號按照存儲器中存儲的程序進行運算處理，然后經(jīng)輸出模塊傳送給上位機顯示。上位機即工控計算機（IPC），通過組態(tài)軟件建立一套人機交互界面（HMI），作為站內(nèi)生產(chǎn)管理的依據(jù)，完成PLC的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要針對現(xiàn)場操作人員。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

根據(jù)硬件系統(tǒng)組建情況，使用STEP 7開發(fā)軟件進行硬件組態(tài)。定義通道變量、編制數(shù)據(jù)采集程序，實時獲取現(xiàn)場儀表采集到的天然氣壓力、溫度、差壓等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過串行通訊模塊向各計量口的天然氣計量監(jiān)測系統(tǒng)傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。

STEP7開發(fā)軟件支持多種編程語言，常用的有梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。在編程時所有程序按照功能不同被寫入不同的邏輯塊，常用的邏輯塊有組織塊OB、功能塊FB和程序塊FC，此外還有用于存放數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)塊DB、自定義數(shù)據(jù)類型UDT等。

為實現(xiàn)壓力、溫度等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀取，首先建立1個數(shù)據(jù)塊，存儲所有采集信號。然后編寫數(shù)據(jù)線性化程序，將4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后在另一個程序塊中反復(fù)調(diào)用線性化程序，將現(xiàn)場采集的所有4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)化為可供顯示的數(shù)字信號。

為實現(xiàn)報警功能，同樣需要建立1個數(shù)據(jù)塊，存儲所有報警點，編寫程序循環(huán)檢查所有報警點是否滿足報警條件，一旦報警條件滿足就輸出報警信號，通過聲、光等形式響應(yīng)報警信息。

由于聯(lián)合站天然氣流量計使用孔板方式進行流量計量，為了采集流量信號，需要對孔板中的各項信號進行采集和編程，借助FM350編程數(shù)據(jù)塊，編寫程序?qū)崿F(xiàn)瞬時流量和累計流量的計算。

3.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計

3.2.1 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫設(shè)計

組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫負責(zé)與I/O調(diào)度程序進行通訊，獲取監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時作為一個數(shù)據(jù)源服務(wù)器在本地給其它程序（如界面系統(tǒng)VIEW等）提供實時和歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)采集過程可以按照區(qū)域、單元及點來劃分，區(qū)域代表單個站的工藝過程，單元代表各個工藝設(shè)備的集合，點代表完成特定功能的一類點。在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)是以點為單位存放各種信息的，點是一組數(shù)據(jù)值的集合。

上位機平臺為了獲取現(xiàn)場生產(chǎn)信息，建立數(shù)據(jù)庫變量表，內(nèi)容涵蓋所有外輸天然氣計量口的生產(chǎn)信息，與計量儀器所采集的信號相對應(yīng)，在每個通訊周期里掃描并獲取硬件設(shè)備數(shù)據(jù)通道內(nèi)的數(shù)據(jù)，間接獲得現(xiàn)場計量設(shè)備傳輸?shù)纳a(chǎn)數(shù)據(jù)，并將其存入組態(tài)軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)運算和調(diào)取顯示。通過網(wǎng)絡(luò)與各計量口的天然氣監(jiān)測系統(tǒng)進行連接，使用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)功能實時獲取其數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并存入自身數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的變量中，即可實現(xiàn)全廠各個外輸天然氣計量口生產(chǎn)信息的集中匯總。

數(shù)據(jù)采集工作由網(wǎng)絡(luò)上各個計量口服務(wù)器完成，每個計量口的天然氣計量系統(tǒng)分別處理各自監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、歷史數(shù)據(jù)保存、報警處理等工作。

3.2.2 超壓縮因子計算

在制作界面過程中，嵌入超壓縮因子和天然氣流量的計算模塊，在后臺運算得到天然氣瞬時流量、累積流量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，與壓力、溫度、差壓等數(shù)據(jù)一同顯示在界面中。超壓縮因子是因天然氣特性偏離理想氣體定律而導(dǎo)出的修正系數(shù)。按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)天然氣以甲烷為主，混有乙烷和少量重?zé)N時，其超壓縮因子按下式計算：

