油田注水泵站自動控制與管理系統(tǒng)的設(shè)計

胡小英，蘇 煒，胡加興

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

油田注水是我國各個油田保持和穩(wěn)定原油產(chǎn)量最基本的技術(shù)手段[1]。尤其油田進(jìn)入高含水中后期開采后，沒有注水就沒有原油產(chǎn)量，更突顯出了油田注水在油田的生產(chǎn)過程中的重要性，但其總電耗已超過原油生產(chǎn)總成本的60%（含機械采油）[2]；其中注水耗電占產(chǎn)油總耗電的40%[3]。針對這一亟待解決的問題，走訪調(diào)研了目前油田的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合對未來企業(yè)發(fā)展的要求，通過深入分析現(xiàn)有測試設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀、局限性以及充分結(jié)合油田自身特點和國內(nèi)外油田工業(yè)自動化技術(shù)動態(tài)發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出了油田注水泵站自動控制和管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)的設(shè)計遵循先進(jìn)、可靠、實用、經(jīng)濟(jì)等原則，體現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計，分步實施的理念，融合了現(xiàn)代電子技術(shù)、精密機械、控制技術(shù)、測量技術(shù)及計算機技術(shù)的最新成果，提高企業(yè)的生產(chǎn)自動化水平和管理手段奠定了堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力物力資源和提高效益的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示，通過外接安裝壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等傳感器進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，可方便的實時監(jiān)測注水泵站的工作狀況及其過程參數(shù)，實現(xiàn)超限停機聲光報警，實時獲取注水泵的流量及壓力等重要參數(shù)。監(jiān)控中心計算機通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、診斷，發(fā)出各種控制命令，從而，實現(xiàn)各注水泵狀況的集中監(jiān)控，大大減少了人員的工作量和投入，縮短了故障發(fā)現(xiàn)和排除周期，提高了勞動效率，強化了油田現(xiàn)代化管理水平。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 The frame of designing system

注水泵站能否高效優(yōu)化運行主要取決于其最為重要的兩個過程參數(shù)泵站出口壓力及流量，其中圖2給出壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)原理圖，圖3流量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計流程示意圖，顯而易見，經(jīng)過壓力，流量的這種自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能確保泵站系統(tǒng)實時處于節(jié)能高效的優(yōu)化運行狀態(tài)，為油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖2 壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chart of pressure automatic regulating system

圖3 流量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程示意圖Fig.3 Diagram of flow automatic regulating system

整個系統(tǒng)分為兩級管理系統(tǒng)。在泵房內(nèi)設(shè)置計算機系統(tǒng)，即現(xiàn)場計算機系統(tǒng)，它主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、對泵站系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)和工況進(jìn)行實時監(jiān)測、處理報警信息、下達(dá)控制命令（手動優(yōu)先）、泵站系統(tǒng)的優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)的存儲、打印等功能；在采油廠，管理部門設(shè)置泵站管理中心，此計算機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)收集采油廠所屬所有泵站的數(shù)據(jù)信息。主要完成各泵站系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)的實時顯示、報警信號的顯示、各泵站數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計報表的生成、打印等功能。此系統(tǒng)功能有利于及時為生產(chǎn)主管部門提供現(xiàn)場信息，對現(xiàn)場管理提供決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)在總體上共分為3大部分：即現(xiàn)場控制和管理系統(tǒng)，管理中心以及通信通道。

1）現(xiàn)場控制和管理系統(tǒng)

這一部分設(shè)置在各采油廠所屬的各注水泵泵房內(nèi)，所以也稱這為現(xiàn)場控制和管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)根據(jù)采油這塊注水的需求，確定現(xiàn)場控制級的最優(yōu)控制參數(shù)，并向上一級數(shù)據(jù)庫傳遞現(xiàn)場數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場控制與管理系統(tǒng)全面反映了現(xiàn)場的情況，并可以由工程師直接干預(yù)控制，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。在實現(xiàn)控制的同時，這部分系統(tǒng)還需要具有其它管理上的功能，如生成班級表、日報表、周報表、月報表、保存歷史數(shù)據(jù)，打印各種數(shù)據(jù)報表等功能。

硬件部分配置主要由泵房值班室的一臺高性能的工控機，工業(yè)控制計算機可以選擇研華或西門子PⅢ系列產(chǎn)品，在外圍的板卡模塊上，可以選擇研華4000和5000系列，威達(dá)的7000和8000系列產(chǎn)品。一臺21″三星顯示器，外設(shè)配置一臺彩色打印機、一個集線器、6塊I/O板卡、一塊網(wǎng)卡、一塊聲卡、一對音箱、一套儀表控制柜、一套高低壓控制柜、一臺變頻柜、一臺UPS、控制臺。且控制臺嵌入顯示器，控制臺上放置相應(yīng)的鍵盤、鼠標(biāo)及打印機、電話、音箱（配置音箱的作用主要是使系統(tǒng)在出現(xiàn)狀況時具有聲音報警）。工控主機、UPS、集線器、電源接插件，各種電纜置于控制臺內(nèi)部。儀表控制柜和配電控制柜置于值班室內(nèi)主要是防止在計算機失控的情況下能及時地手工操作泵站系統(tǒng)的啟停。

