油田地面工程試驗基地自動化監控系統的設計與實現

郝 明，田 民，張文焱

（黑龍江省科學院自動化研究所，黑龍江哈爾濱150090）

油田地面工程每年要完成原油千萬噸以上和天然氣百億立方米以上的產能，做好油田地面工程優化簡化，實施低成本戰略，推廣高效低碳技術就顯得特別重要。油田地面工程試驗基地通過對各種工況的模擬為各項新技術、新成果推廣到實際應用中創造了現場實驗的條件[1]。試驗基地的自動化程度又嚴重制約著各試驗項目的準確程度，所以試驗基地需要一套自動化監控系統對試驗流程進行監控，并記錄各實驗數據。本文介紹了大慶油田地面工程試驗基地的自動化監控系統的設計與實現。

1 地面工程試驗基地工藝流程

油田地面工程試驗站的工藝流程主要由介質調配罐組和試驗環道兩部分組成。參考工藝流程如圖1，當油田地面試驗站有試驗任務時，首先打開井排來油閥門，給介質調配罐組進液。介質調配罐組由分離罐、廢液罐、介質罐、沉降罐、游離罐、污水罐、電脫水罐、凈化罐組成。通過以上這些裝置，對原油進行油氣分離、沉降、脫水等工藝處理，來達到試驗所需用油的標準和用量后即可開始在試驗環道中進行試驗。試驗環道由多條管徑、保溫措施、材質不同的管道組成，可以通過用機械抬高管道落差的方式，模擬管道產生堵塞、溫差過大等情況，用以對原油在不同情況下輸送時的溫度、壓力等特性的變化進行試驗，來驗證試驗理論的準確性。試驗用液在試驗環道循環完后，回到介質調配罐組等待下次試驗再用，如試驗結束則通過外輸泵輸送到其他生產單位。

圖1 地面工程試驗基地工藝流程圖Fig.1 The process flow chart of ground engineering test base

2 監控系統設計

地面工程試驗基地監控系統主要負責試驗流程的控制、數據的采集、處理、顯示、歷史查詢、報表打印、報表存儲。系統必須能在試驗進行期間實時在線的連續監測參與試驗的設備的溫度、壓力、流量、含水率等數據。為保證系統數據采集的連貫性、一致性和完整性，本系統采用PLC完成現場數據的采集與控制輸出，并將信號轉換成數字量輸入到計算機中進行顯示、計算轉換保存等處理。

2.1 系統結構

系統的硬件結構如圖2所示。可編程控制器（PLC）作為下位機采集各測量設備的信號，安裝在PLC柜中；上位機系統安裝在監控操作室中。由于介質調配和試驗環道的設備和監控室都距離較遠，所以利用網絡使兩臺上位機進行通訊，具備在任何一個監控室都可以對整套系統進行操作的功能。

PLC采用歐姆龍公司的CS1G-H系列，該系列PLC適合現在點數較多的場合，配置靈活，功能強大。應用CX-PORGRAMMER軟件對PLC程序進行編程[2]。介質調配部分共有109個模擬量輸入信號、38個模擬量輸出信號，10個高速脈沖信號、8個開關量輸出信號、8個開關量輸入信號。相應的選用了AD161模擬量輸入模塊7個、DA08C模擬量輸出模塊5個、CT041高速記數模塊3個、ID211開關量輸入模塊1個、OC211開關量輸出模塊1個，由于模塊較多，PLC采用了雙機架設計，考慮PLC底版電流的限制，需要將模塊合理分布在兩個機架上。試驗環道部分點數較少，采用4塊AD161模塊、1塊OC211、1塊ID211。上位監控計算機可由工業控制用計算機在Windows環境下配以北京三維科技有限公司的力控監控組態軟件，實現整個對數據的監控與設備的管理。

整套系統具有較高的自動化控制水平，具有自動和手動功能。介質調配階段時，可以通過設定給定值的方法，切換到全自動方式運行。試驗階段，可以采用在界面上點擊按鈕的方式啟停相關的試驗設備。

圖2 系統結構圖Fig.2 The structure chart of system

2.2 軟件設計

監控軟件采用北京三維力控公司的ForceControl6.1組態軟件，與PLC通信將數據采集到計算機，實現人機交互[3]。軟件設計可實現畫面動態顯示、實時報警、數據記錄、報表打印及參數修改等功能。軟件編制結構如圖3。