式中、、、、等參數(shù)在新標(biāo)準(zhǔn)中均有明確的推導(dǎo)過程。

根據(jù)公式定義，使用編程語言對天然氣超壓縮因子進行模塊化編程，以便嵌入到流量計算程序中，實時計算天然氣流量。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)參數(shù)，編寫天然氣流量計算程序。按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，根據(jù)實際情況，參照新標(biāo)準(zhǔn)對各參數(shù)的確定方法，可得各個系數(shù)，經(jīng)過一系列迭代計算就可以求得天然氣流量。通過軟件編程實現(xiàn)上述迭代計算，即得到天然氣流量計算程序。

3.2.3 遠程平臺的實現(xiàn)

在遠程監(jiān)測管理平臺中應(yīng)用自動報表技術(shù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫查詢歷史數(shù)據(jù)，可以繪制全廠天然氣單日產(chǎn)量表和月報表，實現(xiàn)了各計量口生產(chǎn)數(shù)據(jù)的同時計量、同時顯示和同表打印，徹底改變了某采油廠天然氣計量模式。根據(jù)生產(chǎn)需要制作數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、流程圖展示、歷史曲線、報警記錄和自動生成報表等功能頁面，每個頁面都采用標(biāo)準(zhǔn)控件，使得頁面簡潔、明了。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某采油廠聯(lián)合站的實際情況和PLC及組態(tài)軟件的特點，對系統(tǒng)進行了整體設(shè)計。通過研究硬件數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、超壓縮因子及組態(tài)顯示的程序化、模塊化，實現(xiàn)了天然氣數(shù)據(jù)的綜合查詢，實時數(shù)據(jù)跟蹤管理等主要功能。經(jīng)過實際檢驗，全廠天然氣數(shù)據(jù)的匯總查詢與分析功能很好地滿足了該廠外輸氣計量管理的要求。

參考文獻

[1]中國石油天然氣集團公司.GB/T 21446-2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]北京三維力控科技有限公司.力控ForceCcontrol6.1[Z]. 2008.endprint

摘 要 文章研究了遠程監(jiān)測管理聯(lián)合站及中轉(zhuǎn)站天然氣計量系統(tǒng)。以PLC為站內(nèi)數(shù)據(jù)采集平臺，利用上位機組態(tài)軟件實時顯示現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以各站為節(jié)點，通過OPC、ODBC、API/SDK等接口方式訪問各節(jié)點實時數(shù)據(jù)庫，研究硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)技術(shù)，建立遠程統(tǒng)一的監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)遠程采集匯總、多站點集中顯示和數(shù)據(jù)庫存儲功能，實現(xiàn)全廠外輸氣的計量。

關(guān)鍵詞 PLC；組態(tài)軟件；計量；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0033-02

聯(lián)合站天然氣標(biāo)準(zhǔn)計量系統(tǒng)作為采油廠與天然氣公司進行天然氣交接的計量憑證，對采油天然氣的生產(chǎn)管理具有重要意義。隨著科技發(fā)展及油田數(shù)字化進程的不斷深入，自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化已成為未來油田控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。而某采油廠目前使用的天然氣計量系統(tǒng)只能用于各天然氣計量口對本站天然氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集和顯示，無法實現(xiàn)遠程采集匯總、多站點集中顯示和數(shù)據(jù)庫存儲功能，沒有形成對全廠天然氣進行統(tǒng)一監(jiān)測的管理平臺，不適應(yīng)數(shù)字化油田發(fā)展的要求。該廠研制了一套新的天然氣計量監(jiān)測管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以新標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，配套相應(yīng)的采集硬件和組態(tài)軟件，增加數(shù)據(jù)遠程傳輸與存儲、信息網(wǎng)絡(luò)共享和在線實時監(jiān)測等適應(yīng)數(shù)字化油田建設(shè)的新功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是要建立遠程平臺監(jiān)測管理廠內(nèi)各個聯(lián)合站天然氣相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效的匯總、集中顯示，便于管理全廠天然氣外輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場一次儀表采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給PLC進行信號處理，處理好的信號通過I/O接口通訊傳送到站內(nèi)設(shè)計好組態(tài)程序的工控機，組態(tài)程序會對數(shù)據(jù)進行實時、歷史數(shù)據(jù)顯示、跟蹤及報警處理等，最終在遠程平臺上通過ODBC接口采集全廠各站天然氣數(shù)據(jù)并存儲，通過二次開發(fā)的手段建立遠程平臺。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以西門子S7-300可編程控制器為核心，根據(jù)采集信號的數(shù)量和類型，選取相應(yīng)接口模塊、通信模塊、信號模塊、功能模塊及通訊處理器，組建站內(nèi)PLC數(shù)據(jù)采集平臺。PLC設(shè)置主要對各個智能模塊的參數(shù)進行設(shè)置，包括報警限值的設(shè)置、采樣周期的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集預(yù)處理等，如對模擬量輸入通道的轉(zhuǎn)換時間設(shè)置等。

