油田集輸系統(tǒng)仿真模型教學軟件開發(fā)及應用

朱冬銀, 吳海浩, 李 楷

(中國石油大學(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室管道儲運工藝實驗室，北京 102249)

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油田集輸系統(tǒng)仿真模型教學軟件開發(fā)及應用

朱冬銀, 吳海浩, 李 楷

(中國石油大學(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室管道儲運工藝實驗室，北京 102249)

針對油氣集輸課程教學中知識雜亂零散特點，依據(jù)油田聯(lián)合站的主要工作流程開發(fā)出油田集輸系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，并嵌入動態(tài)演示、文字描述及多媒體文件對油氣集輸系統(tǒng)主要流程進行知識講解和演示模擬, 實現(xiàn)了對氣液分離，原油處理，氣體處理和污水處理等過程的演示模擬。同時系統(tǒng)中設計手動操作過程，在學習之后自主完成實驗報告。并利用組態(tài)軟件開發(fā)，用PLC作為樞紐將演示軟件與實驗室實體模型相連接，以實現(xiàn)控制該模型。該軟件已應用在中國石油大學(北京)油氣儲運實驗室中，收到良好的教學效果。

油田聯(lián)合站; 仿真系統(tǒng); 教學; 組態(tài)軟件

0 引 言

在學校的日常教學中，對于一些和生產(chǎn)實際相關(guān)的課程，受制于學校的教學條件，學生往往很難接觸到實際的生產(chǎn)裝置。而在油氣儲運工程的相關(guān)課程中，油氣集輸相關(guān)知識的教授是其中不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)[1-4]。然而，由于該課程所涉及的知識散亂而復雜，單靠老師在課堂上的文字講解往往會令學生感到乏味、難以理解而厭學。近年來，仿真教學作為一種新穎的手段，越來越受到重視和認可[5-8]。同樣，在油氣集輸?shù)慕虒W過程中，采用仿真培訓系統(tǒng)可以從很大程度上解決上述問題[9]。為把油氣田聯(lián)合站各種日常作業(yè)的操作過程與原理更為直觀地呈現(xiàn)給學生，本文將在調(diào)研目前國內(nèi)聯(lián)合站的工藝流程和業(yè)務操作過程[10-12]的基礎上，利用組態(tài)軟件“三維力控”開發(fā)出一套油田聯(lián)合站模擬操作系統(tǒng)，對一般油田聯(lián)合站的功能和主要設備設施的日常操作過程及原理進行介紹和分析。這種教學方式的優(yōu)點在于，可以將生產(chǎn)實際搬到課堂、實驗室中，直觀、全面地進行講解，最大限度地使相關(guān)的教學貼近現(xiàn)場，同時，這種軟件還可以通過PLC編程來實現(xiàn)對實驗室實體模型的控制，讓學生自行在PC機上實現(xiàn)對相關(guān)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的控制，從而更加具體、全面地掌握油氣田地面集輸?shù)南嚓P(guān)流程和技術(shù)，這種功能即便是在生產(chǎn)現(xiàn)場實習中也無法完成的。

1 仿真模擬系統(tǒng)與實際的結(jié)合

油氣集輸工程是將分散的油井產(chǎn)物，分別測得各單井的原油、天然氣和采出水的產(chǎn)量值后，匯集、處理成出礦原油、天然氣、液化石油氣及天然汽油，而后輸送給用戶的的油田生產(chǎn)過程[13]，如圖1所示。這樣的生產(chǎn)中包含了油井計量，油氣分離。原油脫水、穩(wěn)定，油氣輸送等多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的原理與操作工序都很復雜[14]。如此復雜的生產(chǎn)過程對于未去過現(xiàn)場的初學者來說非常抽象、枯燥，故教學組在實驗室建立了生產(chǎn)處理裝置模型，配以本系統(tǒng)作為上位機為模型下達指令；在實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的同時，系統(tǒng)內(nèi)增加了豐富的學習內(nèi)容，配以專為本領域制作的音視頻、動畫文字等，令本系統(tǒng)還可單獨作為教學實驗軟件使用，為學生打造邊操作邊學習、思考的學習模式。

