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基于Modbus协议的 注入站测控系统改造


基于Modbus协议的 注入站测控系统改造,三元注 入站改为注水站后, 需要采 集相应注水井的压力、瞬时流 量和累积流量等数据。以某注入站为例, 阐述了 测控系统的改造方案, 即, 应用组 态软件建立注入站测控系统, 通过现场总线应用Modbus协议读 取智能水流量仪表的数据, 实现单 井数据自动采集, 数据通过Web (互联网) 发布, 可实现 井口数据的远程实时监测。该注入 站测控系统投运后, 现场应用效果良好, 对同类 站场的测控系统改造具有重要的参考和借鉴意义。

大庆油田某三元 (聚合物、碱、表面活性剂) 注入站 每口注入井均安装有一个压力传感器、一套水流量计和一套母液流量计。在注三元期间, 使用PLC (可编程控制器) 系统采 集母液的流量和压力数据。

2017年, 该注入 站所属区块进入后续水驱阶段, 注入井 停注三元改为注水后, 需采集 每口注水井的瞬时流量、累积流 量和井口压力数据。因此, 对原有 母液数据采集系统进行改造, 开发了 上位机组态软件程序, 应用Modbus协议自 动读取智能水流量计的数据, 可实现 井口注水数据的实时采集、网页发布、远程监 控与管理等功能, 满足了 生产管理的需要。

1 Modbus协议

Modbus协议是Modicon公司于1978年发明 的一种用于电子控制器进行控制和通讯的通讯协议。通过此协议, 控制器相互之间、控制器 经由网络和其他设备之间可以进行通信[1]。控制器通信使用主-从技术, 即, 仅主设 备能初始化传输和查询, 其他设备 (从设备) 根据主 设备查询提供的数据作出相应反应。典型的 主设备有计算机, 典型的 从设备有可编程控制器、智能仪表等[2]

该站智 能水流量计可以通过Modbus协议与 计算机进行通信, 当主机发送命令后, 水流量 计返回瞬时流量和累积流量。协议命令及格式如下:

仪表读取数据:01 04 08 01 04 25 00 00 00 CC07 (十六进制)

其中, 数据01代表设备地址, 每个总 线上设备地址唯壹;04代表功能代码;08代表字节数量;08后数字 为仪表瞬时及累积流量。具体格式见表1。

瞬时流量:假设瞬时流量为0.260 m3/h, 在代码中01 04换算十进制数是260;瞬时数点单位为25, 根据Modbus自定义命令, 该数值 属性为瞬时正向, 3位小数且单位为m3/h。

表1 水流量计Modbus协议返 回命令数据格式   


正向总量 (即累积流量) :假设累积流量为204 m3, 00 00 00 CC, 数据从高到低, CC是*低位, 换算十进制是204;累积数点单位为07, 表示累 积没有小数且单位是m3

2 注入站 测控系统改造方案

基于Modbus协议改 造的注入站测控系统应用现场总线技术, 现场仪 表均利用原有仪表, 总线利 用原有通讯线缆, 仅新增RS-485/232转换器, 工控机 数据与智能水流量计数据同步变化, 无需数据转换计算, 保证数据准确可靠。

2.1 硬件设备连接

该注入站共有42口注入井, 需采集 每口井的瞬时流量、累积流 量及井口压力数据。采集压 力信号所需要的压力变送器利旧原系统计量三元注入液的压力变送器, 信号通过原PLC系统采集;智能水 流量计同样利旧原系统计量三元注入液流量的智能流量计。瞬时流量、累积流 量和井口压力信号通过Modbus协议采集进工控机。

通过现 场总线将每一口井的智能水流量计连接在一起, 通过RS-485/232转换器与工控机232接口直接连接。注入站 水流量计输出信号以串联方式连接, 采用自定义Modbus协议。由于同 一总线上只能挂接32个节点, 因此该 注入站采用了两组总线, 每组21个点, 每组总 线上设备地址唯壹。连接方式见图1。


图1 控制系统结构图 

2.2 设备组态及配置

该注入 站测控系统应用组态软件开发, 主要显示及监测压力和流量信号, 因此, 根据采 集信号方式不同, 需对压 力和流量信号分别组态。

2.2.1 压力信号组态

单井压力变送器与原PLC系统连接, 在不增 加自控设备的情况下, 通过OPC (过程控 制中的对象链接和嵌入技术) 方式从原PLC系统读取压力信号。

在设备组态时选择OPC客户端, 服务器 节点参数设置为PLC通讯模块的IP (互联网协议地址) , 服务器版本号设为OPC2.0, 数据读 写方式选择异步读取。在配置实时数据点时, 变量名后缀选择C_FV, 该后缀 代表压力实时值。

2.2.2 流量信号组态

该站共有42台智能流量仪, 与其他 设备组态方式不同, 在组态 软件中每台智能流量仪都需要分别组态。由于智 能流量仪输出信号通过现场总线串接在一起, 利用RS-485/232转换器 与工控机直接连接, 因此在 设备组态中选择RTU (远程终端单元) 串行口标准Modbus设备选项。设备地 址与智能流量仪内部地址对应, 通信方 式选择串口方式, 波特率9 600, 奇偶校验无。

在设备 组态时需对更新周期、扫描周 期等参数进行设置。由于1个总线连接21台设备, 每台设 备均以轮巡方式读取信息, 通过现 场试验后设定数据更新周期为500毫秒, 在上等 选项中设置连续采集失败次数10次, 故障后恢复周期为30秒;根据智能流量计Modbus协议数 据格式定义方式, 设置32位浮点 数据读取格式为H2 H1 H4 H3。通过设置后, 每个设备每10.5秒便更新一次数据, 从而保 证数据的准确性, 满足了生产需要。流量信 号组态的具体设置详见图2。


图2 设备配置 

2.3 系统功能设计

该注入 站测控系统设有动态显示、参数设定、数据查询等功能界面。动态显 示界面显示每口井压力、瞬时流量、累积流量等生产参数;参数设 定功能可以设置每台流量计底数, 设置后 工控机显示数据与流量计表头显示数据相同;数据查 询界面显示压力、流量、日注量等信息, 每日14点自动生成生产报表, 通过修 改日期可实现查询功能。

另外, 该系统还设有Web (互联网) 发布功能, 在局域 网输入网址就可以实现在网上浏览注入站各井生产参数。

3 结束语

目前, 该注入 站测控系统已改造完成并正式投运, 实现了 井口数据的实时采集、Web网页发布、生产数 据远程监测与管理等功能, 现场应用效果良好。应用组 态软件开发测控系统的改造方案在满足现场生产需要的前提下, 充分利 用已建自控设施, 节约了投资, 对同类 站场的测控系统改造具有重要的参考和借鉴意义。

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