PLC在油田計量站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張赟，劉昶（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

PLC在油田計量站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張赟，劉昶
（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

本文以某油田計量站為研究對象，結(jié)合計量站的生產(chǎn)過程、工藝特點及控制要求，設(shè)計一個基于PLC的油田計量站監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了基于西門子PLC和Profibus現(xiàn)場總線的某廠油田控制系統(tǒng)軟、硬件組態(tài)的實現(xiàn)以及WinCC監(jiān)控系統(tǒng)。實踐結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為計量站記錄產(chǎn)量創(chuàng)造了便利條件，該控制系統(tǒng)達到了預(yù)期效果。

PLC；自動控制；WinCC監(jiān)控系統(tǒng)；PID

原油是一種多組分碳氫化合物的混合產(chǎn)物，同時含有水、臘、沙、鹽等雜質(zhì)，在不同溫度和壓力條件下，油氣相態(tài)可以任意轉(zhuǎn)化[6]。油井是油氣田地面生產(chǎn)系統(tǒng)的起點，而計量站是油田的重要組成部分，在油田的生產(chǎn)過程中，計量站作為油井原油計量匯集的樞紐，起著非常重要的作用[3]。油田控制系統(tǒng)由注水、凈化、沉降、傳動等幾個部分組成，在控制上采用全局控制，實現(xiàn)設(shè)備運行、人員操作的可靠、安全、準(zhǔn)確、簡單化。

PLC具有結(jié)構(gòu)簡單，易于編程，便于操作、可靠性高等特點，在油田作業(yè)區(qū)得到了廣泛的支持，已經(jīng)成為現(xiàn)代化工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對各個泵、爐、罐站的參數(shù)（如壓力、溫度、液位等）進行精確控制[1]。通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)，操作員實時了解各站的運行參數(shù)并進行相應(yīng)的工藝操作。

1 計量站計量原理

油井原油的計量包括原油混合液的產(chǎn)量計量和原油體積含水率計量兩部分。油田投入開發(fā)后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。注水泵的選擇要根據(jù)油田具體情況、油藏的構(gòu)造形態(tài)、面積大小和技術(shù)經(jīng)濟綜合效益考慮。處理過的水經(jīng)注水泵加壓，再經(jīng)配水間分到各個注水井，注入水的流量在配水間進行計量。油田的油井注水是油田生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[15-17]。在一些供液不足的油井，需要使用注水泵先向井內(nèi)注進一定量的水，將油稀釋，并將液面提升到一定高度，才易于開采。開采出來的原油經(jīng)過加熱爐脫水后經(jīng)流量計測量使其含水率在0.03%（包括）以下，此時流量計測得的結(jié)果就是我們所需要計量的。

2 計量站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

計量站的計量控制過程中所涉及的變量主要有溫度、流量、液位、壓力等過程參數(shù)。為保證提供有效可靠準(zhǔn)確的油田抄錄資料，同時考慮生產(chǎn)設(shè)備的安全性，要實現(xiàn)油井高效、穩(wěn)定的產(chǎn)油，就必須保證計量結(jié)果的準(zhǔn)確性、連續(xù)性與實時性，實現(xiàn)計量站與注水泵房之間的自動檢測與控制，同時對各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)都必須進行嚴(yán)格地檢測與控制。針對計量站監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，綜合比較各種自動控制方案，確定該計量站監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案為：由SIEMENS PLC（CPU及其他模塊）和工控機組成的PLC監(jiān)控方案，其監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 計量站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

為了使監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠地運行，其控制系統(tǒng)要求如下：

1）各個儀表參數(shù)自動檢測和顯示；

2）安全控制功能，包括急停按鈕、邏輯開機保護與故障限制條件三級安全控制；

3）手動、遠程2種控制模式；

4）控制參數(shù)自主設(shè)定；

5）故障報警、故障信息記錄及顯示、部分故障自動修復(fù)功能。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)計量站控制過程及要求，設(shè)計了其控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

