基于PLC控制的油田自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)

張旭芬 淄博職業(yè)學(xué)院

基于PLC控制的油田自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)

張旭芬 淄博職業(yè)學(xué)院

PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。對(duì)于油田計(jì)量的具體工作來說，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的順序進(jìn)行自動(dòng)地循環(huán)、計(jì)算和控制，也可以人為地中斷機(jī)器的工作并進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。計(jì)量的控制主要分為自動(dòng)、指定、停止3個(gè)過程。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作成本，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術(shù)更具有可持續(xù)發(fā)展性，測(cè)量精度也得到進(jìn)一步的提升，提高了油田各項(xiàng)指標(biāo)資料的準(zhǔn)確性。

PLC；油田自動(dòng)化；計(jì)量系統(tǒng)；總線技術(shù)

產(chǎn)量計(jì)量是油田生產(chǎn)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，PLC控制技術(shù)在新型的油田自動(dòng)化計(jì)量裝置系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。為了解決油井生產(chǎn)過程中低產(chǎn)問題和間歇性出油的計(jì)量問題，使用S7200可編程控制器，通過構(gòu)架不同的處理模塊（如警報(bào)處理、控制、檢測(cè)、切換等），最終完成各個(gè)油井的計(jì)量信息采集和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 關(guān)鍵支持技術(shù)

1.1 PLC技術(shù)簡(jiǎn)述

PLC（Programmable Logic Controller）是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置[1]。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，包括電源、中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、通信模塊和功能模塊等，主要用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。一旦投入使用，即可完成輸入采樣→用戶程序執(zhí)行→輸出刷新的過程周期，在運(yùn)行期間，一般這樣的周期是重復(fù)執(zhí)行的。

1.2 在油田自動(dòng)化計(jì)量中的應(yīng)用

在硬件設(shè)計(jì)上，通過CPU224—XP和EM231模擬量擴(kuò)展模塊的有機(jī)結(jié)合，可以組成必要的硬件系統(tǒng)，也就是工控機(jī)加PLC。設(shè)計(jì)使用8個(gè)模擬點(diǎn)輸出和12個(gè)開關(guān)點(diǎn)輸出，運(yùn)用報(bào)警檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、有效檢測(cè)、數(shù)據(jù)切換四個(gè)主要模塊進(jìn)行工作。點(diǎn)擊進(jìn)入Start模式后，油井的具體選井信號(hào)會(huì)通過多通閥反饋給PLC系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)將記錄下液位開關(guān)處的液體位置數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，一旦計(jì)量次數(shù)與原有設(shè)定的次數(shù)數(shù)值相吻合，就開始計(jì)算液量。同時(shí)為了保證安全生產(chǎn)，對(duì)于一些故障也有特殊說明：比如液體的位置高于某個(gè)警戒值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將切換到報(bào)警模塊，進(jìn)行應(yīng)急處理；或者系統(tǒng)突遇緊急停電，也會(huì)觸發(fā)報(bào)警設(shè)置，保護(hù)生產(chǎn)安全。

通過計(jì)量流程圖可以看出，PLC系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)溫度、壓強(qiáng)、液位等傳感器的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過PLC和工控機(jī)的信號(hào)交換，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸并對(duì)儀器中液量進(jìn)行計(jì)量。此外，PLC還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱源、加熱泵的控制，以自動(dòng)化方式來維持箱內(nèi)體液位和內(nèi)部溫度。工控機(jī)主要負(fù)擔(dān)著計(jì)算的功能，結(jié)合采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，工控機(jī)根據(jù)設(shè)定的算法進(jìn)行計(jì)算，得到高精度的油井累積產(chǎn)量值和順勢(shì)采集的流量值，這些都有利于工作人員實(shí)時(shí)掌握一線最新信息。

2 自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本結(jié)構(gòu)解析

圖1為PLC計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。可編程控制器PLC主要選取的是OMRON下位機(jī)，這種PLC不僅性能穩(wěn)定可靠，并且抗干擾能力很強(qiáng)，易于做現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)和管理，具有很強(qiáng)的使用性。它的主要功能是控制、檢測(cè)溫度變化，感受壓力躍動(dòng)幅度并對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以控制電動(dòng)閥的狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及控制最終要與主機(jī)就是工控機(jī)相連接，利用TCP/IP協(xié)議和無線微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)連通，完成數(shù)據(jù)交換[2]。

對(duì)于油田計(jì)量的具體工作來說，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的順序進(jìn)行自動(dòng)地循環(huán)、計(jì)算和控制，當(dāng)然也可以人為地中斷機(jī)器的工作并進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。計(jì)量的控制主要分為自動(dòng)、指定、停止3個(gè)過程。

