DeltaV控制系統在冀東油田南堡作業區的應用實例

陳小輝，董建國，楊建平中國石油冀東油田分公司南堡作業區，河北唐山　063004

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DeltaV控制系統在冀東油田南堡作業區的應用實例

陳小輝，董建國，楊建平
中國石油冀東油田分公司南堡作業區，河北唐山063004

摘要：DeltaV控制系統作為南堡作業區各采油區主要的生產控制系統，實現了工藝參數實時采集和精確控制功能，減少了人工操作，提高了工作效率，在日常生產中發揮了重要的作用。介紹了DeltaV控制系統及其控制模塊的功能，針對冀東油田南堡作業區的應用實例進行了分析，并對目前工藝條件下應用前景進行了探討。

關鍵詞：DeltaV系統；自動控制；功能塊；組態

隨著信息技術的發展與廣泛應用，當前各大油田逐漸向數字化油田、可視化油田等方向發展，其優點顯而易見，可以減少人工操作、提高工作效率，并且工藝運行穩定。冀東油田自2002年建成了第一個自動化計量站（M118）開始，陸續開展了數字化油田改造工作。改造初期計量站、轉油站、注水站均采用PLC控制系統，規模較小，數據處理能力有限（尤其模擬信號）。由于各井區自動化系統不同、廠家多、質量參差不齊、不同軟硬件配置混亂、數據通訊困難，導致指揮中心集成度低，軟件維護成本高。2008年冀東油田結合自身實際情況，吸取其他油田的先進經驗，引進了DeltaV控制系統。后期的南堡作業區自動化項目建設主要采用的是DeltaV控制系統。DeltaV控制系統是美國艾默生過程控制有限公司于1996年推出的，以Windows操作系統為開發平臺，以控制網絡為基本框架，以現場總線為標準，規模可擴展，完全采用數字化結構的一套控制系統。它把最新的計算機技術、網絡技術、現場總線技術、圖形化控制策略設計技術集為一體，為用戶提供了簡單、方便、靈活的軟硬件安裝方式和組態開發工具。DeltaV系統是一個可靠、安全、便于使用和維護、高度開放的控制系統，廣泛應用于石油、化工、冶金和電力等行業。

1　DeltaV控制系統

1.1DeltaV的硬件系統

DeltaV系統的硬件主要由工作站、控制網絡、控制器和IO卡件4個部分組成（見圖1）。

（1）工作站。DeltaV系統的工作站采用的是Intel公司的微處理器，按其功能劃分，主要有工程師站、操作員站和應用站。

每個DeltaV系統有且只有一個ProfessionalPlus工作站，稱之為主工程師站，該工作站負責全局數據庫的組態與維護，并配置有系統組態、維護及診斷等軟件包，具備了工程師站和操作員站的所有功能。

操作員站提供了一個功能強大的操作環境，用內嵌式的組件便于各項數據的輸入與讀取。報警列表、流程圖或模塊面板等都會有統一直觀的界面。

應用站用于存放歷史數據庫，同時可作為OPC服務器成為系統對外的接口，可配置各種優化或管理軟件來實現其他特定的功能。

圖1　DeltaV系統典型硬件配置示意

（2）控制網絡。工作站和控制器構成控制網絡的節點。DelatV的控制網絡是一個高速以太網，節點間可相互通信與連接。儀表通信網絡可以采用FF（基金會現場總線）所規定的各種網絡拓撲結構。

（3）控制器。DeltaV系統的控制器用于管理所有在線IO子系統、控制策略的執行及通訊網絡的維護。具體功能包括：采集過程數據，并進行數據轉換與處理；對生產過程進行監測和控制，輸出控制信號；現場設備及IO卡件的自診斷；與工作站進行數據通信。

