吉林油田某種氣體驅油試驗工程注入站部分監控系統的設計與開發

摘要：本文是某種氣體驅試驗工程注入站部分監控系統的設計與開發，對自動控制理論和現代網絡技術在工業生產中的應用進行了實踐性研究。詳細描述了設計開發以SIMENS S7-300系列 PLC實現現場控制、以上位工業控制機工業組態軟件完成監視和管理、通過工業現場總線與計算機以太網結合實現控制與管理網絡化的過程。

關鍵詞：某種氣體驅油；石油設備；過程控制；壓力控制；PLC；PID

緒論

石油是每個國家工業發展的重要能源基礎。我國的能源消耗中約有20%是石油和天然氣，隨著我國工業水平、科技發展和人民生活水平的提高，石油、天然氣的需求量正在逐年大幅上漲。到2020年預期將有60%的石油都必須來自進口。國內石油產量、開采效率的提高，不僅要挖掘現有油田潛力，通過提高石油技術裝備水平必須給予重視。基于此，國家設立了科技支撐計劃項目“復雜油氣田高效開發技術研究”。

一、某種氣體驅油技術的概念

（一）某種氣體驅油技術就是通過將某種氣體注入油層，改善原油物理性質從而提高原油采收率的技術。不僅適用于常規油藏，而且適用于低滲、特低滲油藏，對地質條件適應性強該氣體驅油作為一項日趨成熟的采油技術已受到世界各國的廣泛關注。目前全世界正在實施的該氣體驅油項目有近80個。隨著技術的發展和應用范圍的擴大，該氣體將成為我國改善油田開發效果、提高原油采收率的重要資源。

（二）本項目的背景、作用和意義。本項目從屬于國家科技計劃項目“復雜油氣田高效開發技術研究”課題之一的“某種氣體氣驅提高采收率試驗研究”，負責油田某區塊某種氣體驅試驗工程地面工程部分的監視和過程控制。最終這些因素反映為對最小混相壓力的影響。試驗的關鍵參數就是混相壓力，目前利用該氣體氣驅提高采收率的試驗以及將來的實際使用都要求注氣壓力處于嚴格的控制中，是本項目所承擔的工作中的重點。網絡實現也是本項目的一項重要復雜的工作。

二、監控系統的實現方法及分析

本項目要實現兩個主要任務，首先要實現現場各個壓力、溫度、流量信息的實時監視并對關鍵控制點實現控制，即所謂監控；另外還要實現各個分散場地的信息通過網絡進行交換、匯集、分析，生成報表、曲線等，并通過Internet將這些信息送達課題的試驗分析研究人員和各層管理機構。

（一）現代監控系統實現方法。現場監控系統屬于工業控制中過程控制領域，在現代工業控制領域中發展較早。在自動控制時期內，過程控制系統分別經歷了分散控制階段，集中控制階段和集散控制階段。

1、分散控制將整體控制系統分解為多個單回路，分別加以控制。

2、集中控制的典型應用為使用可編程過程控制器、工業控制計算機、PLC等為控制器，利用這種控制器可以采集較多信號（包括模擬量、數字量）的特點，將控制系統中盡可能多的信息集中進行處理。

（二）本項目涉及的傳感器、變送器。目前國際常用的標準電信號有4-20mA、0-10V、0-5V、1-5V、-10V-10V等幾種。在制作成品一次儀表時，傳感器和變送器可以做成一體，也可以做成分體型。

在工業自動化控制中涉及的傳感器、變送器多種多樣，分別用于溫度、壓力、流量、液位、氣體濃度等。

（三）現場控制器和人機界面。控制器是控制系統的大腦，分為過程控制器、可編程邏輯控制器（PLC）過程控制器、工業控制計算機

三、監控系統方案設計

（一）該氣體驅試驗地面工程監控系統的設計目標。該工程的最終目的是將液態某種氣體按照試驗要求的設定壓力注入各個單井。所以監視液態某種氣體在整個工程系統中的狀態，控制它的參數，自然就成了本監控系統的主要任務。

（二）輔助監控功能。除了完成主要控制功能外，本系統還必須完成諸如信號采集、各泵的起停、故障判斷與報警、人機界面、網絡連接等內容。

（三）網絡連接方案設計

1、S7-300PLC與上位機的通訊連接；2、智能氣體檢測二次儀表與上位機的通訊連接；3、其它網絡連接

本系統還要設計計量間數據采集卡與本地上位機的通訊連接；各個本地上位機與中央控制室的網路連接等。

（四）測量元件的選擇：

1、溫度測量—熱電阻作為測溫元件；2、壓強測量—電容式壓力變送器；3、流量測量--使用傳統的節流式V錐流量計

（五）控制器功能設計。本項目使用SIMENS公司的S7-300PLC。該系列PLC的電源、CPU、信號輸入輸出、通訊模塊等各自使用單獨的模板，可以根據實際要求靈活配置。并且可以根據實際要求變化擴展。項目所在的地面工程很多設備處于露天狀態，為了防止雷擊等意外情況造成控制系統的損毀，我們在控制柜接線時加裝了與電源、各個信號對應的浪涌保護器以隔離現場設備與控制柜內設備。

