OPC 技術在安塞油田集散控制系統中的應用

北京安控科技股份有限公司 鮑興武

1 引言

油田內有大量的采油井場，是油田的抽油井所在地。由于安塞油井的地理位置分散且分布區域廣，而且離油田聯合站的中心控制室較遠，但又需要監視每口油井的抽油機載荷、電潛泵井及螺桿泵井電機電流、功率因數，以及井口壓力、井口溫度、井底流壓、井底溫度等參數。如果采用原來的油田聯合站集散控制系統不但達不到控制分散、控制功能下移等要求，而且還必須選擇符合該集散控制系統通信要求的控制器、變送器等現場設備。所以對油井參數的監控采用PROFIBUS-PA 現場總線控制系統，并將它集成于原來的油田聯合站集散控制系統的LCN（Local ControlNetwork） 網層。

另外，還需要將油田聯合站集散控制系統的信息傳遞到生產管理信息系統供它們決策分析，同時需要將分析的結果和管理信息傳送到集散控制系統中，從而實現對生產過程的管理。這就要求將油田聯合站集散控制系統與上層管理信息系統連接起來。由于它們之間的通信協議不同，很難方便地相互通信，而采用OPC（OLE For Process Control）技術就可以方便地集成。

2 OPC技術

2.1 技術原理

OPC 是一種基于微軟OLE（對象鏈接與嵌入）、COM（組建對象模型）和DCOM（分布式組建對象模型） 組件在過程控制中的應用技術。利用OPC 技術可以實現控制系統的現場設備層、過程管理層以及信息層之間的無縫集成。

OPC是一個開放的技術規范，它制定了過程客戶應用程序和服務器應用程序之間進行交互的軟件接口標準。通過該接口可以實現OPC客戶與OPC 服務器之客戶決定與OPC服務器的斷開和連接，只要客戶符合OPC規范就可以和OPC服務器連接。

OPC客戶和OPC服務器之間進行數據交互主要有同步和異步兩種方式。同步方式實現較簡單，即客戶端先向服務器端發出讀/寫請求，然后等待服務器返回“完成信息”。它適用于客戶數量較少而且同服務器交互也較少的場合。

異步方式的實現較為復雜，即客戶端向服務器發出讀/寫請求，服務器在接受請求后向客戶端返回一個應答表明請求已被接受，當服務器真正完成讀/寫操作后，它就通過客戶端IOPCDataCalllback 接口返回回調信息。它適用于大量客戶和交互較多的場合。

2.2 OPC 服務器的開發方式

OPC是以微軟的COM/DCOM技術為基礎的，因此OPC服務器開發人員必須熟悉COM/DCOM 技術、OPC服務器的相應規范以及支COM/DCOM 的計算機語言（如Visual C++、Visual Basic、Borland C++ Builder等）。OPC服務器的開發方式有直接開發和利用快速開發工具開發。

直接開發就是根據OPC基金會提供的OPC規范進行開發，它所采用的工具一般是VC++6.0中的ATL（活動模板庫） 或MFC（微軟基礎類），ATL是開發COM/DCOM組件的專用工具，因此利用ATL 開發OPC服務器具有一定的優勢。直接開發要求開發人員還必須熟悉COM/DCOM的知識和了解OPC規范的細節，開發難度大，周期長，但開發靈活，可以根據具體的需要來實現相應的功能。利用快速工具開發是利用軟件開發商提供的軟件包進行開發，軟件包將服務器的對象與接口進行封裝，能提高開發的質量和速度，而且開發人員不需要掌握COM/DCOM知識和了解OPC規范的具體細節，因此開發難度不大，但是開發具有一定的限制功能，而且軟件包的價格也比較昂貴。

3 OPC技術在安塞油田聯合站集散控制系統中的具體應用

3.1 現場總線PROFIBUS-PA與油田聯合站集散控制系統的集成

現場總線的出現促進了現場設備的數字化和網絡化，從而使以現場總線為基礎的現場總線控制系統FCS在開放性、互操作性和控制分散性等諸多方面優于傳統的DCS。由于油田聯合站中的集散控制系統已經投入運行，而且DCS技術成熟，因此對于油田聯合站中離中心控制室較遠且比較分散的油井參數的測量與控制，采用現場總線和符合該總線協議的智能儀表變送器來完成，這樣可以節約大量電纜、橋架和連接件。同時現場總線不僅為現場設備傳送數字信號，還可以為總線上的現場儀表提供電源，滿足了現場本質安全防爆的要求。因此考慮在油田聯合站集散控制系統的基礎上對其進行改造，即將現場總線控制系統FCS集成于該集散控制系統的局部控制網LCN層。由于該油田聯合站位于沙漠地帶、氣候惡劣、溫差較大，所以選用適合過程控制而又具有本質安全性的PROFIBUS-PA現場總線。它保證了數據和電源在同一總線上傳輸，而所有連接到PROFIBUS-PA上的現場設備都必須是支持PROFIBUS-PA協議的智能設備。改造后的油田聯合站集散控制系統的結構配置如圖1所示。局部控制網LCN（Local Control Network），通用控制網UCN（Universal Control Network）和現場總線控制網。每種網上掛有不同功能的模件，實現了分散控制集中管理。其中局部控制網LCN是該集散控制系統的主干網，通用控制網UCN和現場總線控制網分別通過網絡接口模塊NIM和現場總線接口卡與局部控制網LCN 相連。

