油田地面工程試驗(yàn)基地自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郝 明，田 民，張文焱

（黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，黑龍江哈爾濱150090）

油田地面工程每年要完成原油千萬(wàn)噸以上和天然氣百億立方米以上的產(chǎn)能，做好油田地面工程優(yōu)化簡(jiǎn)化，實(shí)施低成本戰(zhàn)略，推廣高效低碳技術(shù)就顯得特別重要。油田地面工程試驗(yàn)基地通過對(duì)各種工況的模擬為各項(xiàng)新技術(shù)、新成果推廣到實(shí)際應(yīng)用中創(chuàng)造了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的條件[1]。試驗(yàn)基地的自動(dòng)化程度又嚴(yán)重制約著各試驗(yàn)項(xiàng)目的準(zhǔn)確程度，所以試驗(yàn)基地需要一套自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行監(jiān)控，并記錄各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文介紹了大慶油田地面工程試驗(yàn)基地的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 地面工程試驗(yàn)基地工藝流程

油田地面工程試驗(yàn)站的工藝流程主要由介質(zhì)調(diào)配罐組和試驗(yàn)環(huán)道兩部分組成。參考工藝流程如圖1，當(dāng)油田地面試驗(yàn)站有試驗(yàn)任務(wù)時(shí)，首先打開井排來(lái)油閥門，給介質(zhì)調(diào)配罐組進(jìn)液。介質(zhì)調(diào)配罐組由分離罐、廢液罐、介質(zhì)罐、沉降罐、游離罐、污水罐、電脫水罐、凈化罐組成。通過以上這些裝置，對(duì)原油進(jìn)行油氣分離、沉降、脫水等工藝處理，來(lái)達(dá)到試驗(yàn)所需用油的標(biāo)準(zhǔn)和用量后即可開始在試驗(yàn)環(huán)道中進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)道由多條管徑、保溫措施、材質(zhì)不同的管道組成，可以通過用機(jī)械抬高管道落差的方式，模擬管道產(chǎn)生堵塞、溫差過大等情況，用以對(duì)原油在不同情況下輸送時(shí)的溫度、壓力等特性的變化進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)理論的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)用液在試驗(yàn)環(huán)道循環(huán)完后，回到介質(zhì)調(diào)配罐組等待下次試驗(yàn)再用，如試驗(yàn)結(jié)束則通過外輸泵輸送到其他生產(chǎn)單位。

圖1 地面工程試驗(yàn)基地工藝流程圖Fig.1 The process flow chart of ground engineering test base

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面工程試驗(yàn)基地監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)流程的控制、數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、歷史查詢、報(bào)表打印、報(bào)表存儲(chǔ)。系統(tǒng)必須能在試驗(yàn)進(jìn)行期間實(shí)時(shí)在線的連續(xù)監(jiān)測(cè)參與試驗(yàn)的設(shè)備的溫度、壓力、流量、含水率等數(shù)據(jù)。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的連貫性、一致性和完整性，本系統(tǒng)采用PLC完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與控制輸出，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示、計(jì)算轉(zhuǎn)換保存等處理。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。可編程控制器（PLC）作為下位機(jī)采集各測(cè)量設(shè)備的信號(hào)，安裝在PLC柜中；上位機(jī)系統(tǒng)安裝在監(jiān)控操作室中。由于介質(zhì)調(diào)配和試驗(yàn)環(huán)道的設(shè)備和監(jiān)控室都距離較遠(yuǎn)，所以利用網(wǎng)絡(luò)使兩臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行通訊，具備在任何一個(gè)監(jiān)控室都可以對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行操作的功能。

PLC采用歐姆龍公司的CS1G-H系列，該系列PLC適合現(xiàn)在點(diǎn)數(shù)較多的場(chǎng)合，配置靈活，功能強(qiáng)大。應(yīng)用CX-PORGRAMMER軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行編程[2]。介質(zhì)調(diào)配部分共有109個(gè)模擬量輸入信號(hào)、38個(gè)模擬量輸出信號(hào)，10個(gè)高速脈沖信號(hào)、8個(gè)開關(guān)量輸出信號(hào)、8個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)。相應(yīng)的選用了AD161模擬量輸入模塊7個(gè)、DA08C模擬量輸出模塊5個(gè)、CT041高速記數(shù)模塊3個(gè)、ID211開關(guān)量輸入模塊1個(gè)、OC211開關(guān)量輸出模塊1個(gè)，由于模塊較多，PLC采用了雙機(jī)架設(shè)計(jì)，考慮PLC底版電流的限制，需要將模塊合理分布在兩個(gè)機(jī)架上。試驗(yàn)環(huán)道部分點(diǎn)數(shù)較少，采用4塊AD161模塊、1塊OC211、1塊ID211。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)可由工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)在Windows環(huán)境下配以北京三維科技有限公司的力控監(jiān)控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與設(shè)備的管理。

整套系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化控制水平，具有自動(dòng)和手動(dòng)功能。介質(zhì)調(diào)配階段時(shí)，可以通過設(shè)定給定值的方法，切換到全自動(dòng)方式運(yùn)行。試驗(yàn)階段，可以采用在界面上點(diǎn)擊按鈕的方式啟停相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure chart of system

2.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件采用北京三維力控公司的ForceControl6.1組態(tài)軟件，與PLC通信將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[3]。軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)畫面動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印及參數(shù)修改等功能。軟件編制結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure chart of host computer software

