基于嵌入式PC与GPRS的SCADA在油田中的应用

1 引言

　　随着电子计算机及网络通信技术的迅猛发展，许多生产过程中的数据采集和监控系统功能也在不断增强。本文针对的某油田采油区较为分散的实际情况，探索应用相应的测控系统。由于存在着单井作业或数台甚至十台以上抽油机排列在一起，形成一个或数个井排，同时在其周围相距几百米分布着一些中转原油的储油罐和其他设备，为了提高采油效率，保障安全生产，需要采集各个抽油机、油罐、电机和油泵等的实时数据，如温度、压力、流量、油罐的液位和储油量、电压、电流等。为了使采油厂的生产管理调度部门及时掌握一线生产情况，必须将数据及时上传。但工作现场环境十分恶劣，无法昼夜值守，又无通讯线路，因此，给生产管理带来极大不便。

　　针对上述问题，本文讨论一种不受恶劣环境影响的、可安装在现场的基于嵌入式PC 和中国移动的GPRS网络的远程监控与数据采集系统。

2 嵌入式PC（Embedded PC）[1]

　　早在20世纪70年代计算机系统就出现了一个新分支——嵌入式计算机系统。为了区别原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统，其嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，也可将其定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。对象系统是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统，如本文中所涉及到的数据采集系统。

　　针对对象系统的环境（如地理、成本）要求，嵌入式系统是要嵌入到对象系统中去，能够满足对象要求的最小软、硬件配置及对象系统控制要求的计算机系统。它的三个基本要素即“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”。

　　嵌入式系统按形态可分为三种：芯片级嵌入式计算机即微控制器，俗称单片机;模板级嵌入式计算机，即以8位、16位、32位微处理器为核心的板卡或模块;系统级嵌入式计算机。本文中采用的ADAM-5510即是一款模板级的嵌入式系统。

3 GPRS技术及其特点[2]

　　GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS理论带宽可达171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于Internet连接、数据传输等应用。它采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS能将数据打包发送，允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，只有在资料需要传送时才会占用频宽，且传输时按量计价，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，对于用户来说比较经济合理。在本研究课题中使用GPRS技术传输，实现数据分组发送和接收。能永远在线并且只按传输流量计费，较大幅度地降低服务成本。

4 监控与数据采集系统（SCADA）[3][4]

　　SCADA系统是以对生产过程现场的监视为主，向操作控制人员提供现场信息并由操作控制人员决定要实施的控制，最后由操作人员发出指令对现场的执行器进行操作的系统，整个系统由监控中心、若干个分散的远程测控终端RTU （Remote Terminal Unit）和通信介质三部分组成。监控中心又称主站,是SCADA系统的核心,负责控制管理整个系统的运行;RTU又称外围站点,相当于DCS中的现场控制站，是采用PLC或单片机等测控系统组成的可独立运行的智能测控模块，完成各种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与远程控制中心的通信、具有易扩展性和易维护性特点。随着开放式网络结构的不断成熟和IP技术的高速发展，系统的功能正在逐步从单一向综合的方向发展，许多过去要几个不同系统才能够实现的控制和自动化功能，现在只需要一个系统即可完成。

5 系统组成及原理

　　5.1 系统组成

　　本数据采集监控系统由现场数据采集与监控部分、GPRS传输部分、外部数据网和数据监控中心四部分组成。如图1所示。

图1 系统组成示意图

　　在图1所示系统中，现场数据采集与监控部分将各种传感器传回的信号经过智能模块的处理，通过GPRS传输部分将数据传输到GPRS网络上，再通过外部数据网（如Internet）传输。监控中心服务器通过GPRS Modem即可接受现场的全部数据。[!--empirenews.page--]

　　由于现场大多数被测量参数都是定时采集，故GPRS模块不必一直发送数据，而是每隔一段时间发送一次数据，同时，现场部分在检测到的数据变化幅度异常时，可立即发送数据，并报警。

　　5.2 现场数据采集

　　现场数据采集仪器必须与上位机有一定的通讯功能，才能使现场各种传感器输出的信号，准确地经无线传输发送给远方的监控计算机，进行分析、处理及存储。根据现场的实际情况，经过多方面的比较，决定使用嵌入式系统，数据采集器采用ADAM-5510嵌入式PC和远程模块ADAM-5000系列模块。ADAM-5000系列功能强大，可扩展，易整合，并且在通用工业数据通信网络中，它可以和PC主机进行通信;本身带有独立运行内核的独立控制器;支持多种软件，可使用它建立满足不同要求的SCADA系统。