將現(xiàn)場一次儀表采集的信號送給PLC輸入模塊（數(shù)字模塊或者模擬模塊），模塊將信號按照存儲器中存儲的程序進行運算處理，然后經(jīng)輸出模塊傳送給上位機顯示。上位機即工控計算機（IPC），通過組態(tài)軟件建立一套人機交互界面（HMI），作為站內(nèi)生產(chǎn)管理的依據(jù)，完成PLC的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要針對現(xiàn)場操作人員。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

根據(jù)硬件系統(tǒng)組建情況，使用STEP 7開發(fā)軟件進行硬件組態(tài)。定義通道變量、編制數(shù)據(jù)采集程序，實時獲取現(xiàn)場儀表采集到的天然氣壓力、溫度、差壓等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過串行通訊模塊向各計量口的天然氣計量監(jiān)測系統(tǒng)傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。

STEP7開發(fā)軟件支持多種編程語言，常用的有梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。在編程時所有程序按照功能不同被寫入不同的邏輯塊，常用的邏輯塊有組織塊OB、功能塊FB和程序塊FC，此外還有用于存放數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)塊DB、自定義數(shù)據(jù)類型UDT等。

為實現(xiàn)壓力、溫度等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀取，首先建立1個數(shù)據(jù)塊，存儲所有采集信號。然后編寫數(shù)據(jù)線性化程序，將4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后在另一個程序塊中反復(fù)調(diào)用線性化程序，將現(xiàn)場采集的所有4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)化為可供顯示的數(shù)字信號。

為實現(xiàn)報警功能，同樣需要建立1個數(shù)據(jù)塊，存儲所有報警點，編寫程序循環(huán)檢查所有報警點是否滿足報警條件，一旦報警條件滿足就輸出報警信號，通過聲、光等形式響應(yīng)報警信息。

由于聯(lián)合站天然氣流量計使用孔板方式進行流量計量，為了采集流量信號，需要對孔板中的各項信號進行采集和編程，借助FM350編程數(shù)據(jù)塊，編寫程序?qū)崿F(xiàn)瞬時流量和累計流量的計算。

3.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計

3.2.1 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫設(shè)計

組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫負責(zé)與I/O調(diào)度程序進行通訊，獲取監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時作為一個數(shù)據(jù)源服務(wù)器在本地給其它程序（如界面系統(tǒng)VIEW等）提供實時和歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)采集過程可以按照區(qū)域、單元及點來劃分，區(qū)域代表單個站的工藝過程，單元代表各個工藝設(shè)備的集合，點代表完成特定功能的一類點。在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)是以點為單位存放各種信息的，點是一組數(shù)據(jù)值的集合。

上位機平臺為了獲取現(xiàn)場生產(chǎn)信息，建立數(shù)據(jù)庫變量表，內(nèi)容涵蓋所有外輸天然氣計量口的生產(chǎn)信息，與計量儀器所采集的信號相對應(yīng)，在每個通訊周期里掃描并獲取硬件設(shè)備數(shù)據(jù)通道內(nèi)的數(shù)據(jù)，間接獲得現(xiàn)場計量設(shè)備傳輸?shù)纳a(chǎn)數(shù)據(jù)，并將其存入組態(tài)軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)運算和調(diào)取顯示。通過網(wǎng)絡(luò)與各計量口的天然氣監(jiān)測系統(tǒng)進行連接，使用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)功能實時獲取其數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并存入自身數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的變量中，即可實現(xiàn)全廠各個外輸天然氣計量口生產(chǎn)信息的集中匯總。