圖1 油田聯(lián)合站工作內(nèi)容

2 仿真模擬軟件的開發(fā)思路及過程

2.1 簡 介

針對油田聯(lián)合站復雜的工作流程的特點，本系統(tǒng)選用力控組態(tài)軟件進行開發(fā)。力控是一種監(jiān)控組態(tài)軟件，使用該軟件的用戶可以方便、快速地構(gòu)造出不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)以模仿真實的裝置。它還可置入多種多媒體文件，開發(fā)出的系統(tǒng)很適合教學使用。

2.2 開發(fā)過程

本軟件的開發(fā)過程總體可以概括為：界面圖形開發(fā)—文字、圖片、動畫的制作和收集—嵌入多媒體文件—構(gòu)造數(shù)據(jù)庫—編寫腳本—運行和調(diào)試。

(1) 界面圖形開發(fā)。利用力控的DRAW界面畫出聯(lián)合站的流量計、分離器、泵、罐等相關(guān)設備的模擬圖，細到各種管線閥門設備，用不同顏色與設備類型，使抽象復雜的流程直觀地展現(xiàn)出來，并對照流程圖設定相應的流程及設備，實現(xiàn)聯(lián)合站的集油、計量、分離、處理、儲存、輸送等功能。

(2) 文字、圖片、動畫的制作和收集。做出模擬流程后，完善各個流程原理、設備原理等的文字說明，整理好各種知識講解內(nèi)容，針對每個流程所涉及的重要設備，制作或收集一些形象直觀的文字、圖片、動畫等文件，對其特點、原理、操作等進行展示和說明。

(3) 多媒體文件的嵌入。利用力控軟件所提供的控件嵌入多媒體文件，將設備、管件相對應的知識講文件有機鏈接起來，從而實現(xiàn)軟件的逐級點擊查看以及展示講解功能。

添加動畫時，需要在力控提供的復合組件中添加Flash播放器，在播放器屬性設置中填寫該動畫的URL地址即可實現(xiàn)嵌入動畫。

(4) 建立數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。它在數(shù)據(jù)庫中記錄了所有用戶可以使用的數(shù)據(jù)變量的詳細信息。人機界面程序View運行時，工業(yè)現(xiàn)場(此處為實驗室裝置)的狀況要以數(shù)據(jù)的形式在畫面中顯示，View中所有動態(tài)表現(xiàn)手段，如數(shù)值顯示、閃爍、變色等都與這些數(shù)據(jù)相關(guān)。生產(chǎn)運行狀況將實時地反映在變量的數(shù)值中[15]。數(shù)據(jù)庫變量與數(shù)據(jù)庫DB中的點參數(shù)進行對應，完成數(shù)據(jù)的交互。

力控提供多種變量，包括數(shù)據(jù)庫變量、中間變量、間接變量、窗口中間變量等。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸原理圖

在此系統(tǒng)中，管線的流動屬性(閃爍模擬)利用時間變量t控制，設置當t>56時，該綠色管線開始呈現(xiàn)流動狀態(tài)；此代碼直接寫入管線的屬性中，如圖3所示。

圖3 管線的時間變量定義過程

例如在污水處理流程中，當?shù)诙两倒?圖名稱為“二沉”)的液位沒有達到最高時，罐后閥門保持關(guān)閉狀態(tài)；當液位達到最高時，閥門打開；打開閥門后看到罐內(nèi)液位恢復正常，此罐液位利用數(shù)據(jù)庫變量lev的PV值來控制。

其他變量的建立原理類似以上變量。

(5) 編寫腳本。建好變量后，便可編寫腳本語言來完成對界面上數(shù)據(jù)的處理和控制[16]，進行圖形化監(jiān)控。動作腳本是一種基于對象和事件的編程語言，語法采用類BASIC的結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)內(nèi)的變量組織起來，每段腳本都是與某一個對象或觸發(fā)事件緊密關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)一般需要窗口腳本、應用程序腳本、鍵腳本和條件腳本等。

例如沉降罐中，編制該罐液位的腳本為：

IF t>5 THEN

lev2.pv=lev2.pv+10;

IF lev2.pv==90 THEN

lev2.pv=70;