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與顯示

力控軟件包含各種I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，其支持的硬件設(shè)備包括PLC、智能模塊、板卡等，采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均來(lái)自所連接的I/O設(shè)備。在力控I/O設(shè)備組態(tài)中選擇歐姆龍PLC設(shè)備，配置通信方式、通信地址等信息內(nèi)容。在數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)中定義I/O變量，其地址對(duì)應(yīng)PLC設(shè)備中相應(yīng)的寄存器，力控軟件再通過訪問數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量，將從設(shè)備中采集的數(shù)據(jù)顯示在操作畫面中。

系統(tǒng)主畫面顯示地面工程試驗(yàn)站的工藝過程，如圖4，通過此畫面可以監(jiān)視整個(gè)試驗(yàn)站的所有工藝過程，顯示出各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的數(shù)值。

圖4 工藝流程圖Fig.4 Process flow chart

2.2.2.報(bào)警

力控中還提供了多種報(bào)警記錄的顯示方式，如彈出報(bào)警窗、在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄，在打印機(jī)端輸出等。

本系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的報(bào)警信號(hào)主要是各個(gè)處理罐的液位情況和壓力狀態(tài)。當(dāng)液位處于高限時(shí)要彈出報(bào)警窗口提示操作人員。當(dāng)超過高高限時(shí)，要發(fā)出聲光報(bào)警，并在PLC的輸出端將進(jìn)液泵停止。壓力的處理方式與液位相似，當(dāng)罐內(nèi)壓力過高時(shí)，要將排氣閥自動(dòng)打開，進(jìn)液泵關(guān)閉。這些需要監(jiān)測(cè)報(bào)警的變量，要在建立變量時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)辭典中進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置變量的高限、低限、高高限、低低限。系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，還可以在參數(shù)修改界面中修改這些參數(shù)的報(bào)警值。報(bào)警查詢畫面設(shè)置了查詢報(bào)警的窗口，通過對(duì)參數(shù)的查詢或時(shí)間的查詢，可以追溯歷史報(bào)警。

2.2.3 數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表

試驗(yàn)站最重要的任務(wù)就是要將試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行記錄交付給試驗(yàn)方，因此需要組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)所有參數(shù)的數(shù)據(jù)記錄和保存、報(bào)表自動(dòng)生成及輸出。這就需要既能在組態(tài)軟件中建立報(bào)表，又要將所有數(shù)據(jù)存放在第三方數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便實(shí)驗(yàn)方通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問，可以獲得試驗(yàn)中的所有原始數(shù)據(jù)。

首先通過力控軟件中專家報(bào)表系統(tǒng)編輯生成需要的報(bào)表，專家報(bào)表是力控組態(tài)軟件的一大特色，利用專家報(bào)表系統(tǒng)可以很大的減少報(bào)表開發(fā)的工作量，支持CSV、XLS、PDF等文件格式的導(dǎo)入與導(dǎo)出。開發(fā)人員只需要像編輯EXCEL文件一樣對(duì)專家報(bào)表進(jìn)行編輯，寫入行名、列名，并選擇報(bào)表需要體現(xiàn)出的參數(shù)對(duì)應(yīng)的變量，設(shè)置時(shí)間樣式，即可完成報(bào)表的編輯。然后在報(bào)表界面建立報(bào)表查詢、報(bào)表打印、打印設(shè)置等按鈕，連接相關(guān)的按鈕功能（如報(bào)表查詢按鈕可以使用#Report.SetTimePar(-1)命令），即可對(duì)報(bào)表進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)存放在第三方數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，需要首先建立一個(gè)Microsoft Accesss數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用ODBC的訪問方式，力控軟件SQL訪問功能能夠和其他ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后在力控?cái)?shù)據(jù)表模板上建立一個(gè)記錄體模板；最后在力控的應(yīng)用程序動(dòng)作中使用SQLCONNECT（）函數(shù)建立與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。這樣力控軟件實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)就可以按記錄體的格式在Access中進(jìn)行記錄。試驗(yàn)方如需要原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)形式，即可通過對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問，直接拷貝讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄表。

2.2.4 參數(shù)修改

參數(shù)修改功能滿足了試驗(yàn)站對(duì)不同試驗(yàn)，系統(tǒng)參數(shù)不同的要求。如有的試驗(yàn)需要保持液體在試驗(yàn)管道中持續(xù)流動(dòng)4h、8h，但是試驗(yàn)站的罐體都較小，沒有足夠的存液能力，就需要在參數(shù)修改界面中更改流量的給定值，通過給定值的修改，PLC中控制流量的PID程序塊的給定值也隨之發(fā)生改變，達(dá)到了持續(xù)供液的要求。另外參數(shù)修改還可以修改系統(tǒng)的報(bào)警參數(shù)的上下限。參數(shù)修改功能，可以使操作人員在不進(jìn)入上位機(jī)軟件開發(fā)界面的情況下，在運(yùn)行狀態(tài)直接修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，方便了試驗(yàn)站進(jìn)行各種要求不同的試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于油田地面工程試驗(yàn)站的工藝流程和工況要求，采用PLC和力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在大慶油田地面工程試驗(yàn)站投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

［1］關(guān)延軍.油田地面工程數(shù)字化與建庫(kù)［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2007，30(4):59～61.

［2］王輝.歐姆龍系列PLC原理及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2009，101～120.

［3］馬國(guó)華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2001，56～58.