新型智能流量變送器在數(shù)字化油田的研究與應(yīng)用

向華州 張景祖 相一 商旭

（長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠數(shù)字化與科技信息中心，陜西西安 710201）

新型智能流量變送器在數(shù)字化油田的研究與應(yīng)用

向華州 張景祖 相一 商旭

（長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠數(shù)字化與科技信息中心，陜西西安 710201）

本文針對(duì)數(shù)字化油田輸油管線使用容積式流量計(jì)在線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)常用流量采集設(shè)備和傳輸方法進(jìn)行了探討，引進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了ZMTD型智能流量變送器。文中介紹了新型智能流量變送器工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)分析介紹了流量計(jì)的特性和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況跟蹤，驗(yàn)證了新型流量變送器精確性和穩(wěn)定性。

流量計(jì) 智能 變送器 在線監(jiān)測(cè)

1　引言

容積式流量計(jì)以其計(jì)量精度高，廣泛應(yīng)用于油田原油管道輸送計(jì)量。隨著油田數(shù)字化建設(shè)，傳統(tǒng)的機(jī)械表頭已不能滿足流量數(shù)據(jù)在在線監(jiān)控，必須采用電子流量計(jì)表頭，用于轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)傳流量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。我廠率先引進(jìn)了一種新型智能流量變送器，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，該型流量變送器具備穩(wěn)定性高、采集準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，具有推廣使用的意義。

2　流量變送器技術(shù)現(xiàn)狀

在油田中常用的有橢圓齒輪流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、腰輪流量計(jì)和刮板流量計(jì)，通過(guò)在流量計(jì)機(jī)械傳動(dòng)輸出軸上安裝流量變送器，將機(jī)械輸出信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，遠(yuǎn)傳至站控操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)、累積流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

常用的流量變送器主要采用光電轉(zhuǎn)換和電磁轉(zhuǎn)換方式，使用脈沖信號(hào)、485信號(hào)采集和CMBUS方式傳輸采集，根據(jù)轉(zhuǎn)換方式和傳輸方式的不同，構(gòu)成各種流量變送器，油田中常用的有2種。

2.1光電脈沖表頭

2.1.1工作原理

在流量計(jì)機(jī)械表頭輸出轉(zhuǎn)軸安裝光電脈沖發(fā)生器，光電脈沖發(fā)生器采用“機(jī)-光-電”模式的編碼原理，由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤與流量計(jì)機(jī)械輸出軸同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)信號(hào)線將脈沖信號(hào)遠(yuǎn)傳至PLC，由PLC程序通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)計(jì)算當(dāng)前流量計(jì)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算累計(jì)流量。

圖1　MTD型智能流量變送器拓?fù)鋱D

表1　智能流量變送器與普通流量?jī)x表主要性能對(duì)比表

2.1.2缺點(diǎn)

采用脈沖計(jì)數(shù)方式計(jì)算瞬時(shí)和累積流量，無(wú)法避免振動(dòng)與流量計(jì)振動(dòng)、倒轉(zhuǎn)引起的誤計(jì)數(shù)，累計(jì)流量隨時(shí)間增加誤差也不斷增大。流量數(shù)據(jù)要依靠PLC計(jì)算，當(dāng)發(fā)生停電、PLC故障或站控系統(tǒng)故障時(shí)，就會(huì)停止計(jì)算流量，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，無(wú)法滿足流量精確計(jì)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

2.2RS-485表頭

2.2.1工作原理

RS-485表頭直接替換原機(jī)械表頭，采用了“機(jī)-磁-電”轉(zhuǎn)換的增量編碼原理，實(shí)現(xiàn)本地電子顯示瞬時(shí)、累積流量。同時(shí)，通過(guò)信號(hào)線可將數(shù)字信號(hào)傳輸至PLC，從而可在站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集，可靠性較光電脈沖表頭高。

2.2.2缺點(diǎn)

采用RS-48表頭，需拆除現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械表頭，現(xiàn)場(chǎng)電子表頭讀數(shù)將作為讀取累積流量的唯依據(jù)，無(wú)機(jī)械表顯示，無(wú)法判斷其計(jì)量準(zhǔn)確性，且采用RS-485通訊方式，抗干擾能力較差。

2.3ZMTD型智能流量變送器

為提高流量計(jì)計(jì)量與采集結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，一些新式的流量變送器應(yīng)用了前沿的傳感技術(shù)和傳輸方式。ZMTD型智能流量變送器應(yīng)用了絕對(duì)編碼的磁電轉(zhuǎn)換裝置和CMBUS協(xié)議通訊方式，適用于數(shù)字化油田中廣泛應(yīng)用的容積式流量計(jì)的流量在線監(jiān)控。

