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摘 要 文章研究了远程监测管理联合站及中转站天然气计量系统。以PLC为站内数据采集平台，利用上位机组态软件实时显示现场生产数据，以各站为节点，通过OPC、ODBC、API/SDK等接口方式访问各节点实时数据库，研究硬件组态、数据组态、图形图像组态技术，建立远程统一的监测管理平台，实现远程采集汇总、多站点集中显示和数据库存储功能，实现全厂外输气的计量。
关键词 PLC；组态软件；计量；实时监测
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0033-02
联合站天然气标准计量系统作为采油厂与天然气公司进行天然气交接的计量凭证，对采油天然气的生产管理具有重要意义。随着科技发展及油田数字化进程的不断深入，自动化、信息化、网络化已成为未来油田控制系统的发展趋势。而某采油厂目前使用的天然气计量系统只能用于各天然气计量口对本站天然气生产数据进行采集和显示，无法实现远程采集汇总、多站点集中显示和数据库存储功能，没有形成对全厂天然气进行统一监测的管理平台，不适应数字化油田发展的要求。该厂研制了一套新的天然气计量监测管理系统，该系统以新标准为基础，配套相应的采集硬件和组态软件，增加数据远程传输与存储、信息网络共享和在线实时监测等适应数字化油田建设的新功能。
1 系统总体设计
本系统是要建立远程平台监测管理厂内各个联合站天然气相关数据，数据有效的汇总、集中显示，便于管理全厂天然气外输数据。系统采用现场一次仪表采集数据并发送给PLC进行信号处理，处理好的信号通过I/O接口通讯传送到站内设计好组态程序的工控机，组态程序会对数据进行实时、历史数据显示、跟踪及报警处理等，最终在远程平台上通过ODBC接口采集全厂各站天然气数据并存储，通过二次开发的手段建立远程平台。
2 系统硬件设计
系统以西门子S7-300可编程控制器为核心，根据采集信号的数量和类型，选取相应接口模块、通信模块、信号模块、功能模块及通讯处理器，组建站内PLC数据采集平台。PLC设置主要对各个智能模块的参数进行设置，包括报警限值的设置、采样周期的设置、数据采集预处理等，如对模拟量输入通道的转换时间设置等。
将现场一次仪表采集的信号送给PLC输入模块（数字模块或者模拟模块），模块将信号按照存储器中存储的程序进行运算处理，然后经输出模块传送给上位机显示。上位机即工控计算机（IPC），通过组态软件建立一套人机交互界面（HMI），作为站内生产管理的依据，完成PLC的监控、生产操作管理等，主要针对现场操作人员。
3 系统软件设计
3.1 PLC程序设计
根据硬件系统组建情况，使用STEP 7开发软件进行硬件组态。定义通道变量、编制数据采集程序，实时获取现场仪表采集到的天然气压力、温度、差压等生产数据，并通过串行通讯模块向各计量口的天然气计量监测系统传输有关数据。
STEP7开发软件支持多种编程语言，常用的有梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。在编程时所有程序按照功能不同被写入不同的逻辑块，常用的逻辑块有组织块OB、功能块FB和程序块FC，此外还有用于存放数据变量的数据块DB、自定义数据类型UDT等。
为实现压力、温度等生产数据的读取，首先建立1个数据块，存储所有采集信号。然后编写数据线性化程序，将4～20 mA模拟信号转化为数字信号，最后在另一个程序块中反复调用线性化程序，将现场采集的所有4～20 mA模拟信号转化为可供显示的数字信号。
为实现报警功能，同样需要建立1个数据块，存储所有报警点，编写程序循环检查所有报警点是否满足报警条件，一旦报警条件满足就输出报警信号，通过声、光等形式响应报警信息。
由于联合站天然气流量计使用孔板方式进行流量计量，为了采集流量信号，需要对孔板中的各项信号进行采集和编程，借助FM350编程数据块，编写程序实现瞬时流量和累计流量的计算。
3.2 组态软件程序设计
3.2.1 组态软件数据库设计
组态软件实时数据库负责与I/O调度程序进行通讯，获取监测设备的数据，同时作为一个数据源服务器在本地给其它程序（如界面系统VIEW等）提供实时和历史数据。系统的整个数据采集过程可以按照区域、单元及点来划分，区域代表单个站的工艺过程，单元代表各个工艺设备的集合，点代表完成特定功能的一类点。在数据库中，系统是以点为单位存放各种信息的，点是一组数据值的集合。