圖3 上位機軟件結構圖Fig.3 The structure chart of host computer software

2.2.1 數據采集與顯示

力控軟件包含各種I/O設備的驅動程序，其支持的硬件設備包括PLC、智能模塊、板卡等，采集的實時數據均來自所連接的I/O設備。在力控I/O設備組態中選擇歐姆龍PLC設備，配置通信方式、通信地址等信息內容。在數據庫組態中定義I/O變量，其地址對應PLC設備中相應的寄存器，力控軟件再通過訪問數據庫中的變量，將從設備中采集的數據顯示在操作畫面中。

系統主畫面顯示地面工程試驗站的工藝過程，如圖4，通過此畫面可以監視整個試驗站的所有工藝過程，顯示出各個設備的運行狀態和參數的數值。

圖4 工藝流程圖Fig.4 Process flow chart

2.2.2.報警

力控中還提供了多種報警記錄的顯示方式，如彈出報警窗、在數據庫中記錄，在打印機端輸出等。

本系統需要監測的報警信號主要是各個處理罐的液位情況和壓力狀態。當液位處于高限時要彈出報警窗口提示操作人員。當超過高高限時，要發出聲光報警，并在PLC的輸出端將進液泵停止。壓力的處理方式與液位相似，當罐內壓力過高時，要將排氣閥自動打開，進液泵關閉。這些需要監測報警的變量，要在建立變量時在數據庫辭典中進行設置，設置變量的高限、低限、高高限、低低限。系統投入運行時，還可以在參數修改界面中修改這些參數的報警值。報警查詢畫面設置了查詢報警的窗口，通過對參數的查詢或時間的查詢，可以追溯歷史報警。

2.2.3 數據記錄和報表

試驗站最重要的任務就是要將試驗的數據結果進行記錄交付給試驗方，因此需要組態軟件實現所有參數的數據記錄和保存、報表自動生成及輸出。這就需要既能在組態軟件中建立報表，又要將所有數據存放在第三方數據庫中，以便實驗方通過對數據庫的訪問，可以獲得試驗中的所有原始數據。

首先通過力控軟件中專家報表系統編輯生成需要的報表，專家報表是力控組態軟件的一大特色，利用專家報表系統可以很大的減少報表開發的工作量，支持CSV、XLS、PDF等文件格式的導入與導出。開發人員只需要像編輯EXCEL文件一樣對專家報表進行編輯，寫入行名、列名，并選擇報表需要體現出的參數對應的變量，設置時間樣式，即可完成報表的編輯。然后在報表界面建立報表查詢、報表打印、打印設置等按鈕，連接相關的按鈕功能（如報表查詢按鈕可以使用#Report.SetTimePar(-1)命令），即可對報表進行操作。

數據存放在第三方數據庫時，需要首先建立一個Microsoft Accesss數據庫作為后臺數據庫，采用ODBC的訪問方式，力控軟件SQL訪問功能能夠和其他ODBC數據庫進行數據傳輸，然后在力控數據表模板上建立一個記錄體模板；最后在力控的應用程序動作中使用SQLCONNECT（）函數建立與數據庫的連接。這樣力控軟件實時采集的數據就可以按記錄體的格式在Access中進行記錄。試驗方如需要原始數據的數據庫形式，即可通過對Access數據庫的訪問，直接拷貝讀取數據庫中的記錄表。

2.2.4 參數修改

參數修改功能滿足了試驗站對不同試驗，系統參數不同的要求。如有的試驗需要保持液體在試驗管道中持續流動4h、8h，但是試驗站的罐體都較小，沒有足夠的存液能力，就需要在參數修改界面中更改流量的給定值，通過給定值的修改，PLC中控制流量的PID程序塊的給定值也隨之發生改變，達到了持續供液的要求。另外參數修改還可以修改系統的報警參數的上下限。參數修改功能，可以使操作人員在不進入上位機軟件開發界面的情況下，在運行狀態直接修改系統的運行參數，方便了試驗站進行各種要求不同的試驗。

3 結束語

本文基于油田地面工程試驗站的工藝流程和工況要求，采用PLC和力控組態軟件設計了一套自動監控系統，該系統已在大慶油田地面工程試驗站投入運行，運行情況良好。

［1］關延軍.油田地面工程數字化與建庫［J］.現代測繪，2007，30(4):59～61.

［2］王輝.歐姆龍系列PLC原理及應用［M］.北京:人民郵電出版社，2009，101～120.

［3］馬國華.監控組態軟件及其應用［M］.北京:清華大學出版社,2001，56～58.