數(shù)據(jù)采集工作由網(wǎng)絡(luò)上各個計量口服務(wù)器完成，每個計量口的天然氣計量系統(tǒng)分別處理各自監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、歷史數(shù)據(jù)保存、報警處理等工作。

3.2.2 超壓縮因子計算

在制作界面過程中，嵌入超壓縮因子和天然氣流量的計算模塊，在后臺運算得到天然氣瞬時流量、累積流量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，與壓力、溫度、差壓等數(shù)據(jù)一同顯示在界面中。超壓縮因子是因天然氣特性偏離理想氣體定律而導(dǎo)出的修正系數(shù)。按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)天然氣以甲烷為主，混有乙烷和少量重?zé)N時，其超壓縮因子按下式計算：

式中、、、、等參數(shù)在新標(biāo)準(zhǔn)中均有明確的推導(dǎo)過程。

根據(jù)公式定義，使用編程語言對天然氣超壓縮因子進行模塊化編程，以便嵌入到流量計算程序中，實時計算天然氣流量。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)參數(shù)，編寫天然氣流量計算程序。按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，根據(jù)實際情況，參照新標(biāo)準(zhǔn)對各參數(shù)的確定方法，可得各個系數(shù)，經(jīng)過一系列迭代計算就可以求得天然氣流量。通過軟件編程實現(xiàn)上述迭代計算，即得到天然氣流量計算程序。

3.2.3 遠程平臺的實現(xiàn)

在遠程監(jiān)測管理平臺中應(yīng)用自動報表技術(shù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫查詢歷史數(shù)據(jù)，可以繪制全廠天然氣單日產(chǎn)量表和月報表，實現(xiàn)了各計量口生產(chǎn)數(shù)據(jù)的同時計量、同時顯示和同表打印，徹底改變了某采油廠天然氣計量模式。根據(jù)生產(chǎn)需要制作數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、流程圖展示、歷史曲線、報警記錄和自動生成報表等功能頁面，每個頁面都采用標(biāo)準(zhǔn)控件，使得頁面簡潔、明了。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某采油廠聯(lián)合站的實際情況和PLC及組態(tài)軟件的特點，對系統(tǒng)進行了整體設(shè)計。通過研究硬件數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、超壓縮因子及組態(tài)顯示的程序化、模塊化，實現(xiàn)了天然氣數(shù)據(jù)的綜合查詢，實時數(shù)據(jù)跟蹤管理等主要功能。經(jīng)過實際檢驗，全廠天然氣數(shù)據(jù)的匯總查詢與分析功能很好地滿足了該廠外輸氣計量管理的要求。

參考文獻

[1]中國石油天然氣集團公司.GB/T 21446-2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]北京三維力控科技有限公司.力控ForceCcontrol6.1[Z]. 2008.endprint

摘 要 文章研究了遠程監(jiān)測管理聯(lián)合站及中轉(zhuǎn)站天然氣計量系統(tǒng)。以PLC為站內(nèi)數(shù)據(jù)采集平臺，利用上位機組態(tài)軟件實時顯示現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以各站為節(jié)點，通過OPC、ODBC、API/SDK等接口方式訪問各節(jié)點實時數(shù)據(jù)庫，研究硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)技術(shù)，建立遠程統(tǒng)一的監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)遠程采集匯總、多站點集中顯示和數(shù)據(jù)庫存儲功能，實現(xiàn)全廠外輸氣的計量。

關(guān)鍵詞 PLC；組態(tài)軟件；計量；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0033-02