圖1 PLC計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)計(jì)量就是初始化程序設(shè)定，在系統(tǒng)中輸入希望達(dá)成的數(shù)值，如單井的選擇和觸發(fā)的時(shí)間，一旦液體位置達(dá)到設(shè)定的液位數(shù)值時(shí)，就進(jìn)行自動(dòng)的倒閥門排液；若液體位置已經(jīng)低于設(shè)定的最低限度值時(shí)，就停止自動(dòng)排液。將此次排液過程的出油時(shí)間和出油口徑數(shù)值返回到中控機(jī)，進(jìn)行數(shù)值的統(tǒng)計(jì)和測(cè)算，最終就可以獲得當(dāng)日的油液產(chǎn)量。這種計(jì)算是快速且循環(huán)的，按照油井的編號(hào)，一旦一口井完成之后將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)編號(hào)單位。

對(duì)于產(chǎn)量較低的井可以進(jìn)行特殊標(biāo)記，進(jìn)行特殊計(jì)量，避免由于數(shù)值冗雜產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤。

另外還可以隨時(shí)停止計(jì)量，一旦工作人員利用中控機(jī)發(fā)出停止命令的時(shí)候，一切計(jì)量過程可以被立即終止，此時(shí)若進(jìn)行設(shè)備初始化，則一切設(shè)備處于待命狀態(tài)，可以隨時(shí)從頭開始。

2.2 具體計(jì)量算法

在這一套裝置中，主要的計(jì)量算法是利用傳感器拉力數(shù)值與料斗加原油重量總值的等量換算。假設(shè)一半的料斗在開始計(jì)量時(shí)，另一半的料斗處于空閑狀態(tài)，那么在前一半不斷積累容量的同時(shí)，平衡狀態(tài)也在發(fā)生改變[3]。兩個(gè)部分的料斗一旦發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)的瞬間就可以讀出不同感壓器上的數(shù)值。這種測(cè)量值將會(huì)記錄在中控機(jī)上，與事先確定好的進(jìn)行數(shù)值進(jìn)行比較，排除掉料斗本身的重量，剩下的就是在前一部分料斗中剛剛累積的油量。同樣，另一部分的算法也如此。這兩部分的差值就是一次計(jì)量的重量。這種算法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)一些不可避免的誤差進(jìn)行最大程度的回避，比如液體掛壁凝結(jié)的部分重量以及氣液混合部分不純凈的原油的重量，都進(jìn)行了最大可能的誤差消除。只是在設(shè)定持續(xù)時(shí)間之內(nèi)的單次承壓數(shù)值才會(huì)被相加，由此推斷出這段時(shí)間內(nèi)的液油產(chǎn)量，這種疊加方式避免了重復(fù)計(jì)算帶來的誤差，進(jìn)一步提高了計(jì)算的精度和準(zhǔn)確度。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

相比老式的計(jì)量系統(tǒng)，基于PLC控制的油田自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先完成了長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)計(jì)量，工作時(shí)限可達(dá)到24 h以上；其次是功能豐富，不再是單一的單井計(jì)量方式或者定次計(jì)量方式，排序計(jì)量和定時(shí)計(jì)量的誕生標(biāo)志著工作方式的豐富；新增了計(jì)量指標(biāo)，利用水和原油的密度差，可以計(jì)算出不同產(chǎn)油地的原油含水量；PLC有完善的報(bào)警機(jī)制，對(duì)于緊急停電或者機(jī)器故障、液壓過高等事故可以進(jìn)行緊急報(bào)警，并將啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急機(jī)制，保障安全生產(chǎn)；最重要的是系統(tǒng)設(shè)有冗余主站，一旦現(xiàn)在正在運(yùn)行的主站發(fā)生了系統(tǒng)故障就可以馬上轉(zhuǎn)接冗余主站，隨時(shí)保證工作流程的暢通[4]。總體上看，新的PLC控制技術(shù)的加入減輕了以往的高強(qiáng)度人力勞動(dòng)，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化性能，不僅提高了工作效率，還減少了發(fā)生故障的可能性。事實(shí)證明，運(yùn)用PLC控制的自動(dòng)化油田計(jì)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有重要的推廣價(jià)值。

3 結(jié)語

新時(shí)期技術(shù)的革新為整個(gè)油田井下作業(yè)行業(yè)都帶來了新鮮的活力，對(duì)提高工作效率，降低工作成本都具有重要的意義。如今PLC在油田自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，不僅能夠提高油田的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行操作預(yù)判和操作決斷。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作成本，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術(shù)更具有可持續(xù)發(fā)展性，測(cè)量精度也進(jìn)一步得到了提升，大大提高了油田各項(xiàng)指標(biāo)資料的準(zhǔn)確性。

[1]張曉峰，陳勇殿，白友國(guó)，等．PLC在一種新型油井自動(dòng)計(jì)量裝置上的應(yīng)用[J]．自動(dòng)化儀表，2006，27（2）：225-226.

[2]王順華，賈建民．油井氣液兩相流全自動(dòng)計(jì)量技術(shù)[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（4）：423-426.

[3]馬強(qiáng)．稱重式油井自控計(jì)量器研制與應(yīng)用[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（2）：52-54.

[4]劉紅廣．PLC在污水泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2013，32（1）：72-73.

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.036