ENDIF

ENDIF

以上代碼寫在應用程序動作代碼中，首先設定進入程序時時間變量t=0，lev2.pv=0;程序啟動后，時間變量t從0開始遞增，設定1 s為1周期，1周期t遞增1。當t>5時罐液位值開始上升。當液位值lev.pv>90時，罐后閥門打開；閥打開后罐液位回落。

(6) 運行和調(diào)試。完成以上5個步驟后，即可運行調(diào)試。在開發(fā)狀態(tài)直接點擊“文件/進入運行”命令，可直接進入程序運行狀態(tài)，調(diào)試過程中如力控會檢查出腳本錯誤，可隨時停止運行改正問題。

2.3 軟件界面

學生可在進入系統(tǒng)后選擇演示型或操作型。

3 軟件的應用

3.1 功能演示

本系統(tǒng)利用了力控組態(tài)軟件提供的豐富的工藝設備模擬驅(qū)動，因而可以模擬演示工藝設備的運行狀態(tài)。其演示功能可讓學生觀察到整個工藝流程的運作，如管道流動、設備運行狀態(tài)等，使得工藝設備變“活”；系統(tǒng)還利用嵌入的文字、動畫等形式對每一主要流程、設備原理、教學重、難點等進行介紹說明，進而實現(xiàn)將零散的“點”知識串接成“線”(即流程、子流程)；把“線”繪成面(即整個站場)，這種“點—線—面”的方式可有效地把油氣集輸工程復雜而零散的知識串接起來，在學生心中形成知識網(wǎng)絡，加深記憶。

進入演示型后，軟件會出現(xiàn)如圖4所示界面。

圖4 進入演示型界面學習

進入演示學習，選擇站場的任一區(qū)域進行學習。此處選擇以氣液分離流程界面為例，進入后如下圖，點擊界面上“氣液分離流程”這六個字，則會出現(xiàn)覆蓋式窗口“本站流程說明”，如圖5所示。其他幾個界面操作類似。“流程說明”介紹了站內(nèi)流程概述、流程工作原理，點擊“返回上一級”按鈕即可回到該流程界面。以下將簡單介紹界面的三個控件功能：

圖5 氣液分離流程說明

控件1 按“開始工作”即啟動畫面開始工作。這時可以看到右下角處采油區(qū)的三個采油機開始運轉(zhuǎn)，管道呈現(xiàn)流動狀態(tài)。

控件2 按下“暫停/繼續(xù)”鍵后，全部設備都停止運轉(zhuǎn)，管道停止流動，這里可以保持在暫停之前所進行的狀態(tài)，當再次按此鍵時，全部設備繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

控件3 按下“工作停止”鍵后，畫面變?yōu)槌跏紶顟B(tài)。

控件4 返回上一級即返回到“聯(lián)合站系統(tǒng)圖”界面。

在頁面上點擊其他工作設備，只要鼠標變成“小手”形狀，均可點擊進入其他窗口界面。這些界面是介紹所點擊的設備的工作原理界面。例如：點擊圖6中的三合一罐，即可看到進入三合一罐原理頁面，此頁面介紹了三合一罐的原理，點擊動畫即可動態(tài)學習三合一罐，形象生動。

圖6 三合一罐原理介紹界面

3.2 實際操作

相對于演示功能，本系統(tǒng)設計能夠讓用戶自主開關(guān)設備，從而控制設備、管線的運轉(zhuǎn)。在用戶全部手動完成后，會出現(xiàn)“恭喜×××，您完成了××流程”的界面，意味著用戶已經(jīng)對該流程有了整體的了解。下面以油氣集輸中的原油處理流程為例，圖7中的閥門等設備需要學生利用所學理論知識手動啟動或關(guān)閉，操作流程中沒有過多的文字、動畫等介紹性內(nèi)容，其目的是為檢驗學生的學習效果，加深對該流程的理解。

圖7 原油處理演示型界面

比較圖7所示的演示型界面和圖8中的操作型界面可以看到，兩者界面大體相同，但操作型界面沒有演示型左上方的三個控件，操作型界面需要用戶自己開啟設備。用戶應先觀看演示型界面的工作流程和設備啟動順序，當認為自己可以自行開關(guān)設備后，即可在操作型界面自行開啟設備。