聯(lián)合站天然氣標(biāo)準(zhǔn)計量系統(tǒng)作為采油廠與天然氣公司進行天然氣交接的計量憑證，對采油天然氣的生產(chǎn)管理具有重要意義。隨著科技發(fā)展及油田數(shù)字化進程的不斷深入，自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化已成為未來油田控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。而某采油廠目前使用的天然氣計量系統(tǒng)只能用于各天然氣計量口對本站天然氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集和顯示，無法實現(xiàn)遠程采集匯總、多站點集中顯示和數(shù)據(jù)庫存儲功能，沒有形成對全廠天然氣進行統(tǒng)一監(jiān)測的管理平臺，不適應(yīng)數(shù)字化油田發(fā)展的要求。該廠研制了一套新的天然氣計量監(jiān)測管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以新標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，配套相應(yīng)的采集硬件和組態(tài)軟件，增加數(shù)據(jù)遠程傳輸與存儲、信息網(wǎng)絡(luò)共享和在線實時監(jiān)測等適應(yīng)數(shù)字化油田建設(shè)的新功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是要建立遠程平臺監(jiān)測管理廠內(nèi)各個聯(lián)合站天然氣相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效的匯總、集中顯示，便于管理全廠天然氣外輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場一次儀表采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給PLC進行信號處理，處理好的信號通過I/O接口通訊傳送到站內(nèi)設(shè)計好組態(tài)程序的工控機，組態(tài)程序會對數(shù)據(jù)進行實時、歷史數(shù)據(jù)顯示、跟蹤及報警處理等，最終在遠程平臺上通過ODBC接口采集全廠各站天然氣數(shù)據(jù)并存儲，通過二次開發(fā)的手段建立遠程平臺。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以西門子S7-300可編程控制器為核心，根據(jù)采集信號的數(shù)量和類型，選取相應(yīng)接口模塊、通信模塊、信號模塊、功能模塊及通訊處理器，組建站內(nèi)PLC數(shù)據(jù)采集平臺。PLC設(shè)置主要對各個智能模塊的參數(shù)進行設(shè)置，包括報警限值的設(shè)置、采樣周期的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集預(yù)處理等，如對模擬量輸入通道的轉(zhuǎn)換時間設(shè)置等。

將現(xiàn)場一次儀表采集的信號送給PLC輸入模塊（數(shù)字模塊或者模擬模塊），模塊將信號按照存儲器中存儲的程序進行運算處理，然后經(jīng)輸出模塊傳送給上位機顯示。上位機即工控計算機（IPC），通過組態(tài)軟件建立一套人機交互界面（HMI），作為站內(nèi)生產(chǎn)管理的依據(jù)，完成PLC的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要針對現(xiàn)場操作人員。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

根據(jù)硬件系統(tǒng)組建情況，使用STEP 7開發(fā)軟件進行硬件組態(tài)。定義通道變量、編制數(shù)據(jù)采集程序，實時獲取現(xiàn)場儀表采集到的天然氣壓力、溫度、差壓等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過串行通訊模塊向各計量口的天然氣計量監(jiān)測系統(tǒng)傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。

STEP7開發(fā)軟件支持多種編程語言，常用的有梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。在編程時所有程序按照功能不同被寫入不同的邏輯塊，常用的邏輯塊有組織塊OB、功能塊FB和程序塊FC，此外還有用于存放數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)塊DB、自定義數(shù)據(jù)類型UDT等。

為實現(xiàn)壓力、溫度等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀取，首先建立1個數(shù)據(jù)塊，存儲所有采集信號。然后編寫數(shù)據(jù)線性化程序，將4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后在另一個程序塊中反復(fù)調(diào)用線性化程序，將現(xiàn)場采集的所有4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)化為可供顯示的數(shù)字信號。

為實現(xiàn)報警功能，同樣需要建立1個數(shù)據(jù)塊，存儲所有報警點，編寫程序循環(huán)檢查所有報警點是否滿足報警條件，一旦報警條件滿足就輸出報警信號，通過聲、光等形式響應(yīng)報警信息。

由于聯(lián)合站天然氣流量計使用孔板方式進行流量計量，為了采集流量信號，需要對孔板中的各項信號進行采集和編程，借助FM350編程數(shù)據(jù)塊，編寫程序?qū)崿F(xiàn)瞬時流量和累計流量的計算。