在油田計量站監(jiān)控系統(tǒng)中通過傳感器對油罐內(nèi)油的壓力、液位、流量及溫度等數(shù)據(jù)進行采集，模擬量信號通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)4～20 mA電流信號，在經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給PLC[11]。各個模塊流程：壓力、溫度、流量傳感器獲得的壓力、溫度、流量值由模擬量輸入模塊EM235進行A/D轉(zhuǎn)換后送入PLC中，液位傳感器獲得的液位值由模擬量定位模EM253進行A/D轉(zhuǎn)換后送入PLC中，待達到油罐指定位置時，由操作員通過PLC遠程控制步進電機動作從而達到閥門開通；PLC通過變頻器對注水泵控制水流速度和提升泵處理污水的控制；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)模塊CP243-1傳輸?shù)缴衔粰C便于操作員抄錄處理；觸摸顯示屏上有操作員需要的人機交互界面，以便對各個采集點的控制[12]。系統(tǒng)的 I/O點數(shù)決定 PLC控制系統(tǒng)規(guī)模大小，在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)時，在根據(jù)控制要求選擇 I/O模塊的基礎(chǔ)上要適當(dāng)?shù)牧粲幸欢ǖ挠嗔?，根?jù)計量站實際情況有 64個模擬量輸入、7個模擬量輸出點、11個數(shù)字量輸入點、7個數(shù)字量輸出點，故選擇S7-300系列PLC完全滿足要求。電源模塊作用是將 AC120V/230V的電壓轉(zhuǎn)換為24VDC工作電壓，為PLC的CPU和24VDC負(fù)載電路（傳感器、信號模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊等）提供電源。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)計量站的控制要求，設(shè)計了其控制系統(tǒng)的原理圖，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖，可看出各個模塊之間是聯(lián)動的，控制制邏輯較為復(fù)雜。系統(tǒng)在STEP7編程條件下，采用模塊化的梯形圖編程思想使邏輯更加嚴(yán)密，并且具有良好的移植性和擴展性?？刂瞥绦蛴芍骺爻绦?、數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸出手動和遠程控制等模塊組成，據(jù)門電路實現(xiàn)二級控制，在程序設(shè)定的限制條件下實現(xiàn)帶寬控制，能有效提高監(jiān)控系統(tǒng)的實時與準(zhǔn)確性。系統(tǒng)運行有手動、遠程兩種模式，通過軟件轉(zhuǎn)換開關(guān)由操作員進行選擇[2]。此設(shè)計能有效縮短程序掃描周期，提高PLC運行效率，及時排除故障。PLC控制程序的作用是原油體積穩(wěn)定在用戶設(shè)定值的范圍內(nèi)，排油閥門自動打開關(guān)閉。其控制過程為：溫度傳感器將加熱爐溫度變?yōu)殡娏餍盘杺鬏數(shù)絇LC，PLC將信號值換算成溫度與上位機所給定的設(shè)定值進行比較，比較的結(jié)果通過PID控制算法計算相應(yīng)的輸出控制量，從而將加熱爐的溫度控制在一定的范圍內(nèi)[5]；據(jù)液位傳感器檢測儲油罐的液位高度，當(dāng)罐的液位高度達設(shè)定值時，排油閥門打開，外輸給下一段工藝流程；據(jù)流量計檢測，自動控制變頻水泵的轉(zhuǎn)速，使水流速度穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，即含水率在一定范圍內(nèi)。PLC程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 程序設(shè)計流程圖

5 計量站監(jiān)控系統(tǒng)的通訊設(shè)計、上位機設(shè)計、觸摸屏設(shè)計

5.1 通訊設(shè)計

在紛雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊方式中，由于現(xiàn)場站和值班控制室之間的距離較遠，考慮到搭建以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的可行性，在現(xiàn)場站和值班控制室之間搭建了以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場站與值班控制室之間的通信[14]。通過以太網(wǎng)模塊CP243-1與雙纖單模收發(fā)器相結(jié)合，實現(xiàn)光纖信號傳輸半雙工運行，使通訊距離大大增加，解決了集控值班室與現(xiàn)場距離較遠而無法通訊的弊端，通訊設(shè)計如圖5所示。