2.3.1工作原理

ZMTD型智能流量變送器流量變送器轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的測(cè)量原理采用了“機(jī)-磁-電”轉(zhuǎn)換模式，磁鋼旋轉(zhuǎn)與磁敏元件陣列產(chǎn)生磁場(chǎng)變化，再將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，后轉(zhuǎn)換為12位的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)本地表頭顯示。同時(shí)，通過(guò)信號(hào)線采用CMBUS將數(shù)字信號(hào)傳輸至室內(nèi)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再用RS-485通訊傳輸至PLC，實(shí)現(xiàn)站控系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集。

2.3.2組成及安裝調(diào)試

ZMTD型智能流量變送器流量變送器由轉(zhuǎn)換器、傳感器、顯示表頭三部分組成。

安裝時(shí)，在流量計(jì)的機(jī)械輸出轉(zhuǎn)軸安裝“ZMTD-C/F型智能流量變送器”并接入2芯電纜，在室內(nèi)機(jī)柜端接入“ZB-F-1型智能轉(zhuǎn)換器”（C-MBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-485 MODBUS協(xié)議），通過(guò)串口RS-485 MODBUS協(xié)議上傳至站控PLC。（見圖1）

2.3.3技術(shù)特點(diǎn)

由于ZMTD型智能流量變送器采用了特殊的傳感轉(zhuǎn)換方式和通訊協(xié)議，優(yōu)化的軟件設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的光電脈沖發(fā)生器和RS-485表頭相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。（見表1）

（1）高計(jì)量精度。該變送器轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的測(cè)量原理采用了“機(jī)-磁-（2）性能穩(wěn)定。ZMTD型智能流量變送器結(jié)合“后備電池+超級(jí)電容+CMBUS總線供電”等多重措施，功耗低，實(shí)現(xiàn)掉電工作維持、掉電記憶保持等功能，保證了現(xiàn)場(chǎng)表頭的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，避免累計(jì)流量誤差的產(chǎn)生。

電”轉(zhuǎn)換模式，采用360°的“絕對(duì)值編碼器”工作模式，具備位置識(shí)別與過(guò)零檢測(cè)，能準(zhǔn)確從原理上徹底避免了流量計(jì)“震動(dòng)、液體倒流”等各種直接干擾。對(duì)應(yīng)輸出4096個(gè)12位的二進(jìn)制碼，分辨率高，計(jì)量準(zhǔn)確性大幅提高。

（3）兩線制總線傳輸。采用2線制CMBUS總線（兩芯線兼顧供電和通訊）傳輸至CMBUS總線RTU，且一臺(tái)RTU利用一對(duì)總線可以掛接多達(dá)256臺(tái)變送器表頭。

3　ZMTD型智能流量變送器應(yīng)用研究

3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1.1現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，環(huán)三聯(lián)合站環(huán)五轉(zhuǎn)來(lái)油流量計(jì)型號(hào)為上海九儀刮板20-100型流量計(jì)，未進(jìn)行數(shù)字化改造，符合新型流量計(jì)的安裝使用要求，對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行安裝測(cè)試。

3.1.2準(zhǔn)確性測(cè)試

記錄現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械表頭、現(xiàn)場(chǎng)變送器表頭和站控系統(tǒng)累積流量，經(jīng)過(guò)1個(gè)月的跟蹤對(duì)比，記錄數(shù)據(jù)偏差。

通過(guò)一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)跟蹤對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械表頭、現(xiàn)場(chǎng)變送器表頭和站控系統(tǒng)累積流量絕對(duì)一致，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

3.1.3穩(wěn)定性測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變送器進(jìn)行信號(hào)中斷、線路短路測(cè)試，驗(yàn)證變送器的抗干擾和數(shù)據(jù)保持能力。

通過(guò)進(jìn)行多次測(cè)試，變送器和RTU轉(zhuǎn)換器在線路短路、通訊中斷的狀態(tài)下，內(nèi)部電路的防隔離技術(shù)可以很好的保護(hù)儀表，運(yùn)行穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。

3.2推廣應(yīng)用

經(jīng)過(guò)在環(huán)三聯(lián)合站的試驗(yàn)測(cè)試，ZMTD型智能流量變送器數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定，隨即在全廠開展推廣應(yīng)用，主要對(duì)前期未進(jìn)行數(shù)字化改造的機(jī)械式流量計(jì)進(jìn)行安裝更換，對(duì)19座站點(diǎn)，共計(jì)34個(gè)流量計(jì)進(jìn)行更換。

4　結(jié)語(yǔ)

ZMTD型智能流量變送器適用于油田各種帶有機(jī)械輸出轉(zhuǎn)軸的容積式流量計(jì)，具有精確性、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

前期站點(diǎn)建設(shè)流量計(jì)均按脈沖信號(hào)布2芯線，改為RS-485通訊需重新布3芯信號(hào)線，工作量較大，且更換后無(wú)機(jī)械表頭顯示，無(wú)法判斷其準(zhǔn)確性，ZMTD型智能流量變送器采用2線制通訊方式，非常適用于該部分流量計(jì)的數(shù)字化建設(shè)及改造，實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)控。