（4）IO卡件。DeltaV系統的所有IO卡件均為模塊化設計，可即插即用、自動識別、帶電插拔。系統可以提供2大類IO卡件：一類是傳統IO卡件，可連接常規模擬信號、數字信號、HART模擬信號的儀表；另一類是現場總線接口卡件，可連接具備FUNDATIONTM現場總線、Profibus DP總線、AS- i總線、DeviceNet總線及RS485串口通訊的設備儀表。這2大類卡件可任意混合使用。

1.2DeltaV的軟件系統

1.2.1組態軟件

（1）DeltaV瀏覽器。它用于顯示用戶數據庫中對象的梯階結構，數據庫的對象包括控制器和輸入輸出卡件、工作站、區域、模塊、設備等。它通過采用樹形結構來管理和定義系統對象。

（2）組態工作室。它是進行控制策略創建、修改和刪除等操作的組態窗口（見圖2）。組態工作室界面主要由五大部分組成：模塊層次視圖、組態視圖、參數列表、報警視圖和功能塊面板。

（3）圖形工作室。它是組態人機交互界面的窗口，包含預先定義的圖形庫，提供了常用的圖形、文字、數據和動畫等模板，便于快捷高效地組態出美觀豐富的界面。

1.2.2操作管理軟件

（1）操作界面。DeltaV系統操作界面提供圖形工具，操作員可直接用圖標進行操作。標準操作界面分為3個預先設計的區域：按鈕工具條、工作區和報警欄。

（2）參數趨勢。DeltaV系統提供過程參數的實時和歷史趨勢。激活實時趨勢可在歷史數據庫中捕捉最近的歷史數據，并在以時間為橫坐標、參數為縱坐標的坐標軸上顯示其參數曲線。

（3）報警和事件處理。DeltaV系統報警管理包括報警優先級定義、報警的確認與消除以及相應的事件處理等。用戶可以組態智能報警。智能報警是其他報警和過程條件的組合，可動態地允許和禁止報警。

（4）操作員畫面。可根據不同應用設計不同的操作員畫面。系統為每個模塊提供預定義的彈出式控制面板、趨勢和細節畫面?？赏ㄟ^用戶定義的軟按鈕對過程控制進行操作、查看模塊細節參數或調用歷史曲線等。

圖2　DeltaV組態工作室界面

2　DeltaV控制模塊的組態

DeltaV系統的控制策略采用標準化模塊結構，圖3展示了某采油井區的控制策略分層結構。模塊是DeltaV系統中最小的控制策略實體。每個模塊在系統有唯一的實例名，系統根據實例名進行數據交換。

一般來說，一個模塊包含一個或多個被定義的控制對象及其相關的邏輯。模塊包含了對過程設備進行控制的算法、條件、報警、顯示、歷史信息以及其他一些相關特征。DeltaV中的模塊及其相關的邏輯可以方便地創建、下載、操作、調試，并進行現場控制檢驗。

控制模塊的組態主要在組態工作室里以圖形化的方式完成，通過在面板欄選取需要的功能塊，對功能塊參數進行設置與連接，設計出滿足工藝要求的控制策略。系統提供了大量標準算法的功能塊（如模擬量輸入功能塊AI、設備控制功能塊DC、減法功能塊SUB），采用鼠標拖放式組態方式，使組態變得簡單、便捷。組態的控制模塊可在線下載，而不影響系統的正常運行。在線仿真功能可以使組態的正確性立即得到驗證。系統在現場連接之前，即可進行所有控制方案邏輯的正常調試，從而減少現場調試的工作量。

控制模塊組態的步驟如下：

（1）在組態工作室中創建工廠區域并定義其相關的控制模塊。

（2）根據控制需求為模塊添加相應的功能塊并組態其參數。

（3）驗證控制模塊是否組態正確，并分配下載到IO卡件相對應的控制器。

（4）在DeltaV操作界面上繪制工藝流程并鏈接模塊的實時數據。

3　應用實例

3.1液位連鎖控制

應用背景：南堡采油三區生活污水需要排放到污水池進行有氧處理，然后將處理后的凈化水再排放到清水池，清水池液位可通過自動啟停泵實現將液位控制在合適范圍內。原工藝設計是采用西門子PLC200作為小型控制系統，用兩個高、低浮子液位開關來控制機泵啟停（見圖4）。