　　ADAM-5510是PC-based可编程控制器，在一个5510的基座上有4个插槽，用户可以根据需要选用不同的5000系列模块。因此，一个ADAM-5510主单元和I/O模块的配合可以同时测量多种数据。

　　ADAM-5510内置基于x86-CPU的 ROM-DOS，16位微处理器，256KB Flash，256KB SRAM，内建ROM-DOS，支持COM端口，2个RS-232，1个RS-485;它是在C语言环境中开发的，带有自身的C语言库函数，在程序中可以直接调用这些函数，编译，链接生成可执行文件。最后一起下载到ADAM-5510的Flash ROM中。

　　基于ADAM-5510的数据采集系统能够在恶劣环境下可靠工作，是一种智能化的现场信息采集单元，特别适合于采样及控制点分散，与主机距离较远的数据采集及控制场合。ADAM-5510基座的插槽数，相应模块的通道数都较好的适应和满足了本系统，在本系统中所反应出来的性价比较高。

　　对于现场站点采用的是3片8路模拟量输入模块ADAM-5017H采集模拟量信号，一片4路模拟量输出模块ADAM-5024作为数据输出模块。

　　现场使用传感器测量的信号有温度、压力、流量、油罐的液位和储油量、电压、电流等，信号的传输类型有传统的4-20mA，此外还有基于现场总线的传感器，本系统使用了一些HART协议的传感器。如图2所示，4-20mA接到ADAM-5017H，8个HART信号并联在一条线缆上，通过HART Modem接到ADAM-5510的一个串口上。这种连接方法使全部传感器仅使用一个GPRS模块，可大大节省成本。

图2 现场模块连接图

　　除传感器外的所有设备（包括ADAM-5510、HART Modem和GPRS模块）均置于一个IP66工业级密封箱内，并安装在现场。

　　5.3 GPRS传输

　　针对通讯成本和易用性，本系统采用H7112 GPRS DTU作为通讯模块。它是一种嵌入式设备，具有TTL、RS-232/442/485、以太网等多种接口方式,并有耳机和麦克风接口，软件部分内置了TCP/IP等通讯协议。在数据监控中心一端以配置专门的模块统一收发数据，通过对数据的透明传输，现场的数据收集/发送到相应的数据中心。数据传送是完全透明的，不需要后台计算机支持，没有对数据添加任何多余的协议，也不会对数据的排列作修改。GPRS DTU数据传送的方向是指定的数据中心地址（IP地址）。并且H7100 GPRS DTU具有自动拨号和在线状况自动检测的功能。

　　5.4 数据监控中心

　　数据监控中心有多种接入方式，可结合GPRS的特点和应用领域的具体要求进行组网。组网形式由业务数据量、时延、可靠性要求、数据保密性、网络状况决定。其中专线接入适合电力、金融、证券、工业监控等行业。企业通过专线接入中国移动的路由器，移动为用户提供公有或私有IP地址。在传输数据的过程中使用专线接入中国移动的GPRS网络，GPRS DTU向数据中心实时发送数据，传送完全透明，不需要后台计算机支持，没有对数据添加任何多余的协议，也不会对数据的排列作修改。数据中心使用H6210 Modem作为中心接入的硬件设备。H6210 Modem绑定中国移动提供的SIM卡固定数据中心地址（IP地址）。GPRS DTU向这个IP地址发送数据。监测中心的查询命令或控制命令也可以通过互联网和GPRS网发送到GPRS模块汇总，再由GPRS模块传送给各个仪表，对它们进行操作。数据监控中心主要是工艺流程及数据的实时显示，本系统中采用Kingview 6.5组态软件，对传送到监控中心的信号进行监控管理。

6 小结

　　基于嵌入式PC模块与GPRS通讯网络构建远程监控与数据采集系统，与传统的有线或点对点无线远程监控与数据采集系统相比，具有成本低、可靠性高、不受恶劣气候影响等优点。该系统适用于油田、矿山等大型企业生产过程的集中监控与管理，因此，其具有实际应用价值。