圖1 改造后的油田聯合站集散控制系統的結構配置圖

3.2 OPC 技術在安塞油田聯合站集散控制系統中的應用

由于OPC技術可以使控制系統方便地集成，而在油田聯合站集散控制系統中需要將現場總線PROFIBUS-PA集成在該集散控制系統的局部控制網LCN上，還需要將該集散控制系統的信息傳遞給生產信息管理系統供其分析決策，然后再將管理決策信息傳達到該集散控制系統。所以需要利用OPC技術實現現場總線PROFIBUS-PA與油田聯合站集散控制系統的集成，以及油田聯合站集散控制系統與生產信息管理系統的集成。OPC技術在油田聯合站集散控制系統中的具體應用如圖2所示。

圖2 OPC技術在油田聯合站集散控制系統中的具體應用

改造后的安塞油田聯合站的集散控制系統主要由過程控制管理站PM（Process Manager）、通用操作站US（Universal Station）、數據傳輸網絡和網絡接口模塊NIM（Network Interface Module）等組成。其數據傳輸網絡主要由3 大通信網絡組成：

現場總線PROFIBUS-PA之間采用的協議是IEC611582，它是通過PA/DP耦合器將其協議轉換為符合PROFIBUS-DP的RS485總線協議的，但是局部控制網所采用的協議為IEEE802.4令牌總線協議，因此需完成RS485總線協議和IEEE802.4令牌總線協議之間的轉換。該轉換是通過現場總線接口卡和針對該接口卡開發的OPC服務器以及支持OPC接口的客戶軟件（如支持OPC 的組態軟件）來實現的。它可將現場總線PROFIBUS-PA控制層的信息通過現場總線接口卡傳送到該接口卡的OPC服務器中，再由局部控制網層的操作站（必須安裝支持OPC接口的客戶軟件） 以OPC客戶/服務器的模式對此OPC服務器進行信息讀/寫，從而實現現場總線PROFIBUS-PA與局部控制網層之間的集成。

安塞油田聯合站集散控制系統是通過其局部控制網層和生產信息管理系統集成的，而生產信息管理系統所采用的網絡為以太網，其協議為符合IEEE802.3的TCP/IP協議。因此需要完成局部控制網層協議與生產信息管理系統協議之間的轉換。該轉換是通過工廠鏈接網絡模塊PLNM（Plant Link Net Model）和針對該模塊開發的OPC服務器以及支持OPC接口的客戶程序實現的。將油田聯合站集散控制中的信息通過PLNM傳送到該模塊的OPC 服務器中，再由支持OPC接口的生產信息管理站點（作為OPC 客戶）對該OPC服務器進行信息讀/寫操作，于是實現了油田聯合站集散控制系統與生產信息管理系統的集成。

由于要完成現場總線PROFIBUS-PA與油田聯合站集散控制系統的集成以及油田聯合站集散控制系統與生產信息管理系統的集成，所以必須進行現場總線接口卡的OPC服務器的開發和PLNM的OPC服務器的開發。目前, 它們的開發主要由相應的廠商來完成, 也可以由用戶利用快速開發工具進行開發。

4 結束語

隨著現場總線技術、現場總線儀表和OPC 技術的發展，集散控制系統可以更方便地向下與現場總線控制系統集成、向上與生產管理信息系統集成，最終實現企業管控一體化的目標。雖然一些硬件廠商、DCS廠商提供了OPC技術的支持，但是OPC技術在過程控制應用中仍有極大的潛力。目前，OPC基金會已成功發布了OPC數據存取規范3.0、OPC報警和事件規范1.10、OPC歷史數據存取規范1.10、OPC 批量數據存取規范2.0等，還需分別針對這些規范開發相應的OPC客戶和服務器，從而使報警和事件消息、歷史數據和批量數據等方便地在集成的控制系統中傳遞。OPC技術的出現和發展對控制系統產生了巨大的影響，因此跟蹤和把握這項技術是使集散控制系統具有開放性和互操作性的保障。

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