上位机平台为了获取现场生产信息，建立数据库变量表，内容涵盖所有外输天然气计量口的生产信息，与计量仪器所采集的信号相对应，在每个通讯周期里扫描并获取硬件设备数据通道内的数据，间接获得现场计量设备传输的生产数据，并将其存入组态软件内部数据库，用于数据运算和调取显示。通过网络与各计量口的天然气监测系统进行连接，使用数据关联功能实时获取其数据库中的生产数据，并存入自身数据库相应的变量中，即可实现全厂各个外输天然气计量口生产信息的集中汇总。
数据采集工作由网络上各个计量口服务器完成，每个计量口的天然气计量系统分别处理各自监控对象的数据采集、数据运算、历史数据保存、报警处理等工作。
3.2.2 超压缩因子计算
在制作界面过程中，嵌入超压缩因子和天然气流量的计算模块，在后台运算得到天然气瞬时流量、累积流量等生产数据，与压力、温度、差压等数据一同显示在界面中。超压缩因子是因天然气特性偏离理想气体定律而导出的修正系数。按照新标准的规定，当天然气以甲烷为主，混有乙烷和少量重烃时，其超压缩因子按下式计算：
式中、、、、等参数在新标准中均有明确的推导过程。
根据公式定义，使用编程语言对天然气超压缩因子进行模块化编程，以便嵌入到流量计算程序中，实时计算天然气流量。根据新标准，确定相应参数，编写天然气流量计算程序。按照新标准的规定，根据实际情况，参照新标准对各参数的确定方法，可得各个系数，经过一系列迭代计算就可以求得天然气流量。通过软件编程实现上述迭代计算，即得到天然气流量计算程序。
3.2.3 远程平台的实现
在远程监测管理平台中应用自动报表技术，通过调用数据库查询历史数据，可以绘制全厂天然气单日产量表和月报表，实现了各计量口生产数据的同时计量、同时显示和同表打印，彻底改变了某采油厂天然气计量模式。根据生产需要制作数据显示、参数设定、流程图展示、历史曲线、报警记录和自动生成报表等功能页面，每个页面都采用标准控件，使得页面简洁、明了。
4 结论
本文根据某采油厂联合站的实际情况和PLC及组态软件的特点，对系统进行了整体设计。通过研究硬件数据采集、网络拓扑结构、超压缩因子及组态显示的程序化、模块化，实现了天然气数据的综合查询，实时数据跟踪管理等主要功能。经过实际检验，全厂天然气数据的汇总查询与分析功能很好地满足了该厂外输气计量管理的要求。
参考文献
[1]中国石油天然气集团公司.GB/T 21446-2008用标准孔板流量计测量天然气流量[S].中国标准出版社，2008.
[2]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[3]北京三维力控科技有限公司.力控ForceCcontrol6.1[Z]. 2008.
关键词 PLC；组态软件；计量；实时监测
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0033-02
联合站天然气标准计量系统作为采油厂与天然气公司进行天然气交接的计量凭证，对采油天然气的生产管理具有重要意义。随着科技发展及油田数字化进程的不断深入，自动化、信息化、网络化已成为未来油田控制系统的发展趋势。而某采油厂目前使用的天然气计量系统只能用于各天然气计量口对本站天然气生产数据进行采集和显示，无法实现远程采集汇总、多站点集中显示和数据库存储功能，没有形成对全厂天然气进行统一监测的管理平台，不适应数字化油田发展的要求。该厂研制了一套新的天然气计量监测管理系统，该系统以新标准为基础，配套相应的采集硬件和组态软件，增加数据远程传输与存储、信息网络共享和在线实时监测等适应数字化油田建设的新功能。
1 系统总体设计
本系统是要建立远程平台监测管理厂内各个联合站天然气相关数据，数据有效的汇总、集中显示，便于管理全厂天然气外输数据。系统采用现场一次仪表采集数据并发送给PLC进行信号处理，处理好的信号通过I/O接口通讯传送到站内设计好组态程序的工控机，组态程序会对数据进行实时、历史数据显示、跟踪及报警处理等，最终在远程平台上通过ODBC接口采集全厂各站天然气数据并存储，通过二次开发的手段建立远程平台。
2 系统硬件设计
系统以西门子S7-300可编程控制器为核心，根据采集信号的数量和类型，选取相应接口模块、通信模块、信号模块、功能模块及通讯处理器，组建站内PLC数据采集平台。PLC设置主要对各个智能模块的参数进行设置，包括报警限值的设置、采样周期的设置、数据采集预处理等，如对模拟量输入通道的转换时间设置等。
将现场一次仪表采集的信号送给PLC输入模块（数字模块或者模拟模块），模块将信号按照存储器中存储的程序进行运算处理，然后经输出模块传送给上位机显示。上位机即工控计算机（IPC），通过组态软件建立一套人机交互界面（HMI），作为站内生产管理的依据，完成PLC的监控、生产操作管理等，主要针对现场操作人员。
