油田站場多功能監控柜研究應用

高寶元

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院， 西安 710018)

目前，油田站場的監控設備，通常是分散單一設置或簡單組合后形成監控柜的形式，在對單井計量，收球筒溫度，外輸原油溫度、壓力、流量及密閉容器液位等進行監測和控制時，存在功能不完善、擺放不標準、操作不方便、監測參數不準確、顯示不集中以及不能進行網絡傳輸數據等弊端；對于可燃、有毒氣體以及污水池液位等的監測也存在遺漏缺陷；另外，其顯示和報警功能有待完善和提高。

油田站場多功能監控柜是對油田場站里的單井計量和分布式參數進行連續監測和控制以及根據數據網絡傳輸的需要提出的小型智能化控制系統。該人機系統使用嵌入式系統技術，采用真彩的人機界面加I/O數據采集模塊的方式。其結構本身就是1臺小型數據采集系統，生產過程的各種參數顯示、報警、操作只需1臺人機界面即可完成，改變了傳統多臺數字、模擬儀表混合顯示，外加操作按鈕、指示燈等分立元件操作的方法。人機系統簡潔，操作簡單，維護量小，克服了以往單參數監控器操作步驟繁瑣、效率低、數據處理可靠性差的弊端。

1 多功能監控柜硬件設計

1.1 柜體結構設計

柜體結構至少包括柜體前面上部分斜面顯示控制窗口，下部分可開閉的柜體前門；后面可開閉的柜體后門以及柜體底座上固定連接的接線板。顯示控制窗口人機界面觸摸屏支持現場各類信號儀表的接入，自動完成對溫度、壓力、液位、流量、油井計量、可燃氣體體積分數等生產過程參數的顯示控制，監控數據還可設定超限報警。系統內置人機界面集成軟件組態，系統設中文顯示和操作界面。

1.2 硬件設計

從現場傳感器采集來的數據有1～5 V，0～10 V電壓信號，4～20 mA電流信號，還有開關量，頻率等信號。通過輸入模塊進入監控系統內的PLC進行處理后，一方面在人機界面進行顯示和控制，另一方面通過Modbus RS-485接口或RJ-45接口(滿足TCP/IP協議)遠傳至上位機實現監控。系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 多功能監控柜硬件結構示意

2 系統關鍵技術

該系統采用的關鍵技術如下。

2.1 功 能

該多功能監控柜可替代傳統的儀表控制箱，當現場過程控制點發生變化時，該監控柜只需修改組態軟件即可完成，從而提高了設備的利用率。

2.2 人機界面

該多功能監控柜人機界面通過文本、數據、表格、圖形等多種組合形式，將生產裝置的運行狀態在真彩屏進行簡單明晰的顯示、報警；提供安全鎖功能，允許操作人員對系統組態進行調整、修改，對生產過程進行干預。

2.3 數據采集與處理系統

該多功能監控柜數據采集與處理系統可準確完成對模擬量、數字量、脈沖量、開關量等信號的實時采集，對采集到的信號進行各種數學或邏輯運算處理，可達16位A/D轉換數據處理精度。提供多種數據管理手段，滿足用戶對數據的實時管理、歷史管理要求和對數據的儲存、調用要求。

2.4 自動控制功能

該多功能監控柜可提供PID控制、邏輯控制、批量控制、前饋控制、比值控制、串級控制、多沖量控制等各種常規控制算法和先進控制算法，滿足現場對控制的各種要求。

2.5 軟件組態

該多功能監控柜提供MCGS嵌入式組態工具，支持國內外各種儀表及通信。

2.6 網絡架構

該多功能監控柜可編程I/O模塊，內置通信接口，對于小型系統尤其適用，同時具有體積小，自診斷、中文漢字面板顯示、易維護的特點。

2.7 通用接口

該多功能監控柜采用OPC方式，用戶可以用第三方軟件或者其他支持OPC標準的監控軟件從該系統中讀取數據。通信方式可以為本地或者遠程網絡。

2.8 智能顯示屏

人機界面采用液晶觸摸顯示器，使用嵌入式技術、嵌入式操作系統WinCE和低功耗ARM結構的CPU，使用編程語言EVC，具備較快的運行速度。

1) 動畫功能設計。MCGS嵌入式組態軟件，支持上千種儀表設備的驅動，豐富的動畫功能，高亮度TFT真彩顯示屏，3D視覺效果。

2) 大存儲容量設計。使用64 M的閃存芯片，可以存儲上萬條的數據和報警信息，方便用戶隨時查詢與統計，為管理者提供更有效的決策，提供U盤數據導出功能。

3) 多通信接口設計。設備支持多個接口， 1個獨立串口，1個標準的以太網口，2個USB口，支持RS-232/RS-485/RS-422，以及Modbus_TCP等多種通信方式。

2.9 I/O數據采集模塊

所有模件采用標準化、智能模塊化結構。監控柜的數據采集模塊具有內置的微處理器，可通過RS-485 通信網絡獨立提供智能信號調理、模擬量 I/O 和數字量 I/O。通信速率最高達38.4 kbit/s，通信距離達1.2 km。其特點如下：

1) 模件可帶電插拔而不影響其他模件正常工作。

2) 智能化的I/O模件減輕控制系統的處理負荷。I/O處理系統能完成掃描、數字濾波、數據整定、數字化輸入和輸出、線性化、熱電偶冷端補償、過程點質量判斷及報警、工程單位換算等功能。