圖5 通訊設(shè)計圖

5.2 集控值班室上位機設(shè)計

集控值班室上位機采用WinCC軟件對計量站控制系統(tǒng)進行上位機監(jiān)控，實現(xiàn)了計量站的自動監(jiān)控、遠程手動控制、各參數(shù)在線顯示、自動報警記錄和歷史查詢記錄等功能。具體功能如下：集控值班室上位機對計量站各設(shè)備（加熱爐、儲油罐、注水泵、提升泵等）實現(xiàn)遠程監(jiān)控，對控制參數(shù)進行設(shè)定，遠程控制和手動模式隨意切換，實時監(jiān)控工藝參數(shù)，實時記錄各設(shè)備的工作過程、故障出現(xiàn)明細及歷史查詢[8]。若出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動報警，提醒操作員應(yīng)停止作業(yè)，待故障排除后，監(jiān)控系統(tǒng)再重新投入使用。

5.3 觸摸屏上位機設(shè)計

觸摸屏上位機有方便的人機交互界面，供現(xiàn)場工人進行系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置，了解各個設(shè)備儀表運行狀態(tài)，查看原油產(chǎn)量及故障記錄。因此上位機設(shè)計須簡潔易于操作，便于操作人員使用，同時具有登錄個人密碼設(shè)定功能。觸摸屏界面設(shè)計采用SIMATIC WinCC編寫。懸掛于值班室墻上的觸摸屏上位機應(yīng)能顯示工藝流程狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定、自動報警、記錄聯(lián)合站來油和外輸原油產(chǎn)量等信息[9]。

6 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果

在計量站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)完成后，需要將系統(tǒng)的軟硬件安裝到計量站的生產(chǎn)現(xiàn)場進行調(diào)試，以檢驗其功能的實現(xiàn)情況。本系統(tǒng)還需與SCADA系統(tǒng)應(yīng)用進行對接測試，在SCADA系統(tǒng)上實現(xiàn)無人值守自動化控制，調(diào)試相關(guān)參數(shù)。目前監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用到白豹油田白一計量站生產(chǎn)中，實時的監(jiān)視計量站的生產(chǎn)過程，實時顯示生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)與曲線，同時，該監(jiān)控系統(tǒng)還可以對系統(tǒng)中的異常信號發(fā)出報警指令，從而保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性，數(shù)據(jù)采集率與準(zhǔn)確率大大提高，尤其是有效杜絕了以往假數(shù)據(jù)現(xiàn)象；系統(tǒng)高效平穩(wěn)，故障率較以前下降了40%以上；站控系統(tǒng)故障維護技術(shù)要求門檻降低，解決了傳統(tǒng)安裝調(diào)試上位機系統(tǒng)及軟件帶來的一系列問題，縮短操作維護周期[13]。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的人機操作界面，操作人員可以輕松的完成計量任務(wù)，并為實際生產(chǎn)提供了有力的支持，達到了預(yù)期的控制要求。

7 結(jié) 論

PLC控制系統(tǒng)操作簡便且具有良好的兼容性與擴展性，在信息化與自動化迅速發(fā)展的大背景下，PLC控制系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的得到了廣泛應(yīng)用，監(jiān)控系統(tǒng)還可以對系統(tǒng)中的異常信號發(fā)出報警指令，極大提高了原油輸送過程的安全性與可靠性[7]。PLC監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠提高油田的自動化程度，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控，還能進行數(shù)據(jù)分析，進行操作預(yù)判和操作決斷[10]。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，測量精度也進一步得到了提升，大大提高了油田各項指標(biāo)資料的準(zhǔn)確性。

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Application of monitoring system in oilfield metering station based on PLC

ZHANG Yun，LIU Chang
（College of Electronic and Information Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

Oilfield metering station as the object of study，the monitoring system has been designed in the paper，which is based on PLC and combines the production technology characteristics of oilfield metering station and procedure-controlling requirements，and combining with an actual project，describe the on of the soft and hardware configuration in control system of oil filed based on Siemens PLC and Profibus and the control and supervision systems for WinCC．The results indicate that the system runs stably and reliably，which created conditions for highly efficient metering station and a desired effect of automatic control system has been achieved.

PLC；automatic control；control and supervision systems for WinCC；PID

TN98

A

1674－6236（2017）07-0102-04

2016-03-24稿件編號：201603327

張 赟（1987—），男，山西運城人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電氣傳動。