軟件部分：工業(yè)控制計算機系統(tǒng)軟件平臺選用Microsoft NT 4.0，應(yīng)用軟件平臺選用美國Intellution Fix7.0，數(shù)據(jù)庫選用 Oracel或 Sybase。

Fix7.0是美國的Intellution公司的工業(yè)自動化組態(tài)軟件，市場占有率很高。Fix7.0全中文界面支持windows NT/95/98平臺，具有強大的組網(wǎng)功能，支持Netbois，Tcp/IP協(xié)議，支持200多種國內(nèi)外PLC、DCS、I/O板卡產(chǎn)品，采用DLL通信方式，采樣速度快，可靠性高，同時具有強大的ODBC技術(shù)，支持 Oracel、Sybase、Foxpro數(shù)據(jù)庫。Fix7.0自動組態(tài)軟件還具有易學(xué)，易使用，易連接、易生長、易運行等特點。

在Fix7.0軟件平臺上二次開發(fā)出來的軟件具有以下功能：

數(shù)據(jù)采集與控制：軟件可以通過硬件驅(qū)動程序同現(xiàn)場設(shè)備通信，完成數(shù)據(jù)采集和控制功能，并將數(shù)據(jù)送往生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)庫。

歷史數(shù)據(jù)保存：系統(tǒng)可以將實時數(shù)據(jù)庫中采集的數(shù)據(jù)保存起來，形成歷史數(shù)據(jù)，供以后數(shù)據(jù)分析使用。

報警及報警管理：系統(tǒng)可以對生產(chǎn)過程進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)視并對問題環(huán)節(jié)及時報警。通過現(xiàn)場需求定義報警條件和信息，并可以自動記錄和打印報警信息。

安全權(quán)限：對進(jìn)入系統(tǒng)的操作者，設(shè)置權(quán)限高低等級，保證系統(tǒng)運行操作的安全性。

報表的自動生成和打?。簽楣芾淼男枰礊楣芾碚咛峁Q策依據(jù)，軟件系統(tǒng)根據(jù)要求自動生成各種報表如：日報表、周報表、月報表、季度報表及年報表，且有報表的打印功能。

2）管理中心

在目前情況下，在油田的每個采油廠都有自己的計算機網(wǎng)絡(luò)中心，都有自己的辦公網(wǎng)絡(luò)，而且在計算機網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備的配置都比較高檔、齊全，這就為實現(xiàn)油田注水泵站的控制與管理提供了有利的條件。為節(jié)約投資，可以充分利用廠機關(guān)現(xiàn)有的一些辦公設(shè)施，管理中心硬件部分可以作以下配置：

服務(wù)器可以利用計算機中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，在已有的交換機上再設(shè)置幾個端口專門留給采油廠下屬的泵站聯(lián)網(wǎng)之用。因為廠機關(guān)現(xiàn)都有自己的辦公網(wǎng)絡(luò)，所以在泵站運行的主管科室都已配置了一些計算機且與計算機中心的數(shù)據(jù)庫相連。因此可以把主管科室（如注水科或技術(shù)科）計算機中的一臺專門作為泵站控制與管理系統(tǒng)的一個工作站。計算機的外設(shè)有10/100 M網(wǎng)卡，聲卡，音箱，彩色打印機，工作臺。

這些配置就基本上滿足油田注水泵站控制管理系統(tǒng)管理中心對硬件的需求。因為系統(tǒng)管理中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫需管理采油廠下屬所有注水泵站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的任務(wù)比較繁重，而且對數(shù)據(jù)的存貯能力要求較高，故對數(shù)據(jù)庫要求較高?；谝陨显?，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的配置如：Sun服務(wù)器雙備份，40 G硬盤，P4處理器。

管理中心計算機系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)體系，C/S結(jié)構(gòu)是典型的兩層體系結(jié)構(gòu)，它由客戶機和服務(wù)器組成，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點穩(wěn)定性好?？蛻魴C系統(tǒng)平臺為Win98/2000或應(yīng)用平臺軟件為商業(yè)開發(fā)的應(yīng)用軟件，此軟件完成的內(nèi)容有：