3) 輸入的變送器信號由不同的模件來處理。單個I/O模件的故障不會引起任何設備的故障或跳閘。

4) 8個模擬量輸入1個獨立的固態A/D轉換器，每1個模擬量輸出點對應1個單獨的D/A 轉換器，每一路信號輸入有單獨的橋路。所有的輸入通道、輸出通道及其工作電源均相互隔離。A/D和D/A的轉換精度為16位。

5) 模擬量輸入： 接收1～5 V，0～10 V電壓信號，4～20 mA電流信號，最大輸入阻抗為1 kΩ。

6) 數字量輸入： 數字量輸入模件將閉合接點作為“狀態1”，斷開接點作為“狀態0”。

7) 頻率量輸入： 頻率量輸入模件能接受0～1 MHz頻率范圍的信號采集。

3 室內試驗及現場應用

3.1 室內試驗

在電氣實驗室內，利用模擬實驗裝置對多功能監控柜進行性能檢測,主要進行模擬量、開關量、頻率實驗和帶電動機、加熱器、報警器負載實驗。

1) 模擬量輸入實驗。監控柜通電，利用信號源在模擬量輸入接口處加4～20 mA電流，對于二線制壓力、液位、可燃氣體體積分數，4 mA對應壓力、液位體積分數的最小值，20 mA則對應最大值。

2) 開關數字量輸入實驗。監控柜通電，利用直流電源在開關數字量輸入端口加5 V和0 V電壓，對于無源觸點浮球液位控制器、頂裝式浮子液位計，5 V為高電平,觸摸屏顯示為“1”， 0 V為低電平，觸摸屏顯示為“0”。

3) 頻率輸入實驗。監控柜通電，利用頻率信號發生器在頻率輸入端口加0～1 MHz信號，對于流量累加儀，頻率信號發生器輸入多少個脈沖，觸摸屏就顯示多少個數。

4) 帶電動機、加熱器負載實驗。在控制電動機接線端子上連接10 kW電動機,實驗能否可靠實現自動和手動運行。在控制加熱器接線端子上連接6 kW電加器，實驗能否可靠實現自動和手動加熱。

5) 報警器負載實驗。達到已設定的壓力、液位、時間、次數、位移值時，能可靠報警和提示，說明報警電路和報警器完好。

3.2 現場應用

2013年以來，多功能監控柜在長慶油田分公司各采油廠，地礦部華北局定邊、鹽池采油作業區，延長油田股份有限公司吳起采油廠、靖邊采油廠等單位進行了推廣應用，共計 60多套。多功能監控柜在三大油田的應用贏得了良好的口碑，取得了良好的經濟效益和社會效益。

4 結束語

本文詳細介紹了油田站場多功能監控柜及其組成、主要功能。

1) 該監控柜能實現油田站場壓力、溫度、液位、流量、可燃氣體體積分數等動態數據顯示、記錄、累積，能按設定的溫度給收球筒加熱，按要求控制電磁閥、電動閥的動作，按液位高低控制泄油泵和注水泵的動作，并實現各種罐池液位超限報警等。

2) 通過RS-485接口和串口服務器、RJ-45接口直接與PC機連接，通過網絡上傳數據。將分布于不同地點的不同參數進行集中監控，上網遠程傳輸動態參數并進行監測，方便了對現場信號的分析監控和處理，為實現數字化油田奠定了基礎。

3) 提高了自動化程度，降低了人員勞動強度，同時也減少了可燃氣體爆炸和有毒氣體中毒等不安全因素，確保了油田站場安全運行。

4) 現場應用表明，該多功能監控柜綜合性能穩定可靠、操作簡單，各項性能指標均達到設計要求，改變了以往操作步驟繁瑣、效率低、數據處理可靠性差的弊端，滿足了現場要求，深受現場操作人員的歡迎，為油田正常化生產提供了可靠的監控設備。

參考文獻：

[1] 寧改娣，曾翔君，樂一萍.DSP控制器原理及應用[M].北京： 科學出版社，2008.

[2] 祝常江，彭堅.數據采集與處理技術[M].北京： 電子工業出版社，2008.

[3] 許靈軍.基于ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京： 北京航空航天大學出版社，2008.

[4] 王立強.計算機測控系統與數據采集卡應用[M].北京： 機械工業出版社，2007.

[5] 宋若愚，余娟，丁國寧，等.PS/2接口在單片機中的研究應用[J].電子技術與軟件工程，2013(10)： 190.

[6] 張瑋.基于協議分析的網絡流量監測系統陰極與開發[D].長沙： 中南大學，2008.

[7] 顧仁朋,李仁俊,隋煥開.實用電工及電氣設備[M].濟南： 山東科學技術出版社,1984.

[8] 張文明,劉志軍.組態軟件控制技術[M].北京： 清華大學出版社，2006．

[9] 劉曉春．基于MCGS和PLC的電機運行參數監控系統設計[J].自動化技術與應用,2010(09)： 73-75.

[10] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發與應用[M].北京： 北京航空航天大學出版社，2008.

[11] 李亞彬.基于無線控制與無線傳輸的數據采集系統[D].南京： 南京理工大學，2007.

[12] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動化控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000.