3.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計

3.2.1 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫設(shè)計

組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫負責(zé)與I/O調(diào)度程序進行通訊，獲取監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時作為一個數(shù)據(jù)源服務(wù)器在本地給其它程序（如界面系統(tǒng)VIEW等）提供實時和歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)采集過程可以按照區(qū)域、單元及點來劃分，區(qū)域代表單個站的工藝過程，單元代表各個工藝設(shè)備的集合，點代表完成特定功能的一類點。在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)是以點為單位存放各種信息的，點是一組數(shù)據(jù)值的集合。

上位機平臺為了獲取現(xiàn)場生產(chǎn)信息，建立數(shù)據(jù)庫變量表，內(nèi)容涵蓋所有外輸天然氣計量口的生產(chǎn)信息，與計量儀器所采集的信號相對應(yīng)，在每個通訊周期里掃描并獲取硬件設(shè)備數(shù)據(jù)通道內(nèi)的數(shù)據(jù)，間接獲得現(xiàn)場計量設(shè)備傳輸?shù)纳a(chǎn)數(shù)據(jù)，并將其存入組態(tài)軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)運算和調(diào)取顯示。通過網(wǎng)絡(luò)與各計量口的天然氣監(jiān)測系統(tǒng)進行連接，使用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)功能實時獲取其數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并存入自身數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的變量中，即可實現(xiàn)全廠各個外輸天然氣計量口生產(chǎn)信息的集中匯總。

數(shù)據(jù)采集工作由網(wǎng)絡(luò)上各個計量口服務(wù)器完成，每個計量口的天然氣計量系統(tǒng)分別處理各自監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、歷史數(shù)據(jù)保存、報警處理等工作。

3.2.2 超壓縮因子計算

在制作界面過程中，嵌入超壓縮因子和天然氣流量的計算模塊，在后臺運算得到天然氣瞬時流量、累積流量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，與壓力、溫度、差壓等數(shù)據(jù)一同顯示在界面中。超壓縮因子是因天然氣特性偏離理想氣體定律而導(dǎo)出的修正系數(shù)。按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)天然氣以甲烷為主，混有乙烷和少量重?zé)N時，其超壓縮因子按下式計算：

式中、、、、等參數(shù)在新標(biāo)準(zhǔn)中均有明確的推導(dǎo)過程。

根據(jù)公式定義，使用編程語言對天然氣超壓縮因子進行模塊化編程，以便嵌入到流量計算程序中，實時計算天然氣流量。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)參數(shù)，編寫天然氣流量計算程序。按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，根據(jù)實際情況，參照新標(biāo)準(zhǔn)對各參數(shù)的確定方法，可得各個系數(shù)，經(jīng)過一系列迭代計算就可以求得天然氣流量。通過軟件編程實現(xiàn)上述迭代計算，即得到天然氣流量計算程序。

3.2.3 遠程平臺的實現(xiàn)

在遠程監(jiān)測管理平臺中應(yīng)用自動報表技術(shù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫查詢歷史數(shù)據(jù)，可以繪制全廠天然氣單日產(chǎn)量表和月報表，實現(xiàn)了各計量口生產(chǎn)數(shù)據(jù)的同時計量、同時顯示和同表打印，徹底改變了某采油廠天然氣計量模式。根據(jù)生產(chǎn)需要制作數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、流程圖展示、歷史曲線、報警記錄和自動生成報表等功能頁面，每個頁面都采用標(biāo)準(zhǔn)控件，使得頁面簡潔、明了。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某采油廠聯(lián)合站的實際情況和PLC及組態(tài)軟件的特點，對系統(tǒng)進行了整體設(shè)計。通過研究硬件數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、超壓縮因子及組態(tài)顯示的程序化、模塊化，實現(xiàn)了天然氣數(shù)據(jù)的綜合查詢，實時數(shù)據(jù)跟蹤管理等主要功能。經(jīng)過實際檢驗，全廠天然氣數(shù)據(jù)的匯總查詢與分析功能很好地滿足了該廠外輸氣計量管理的要求。

參考文獻

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