圖4　采油三區清水池工藝流程示意

原PLC控制原理：當水池液位升至高浮子液位計被淹沒時，開關閉合，使控制電機的輸出點置位，排水泵啟動排液降低水池液位；當其液位降低至低液位刻度時，浮子液位計浮力降低了，開關斷開，使控制電機的輸出點復位，泵停止運轉，液位不再降低。通過液位開關控制清水池液位保持在合理的范圍。

存在的問題：原設計采用離散量控制清水泵的啟停，在日常運行過程中由于浮子液位開關不靈敏，控制經常失效，無人監管時水池經常出現冒水現象。該水池狹小且為密閉式容器，進入水池進行檢修存在一定的風險。

為解決清水池液位控制失效的問題，可利用該采油區既有的DeltaV控制系統對清水泵控制進行改造。改造思路：通過水池液位計傳送信號到控制系統，DeltaV控制器組態的功能塊識別液位信號，邏輯運算功能塊判斷液位是否高于設定液位，當邏輯運算結果為1，則輸出信號啟動清水泵；當邏輯運算結果為0，則輸出信號不啟動清水泵?？刂撇呗越M態實現過程見圖5。

圖5　清水池液位控制組態示意

該控制模塊運行原理：LI1001（模擬量輸入功能塊）采集實時水池的液位，當液位≥1 500 mm，條件功能塊CND2輸出1，使SR1（置位復位功能塊）置位輸出1，其輸出控制DC1（設備控制功能塊），DC1根據內部組態邏輯，輸出離散值控制電機開關閉合，泵啟動降低液位；當液位≤500 mm時，條件功能塊CND1輸出1，使SR1功能塊復位輸出0，其輸出控制DC1功能塊，DC1輸出值使控制電機開關復位斷開，泵就停止運轉。實現該水池在無人干預的情況，自動將其液位保持在500～1 500 mm的范圍內。功能塊輸出邏輯見表1。

通過對液位的模擬量實時監控以控制清水泵的啟停，該控制系統較原PLC控制系統有如下的優點：

（1）控制可視化。DeltaV控制系統實時控制信號可通過工作站的操作界面直接觀察，故障分析直觀，并可在線直接更改液位控制的范圍，PLC200沒有操作監視界面，控制系統出現問題不易分析判斷，必須通過專業人士去現場檢查分析故障。

表1　液位控制模塊功能塊輸出邏輯表

（2）故障率顯著降低。原設計采用浮子液位開關控制，浮子液位開關結構簡單，其觸點經常失效導致控制出現紊亂。而液位變送器儀表較為精密，控制系統運行相對穩定，系統故障率較低。

該應用實例于2012年9月組態完成投入使用，2014年8月清水池液位歷時曲線見圖6，液位自動控制在500～1 500 mm，運行穩定。

圖6　清水池液位歷時曲線

3.2含水原油的計算

應用背景：南堡3- 2轉油站原油外輸管道輸送含水原油，外輸管道上安裝有體積流量計和含水分析儀。該轉油站外輸原油含水在30%～50%范圍內波動，利用現有的儀表錄取日常生產資料，無法直觀地錄取外輸純油流量瞬時值及日產原油累計值等參數，給生產管理帶來很大不便。

解決該問題有兩個方案。其一，另外購買一臺先進的帶有原油分析計量功能的質量流量計，在管道上安裝使用，可以直觀地在該儀表上讀取相關原油計量參數；其二，利用現有DeltaV控制系統組態計算分析模塊，對目前流量計、含水分析儀的數據進行實時處理，計算出實時原油瞬時值及累計值，并直觀地顯示在工作站的操作界面上。顯然方案二相對經濟且便于實施。