（六）控制系統的PID控制功能。控制器接收每一控制回路的壓力變送器反饋信號，作為控制回路的過程值，根據具體調節過程采用的算法，過程控制被分成許多種類，其中PID調節是過程控制中最常用也是發展較早，最為成熟的技術。

本系統直接調用S7系列PLC內嵌的PID控制函數--CONT_C功能塊。該功能塊利用連續輸入，通過計算產生連續輸出。CONT_C功能塊除了完成上述標準PID算法外，還實現了幾個輔助功能。

（七）監控系統實現

1、控制器及電氣系統硬件配置

i.控制器模板配置。本系統共有開關量輸入信號（DI）16路；開關量輸出信號（DO）14路；模擬量輸入信號（AI）46路；模擬量輸出信號（AO）3路。所以本系統使用了一條擴展機架，如圖所示。

系統控制器模板配置圖

圖中配置的S7-300PLC模板的型號和數量，下面對使用的這些模塊作簡要介紹。

ii.各模板配置

1、PLC的中央處理器CPU315-2DP—24V直流電源，4MB存儲卡

2、開關量輸入模塊SM321 --全部為干結點信號， 回路中串聯了24V電源

3、開關量輸出模塊SM322 --運行結果向外輸出電平信號

4、模擬量輸出模板SM332--現場執行器都是接收4-20mA信號，所以模板設置為4-20mA輸出。

5、CP343-1以太網卡模塊--帶有兩個RJ45網絡接口

iii.控制器電源配置

SIEMENS S7-300系列PLC的每個模板都需要24VDC供電，表格能計算出所需直流電源功率的大小。

各模板電氣參數

2、通訊功能的實現。本監控系統可以分為三種網絡。分別是PLC與上位機的網絡連接、智能儀表與上位機的連接、局域網的連接。

3、人機界面開發。本系統的操作畫面共有主畫面、參數設置、實時曲線、報警信息、用戶權限設置、幫助六個畫面。

主畫面顯示操作者日常需要監視的信息，可以通過窗口下部的按鈕進入其它畫面。包括檢測值等運行信息、手自動切換按鈕、控制參數整訂等內容。

4、軟件開發。本系統PLC程序使用了OB35中斷組織塊。還使用了SIEMENS S7系列PLC提供的OB100組織塊，OB100當控制器被熱啟動時被調用并執行一次，一些數據初始化程序可以在此實現。

i.OB1的流程

包括信號處理、泵啟停、故障判斷三大部分。

ii.系統邏輯功能測試

實驗目的：測試PLC以及上位機軟件的邏輯功能是否正確

暫時斷開現場傳感器信號，使用信號發生器代替原有信號。設定信號發生器信號達到動作發生設定值，觀察軟件輸出是否正確。

實驗結果：各個邏輯動作正確，符合工藝設計要求。

iii.系統動態響應性能測試

實驗目的：測試系統的動態響應以及穩態精度。

本實驗針對各個PID調節功能。通過在正常控制過程中人為較大幅度修改控制目標值（SP），觀察調節跟蹤曲線，分析控制系統動態響應性能；記錄正常控制過程中的偏差，觀察控制系統穩態精度。

四、結論

通過仔細研究某種氣體驅油注入站對監控系統的要求，對比各種檢測、執行、控制裝置的特點，結合過程控制理論，對某種氣體驅油注入系統的監控方案以及實現方案的硬件配置、軟件編制進行了深入研究。在該項課題的研究過程中所作的科研工作及所取得的成果如下：

1、總結對比了過程控制工程常用的檢測設備、執行元件以及控制器的發展歷史與特點，據此在本項目隨后的設計、實施中進行了傳感器、執行器、控制器的選型和參數確定。

2、根據注入站試驗設計工藝的要求，充分估計了注入站試驗現場的各種可能情況，確定了本監控系統要完成的各種功能和實現手段，包括監測方式、控制算法、故障處理等。

3、開發了本系統生產現場使用的上位機系統。設計并實現了本系統內控制器與上位機、智能儀表的網絡連接。

4、設計繪制了本地電控柜接線圖紙，完成了整套系統的軟件開發工作。

5、設計并負責實施了驗證本監控系統的測試。

參考文獻：

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