3 系统软件设计
3.1 PLC程序设计
根据硬件系统组建情况，使用STEP 7开发软件进行硬件组态。定义通道变量、编制数据采集程序，实时获取现场仪表采集到的天然气压力、温度、差压等生产数据，并通过串行通讯模块向各计量口的天然气计量监测系统传输有关数据。
STEP7开发软件支持多种编程语言，常用的有梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。在编程时所有程序按照功能不同被写入不同的逻辑块，常用的逻辑块有组织块OB、功能块FB和程序块FC，此外还有用于存放数据变量的数据块DB、自定义数据类型UDT等。
为实现压力、温度等生产数据的读取，首先建立1个数据块，存储所有采集信号。然后编写数据线性化程序，将4～20 mA模拟信号转化为数字信号，最后在另一个程序块中反复调用线性化程序，将现场采集的所有4～20 mA模拟信号转化为可供显示的数字信号。
为实现报警功能，同样需要建立1个数据块，存储所有报警点，编写程序循环检查所有报警点是否满足报警条件，一旦报警条件满足就输出报警信号，通过声、光等形式响应报警信息。
由于联合站天然气流量计使用孔板方式进行流量计量，为了采集流量信号，需要对孔板中的各项信号进行采集和编程，借助FM350编程数据块，编写程序实现瞬时流量和累计流量的计算。
3.2 组态软件程序设计
3.2.1 组态软件数据库设计
组态软件实时数据库负责与I/O调度程序进行通讯，获取监测设备的数据，同时作为一个数据源服务器在本地给其它程序（如界面系统VIEW等）提供实时和历史数据。系统的整个数据采集过程可以按照区域、单元及点来划分，区域代表单个站的工艺过程，单元代表各个工艺设备的集合，点代表完成特定功能的一类点。在数据库中，系统是以点为单位存放各种信息的，点是一组数据值的集合。
上位机平台为了获取现场生产信息，建立数据库变量表，内容涵盖所有外输天然气计量口的生产信息，与计量仪器所采集的信号相对应，在每个通讯周期里扫描并获取硬件设备数据通道内的数据，间接获得现场计量设备传输的生产数据，并将其存入组态软件内部数据库，用于数据运算和调取显示。通过网络与各计量口的天然气监测系统进行连接，使用数据关联功能实时获取其数据库中的生产数据，并存入自身数据库相应的变量中，即可实现全厂各个外输天然气计量口生产信息的集中汇总。
数据采集工作由网络上各个计量口服务器完成，每个计量口的天然气计量系统分别处理各自监控对象的数据采集、数据运算、历史数据保存、报警处理等工作。
3.2.2 超压缩因子计算
在制作界面过程中，嵌入超压缩因子和天然气流量的计算模块，在后台运算得到天然气瞬时流量、累积流量等生产数据，与压力、温度、差压等数据一同显示在界面中。超压缩因子是因天然气特性偏离理想气体定律而导出的修正系数。按照新标准的规定，当天然气以甲烷为主，混有乙烷和少量重烃时，其超压缩因子按下式计算：
式中、、、、等参数在新标准中均有明确的推导过程。
根据公式定义，使用编程语言对天然气超压缩因子进行模块化编程，以便嵌入到流量计算程序中，实时计算天然气流量。根据新标准，确定相应参数，编写天然气流量计算程序。按照新标准的规定，根据实际情况，参照新标准对各参数的确定方法，可得各个系数，经过一系列迭代计算就可以求得天然气流量。通过软件编程实现上述迭代计算，即得到天然气流量计算程序。
3.2.3 远程平台的实现
在远程监测管理平台中应用自动报表技术，通过调用数据库查询历史数据，可以绘制全厂天然气单日产量表和月报表，实现了各计量口生产数据的同时计量、同时显示和同表打印，彻底改变了某采油厂天然气计量模式。根据生产需要制作数据显示、参数设定、流程图展示、历史曲线、报警记录和自动生成报表等功能页面，每个页面都采用标准控件，使得页面简洁、明了。
4 结论
本文根据某采油厂联合站的实际情况和PLC及组态软件的特点，对系统进行了整体设计。通过研究硬件数据采集、网络拓扑结构、超压缩因子及组态显示的程序化、模块化，实现了天然气数据的综合查询，实时数据跟踪管理等主要功能。经过实际检验，全厂天然气数据的汇总查询与分析功能很好地满足了该厂外输气计量管理的要求。
参考文献
[1]中国石油天然气集团公司.GB/T 21446-2008用标准孔板流量计测量天然气流量[S].中国标准出版社，2008.
[2]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[3]北京三维力控科技有限公司.力控ForceCcontrol6.1[Z]. 2008.