分析現有儀表可讀取的參數（含水原油瞬時流量Q，m3/h；瞬時含水量X，%）與原油累計值（V，m3）關系，從開始計量到t0時刻原油的累計值可用下式表達：

式（1）中原油累計值可通過DeltaV控制系統組態計算模塊求得，主要利用乘法、減法、積分等功能塊計算，并在操作界面鏈接積分功能塊的運算數值，即可顯示實時的原油累計值，其功能塊組態如圖7所示。

圖7　分產原油計算功能塊組態示意

該控制模塊運行原理：FI1001模擬量輸入功能塊連接體積流量計采集其瞬時流量值，WI3001采集含水分析儀的瞬時含水數值，MLTY1（乘法功能塊）對上述兩個參數的輸入做乘法，計算出實時單位含水量，SUB1（減法功能塊）對含水原油流量與單位含水量求差即得原油瞬時值，INT1（積分功能塊）對原油瞬時值做時間的積分，即計算出實時的原油累計值。RESET不是安全參數引用，功能是對INT1功能塊的累計值復位。模塊中各功能塊輸出值見表2。

該實例于2014年9月組態完成，目前在南堡3- 2轉油站控制室操作界面上可直接讀取實時原油累計值。南堡3- 2轉油站外輸報表見表3（2014-10- 09），當日含水原油為1 913 m3，純外輸原油為1 257 m3。

表2　計量模塊功能塊輸出值

本例利用DeltaV系統的功能塊，組態計算模塊，擴展出新的功能，克服了原有儀表測量的局限問題，節省了購置復雜儀表的昂貴費用。

4　應用前景

南堡采油一區水處理站原污水過濾裝置的定時

表3　南堡3-2轉油站外輸值

反洗PLC自動控制系統已失效，目前當班員工每4 h人工反洗一次，通過手動打開閥門導通流程，然后啟泵反洗。若利用DeltaV控制系統可實現定時導通反洗流程并啟泵反洗，反洗一定時間后自動關閉又返回原生產流程，反洗操作可實現自動控制。

南堡采油三區共有配氣橇10座，注氣流量計約175塊。其流量計顯示的瞬時流量值為當前工況下瞬時值，日常管理優化配氣工作中必須對該工況瞬時值進行計算轉換為標況流量值。各單井溫度壓力等工況不統一，計算較復雜且易出錯。利用DeltaV計算功能塊，可讀取該井的注氣溫度及壓力，利用公式自動計算并顯示該井注氣對應的標況流量。

南堡采油六區的3- 2轉油站壓縮機運行負荷隨著進氣壓力不穩定而波動，不穩定沖擊易造成其運動構件的疲勞損傷，使其壽命減小，對其壓縮機入口壓力精確控制非常重要。利用DeltaV系統內的PID功能塊控制，可控制壓縮機入口壓力，使其保持恒定，實現壓縮機運行工況穩定可控。

參考文獻

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PracticalApplication Example ofDeltaVControlSystem in Nanpu BlockofJidong Oilfield

CHEN Xiaohui，DONG Jianguo，YANG Jianping
Nanpu Oilfield Operation Distric of Jidong Oilfield Company，Tangshan 063004，China

Abstract：DeltaVcontrol system，as the main production control system applied in oil production zones of Nanpu Block of Jidong Oilfield，realizes the functions of real- time and accurate data acquisition of process parameters，reduces manual operations and raises work efficiency. It plays an important role in routine production. The functions of DeltaVcontrol system and its control modules are described，the practical application example in Nanpu Block of Jidong Oilfield is introduced，and application prospect is discussed.

Keywords：DeltaVsystem；automatic control；functionalmodule；configuration

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.009

作者簡介：

陳小輝（1986-），男，江西撫州人，助理工程師，2010年畢業于中國石油大學（華東）船舶與海洋工程專業，現從事注水管理工作。Email：422742943@qq.com

收稿日期：2015- 10- 07