①數(shù)據(jù)調(diào)用：應(yīng)用軟件完成工作站和服務(wù)器之間的連接。

②畫面生成示顯示：軟件自動生成友好的人機對話界面，生成完整的各個泵站動態(tài)流程畫面。

③報警顯示：在系統(tǒng)的初始顯示畫面，完成各個泵站的報警顯示和數(shù)值顯示，在各個泵站的系統(tǒng)畫面顯示報警準(zhǔn)確位置。

④報表生成：根據(jù)地點和時間段條件，組織所需要的報表。

⑤報警歷史數(shù)據(jù)查詢：按照地點和時間段，查詢此地點和時間段內(nèi)的歷史狀況。

⑥打?。和瓿筛鞣N報表的打印功能。

⑦系統(tǒng)權(quán)限和維護(hù)管理：完成系統(tǒng)權(quán)限管理，一般操作者只有查詢和數(shù)據(jù)管理權(quán)限。只有超級操作者具有系統(tǒng)維護(hù)和臨界值的設(shè)定權(quán)限。

服務(wù)器端系統(tǒng)如為Soloris，數(shù)據(jù)庫軟件選用Oracel 8.0.5。Soloris平臺穩(wěn)定，可靠性高，安全性好，是目前大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)流行的系統(tǒng)平臺。因為每個泵站測控點較多，而采油廠屬于一般共有4到5個注水泵站，所以管理中心數(shù)據(jù)庫需管理近1 000個測控點的數(shù)據(jù)，所以要求管理中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺的穩(wěn)定性好，可靠性高，安全性好，而對數(shù)據(jù)庫軟件有同樣的要求，同時以數(shù)據(jù)庫軟件具有上下兼容性，具有開放式的接口。因此在系統(tǒng)平臺和數(shù)據(jù)庫的選擇上選用Soloris和Oracel 8.0.5。

3）通信通道

在油田采油廠和各個油礦中基本上建成了自己的通路，這就為油田辦公網(wǎng)絡(luò)自動化打下了堅實的基礎(chǔ)，為管理中心和各泵站控制系統(tǒng)之間的連接提供了方便，在有些距離較遠(yuǎn)而又沒有聯(lián)網(wǎng)的注水泵站，可以采用無線通訊的方式把注水泵站現(xiàn)場控制系統(tǒng)和管理中心系統(tǒng)連接起來，雖然無線通訊的帶寬較低，傳輸速率較低，但對一般的數(shù)據(jù)傳輸來說還是可以滿足要求的，能達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的要求。

在工作方式采用輪詢的方式（polling方式），即管理中心系統(tǒng)不斷地向各個現(xiàn)場控制系統(tǒng)發(fā)出命令數(shù)據(jù)組（向各個IP址址發(fā)出命令），現(xiàn)場控制系統(tǒng)應(yīng)立即向管理中心數(shù)據(jù)庫發(fā)出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被存貯在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中形成歷史數(shù)據(jù)，供客戶端查詢和分析使用。

4 結(jié) 論

由于當(dāng)前油田注水泵站基本上只有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大部分都設(shè)置在注水泵站現(xiàn)場，具有相對分散性，并沒有集中起來。本文提出的油田注水泵站控制與管理系統(tǒng)為油田主管部門、主管領(lǐng)導(dǎo)的管理和決策提供了新方法和新思路，經(jīng)過在油田的實際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)的運行是穩(wěn)定的、可靠的、并具有推廣價值。

[1]張和烽.油田注水系統(tǒng)仿真與運行優(yōu)化研究 [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[2]王妍，紀(jì)鋒，常玉連.多站注水系統(tǒng)柱塞泵運行方案優(yōu)化研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（13）:3625-3628.WANG Yan，JI Feng，CHANG Yu-lian.Optimization algorithm study of the pump’s running parameters in multi-stations water flooding constituted plunger pumps[J].Science Technology and Engineering，2009，9（13）：3625-3628.

[3]羅劍，王夢春.青海油田注水系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能措施[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011，37（2）:13-14.LUO Jian，WANG Meng-chun.Analysis on energy consumption and saving measures in water injection system of Qinhai oil field[J].Inner Mongulia Petrochemical Industry，2011，37（2）:13-14.

[4]張和烽，夏濤，羅放，等.油田注水系統(tǒng)仿真模型校正[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2010，27（12）:1647-1650.ZHANG He-feng，XIA Tao，LUO Fang，et al.The correcting simulation model of oilfield water injection system[J].Computers and Applied Chemistry，2010，27（12）:1647-1650.

[5]謝超.油田注水采油系統(tǒng)的建模、優(yōu)化與控制[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[6]程為彬，吳九輔.雙泵串聯(lián)技術(shù)在注水泵站的應(yīng)用[J].水泵技術(shù)，2005，（4）:38-40.CHEN Wei-bin，WU Jiu-fu.Application of double pumps series technique in water-injection station[J].Pump Technology，2005（4）:38-40.