圖8 原油處理流程操作型界面

本軟件著力于學生對油氣集輸這門課程流程的理解和設備原理的認識，所以不要求學生像操作工一樣學習如何開關(guān)泵、閥門等詳細知識，只需知道這些設備的開關(guān)狀態(tài)即可。紅色代表關(guān)閉狀態(tài)，綠色為開啟狀態(tài)。用戶點擊紅色閥門即可改變閥門顏色，開啟閥門。泵的開啟方法如下：先開啟泵的入口閥門，然后點擊泵身，使得泵由紅色變?yōu)榫G色即視為泵開始運行。然后再開啟泵的出口閥門，則起泵操作完成。

(1) 如果用戶沒有按流程開設備，則軟件會提示應該先進行哪一步。例如，如果用戶在沒有開啟游離水罐的情況下就開啟了游離水罐的出口閥門，則系統(tǒng)會彈出警示對話框：“此罐還沒有來液！”

(2) 操作型界面的右下角都有一個“完成”控件，如果用戶走完全部流程，則點擊“完成”按鈕，則會出現(xiàn)另一個恭喜你完成學習的界面。

(3) 如果用戶不按流程走完整個界面，則不能出現(xiàn)此“恭喜”界面。此“恭喜”界面作為實驗報告的實驗結(jié)論的一部分，可用于實驗課老師對學生的學習情況打分。

3.3 模型控制

軟件可以控制中國石油大學(北京)油田地面生產(chǎn)仿真教學實驗室的聯(lián)合站立體模型，模型上的設備模具真實地模仿真實設備結(jié)構(gòu)，并可模擬出設備的工作狀態(tài)。以計算機作為上位機，以PLC(可編程控制器) 作為下位機，PLC的輸出與模型相連。通過計算機向PLC下達操作指令，PLC 將操作指令轉(zhuǎn)換成執(zhí)行信號送到模型上顯示，操作產(chǎn)生的參數(shù)變化過程由計算機的模擬程序?qū)崿F(xiàn)，從而讓學生感受由計算機控制的現(xiàn)代化生產(chǎn)運行模式。

4 結(jié) 語

通過模擬實際聯(lián)合站的工作狀況和運行環(huán)境，使得軟件最大限度地符合聯(lián)合站現(xiàn)場實際，形象直觀地動態(tài)演示、生動的文字講解和多媒體文件能夠讓學生避免純理論演示講解的乏味，節(jié)省了購買設備的費用，做到經(jīng)濟、省時。另一方面，可以作為仿真實驗室控制模型使用，也可作為聯(lián)合站新員工的培訓使用。

本系統(tǒng)使用方便，學生不僅可在教學實驗室內(nèi)進行實驗課學習，還可以拷貝本系統(tǒng)到自己的電腦上使用，以供隨時的課外預習、復習等。從教學效果和上課時學生的反應來看，學生表現(xiàn)出了更多的學習主動性，對設備、流程等的理解更為迅速。

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Instruction Software for Oil & Gas Gathering and Transferring System Simulation

ZHUDong-yin,WUHai-hao,LIKai

(Laboratory of Petroleum Pipeline Transportation Technology in National Engineerimg Laboratory forPipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

In this paper, a simulating software based on the main working process of Oilfield United- station was developed. Since traditional methods in the course of Oil &Gas Gathering and Transferring were failed to teach the fragmented knowledge efficiently. In the software, dynamic demonstration, text description and multi-media files were inserted to simulate the operation of Oilfield United-station such as gas-liquid separation process, oil process, gas process, sewage disposal process and so on. The software has function of manual operation and requires users to finish their experiment reports independently. Due to the teacher’s teaching, students would enhance the enthusiasm of independent learning. The software was further developed by configuration software. It was linked to the entity models in the laboratory through PLC and could control the model. The software was used in the Oil and Gas Gathering and Transferring Laboratory in China University of Petroleum Beijing, and has received a good teaching effect.

oilfield united-station; simulation system; teaching; configuration software

2014-06-12

朱冬銀(1989-)，女，滿族，河北昌黎人，碩士生，主要研究方向：油氣集輸技術(shù)。

Tel.:15101181725;E-mail:xiaozdy163@163.com

吳海浩(1972-)，男，浙江慈溪人，碩士，主要從事油氣儲運實驗室建設方面的工作。

Tel.:13683270867;E-mail：cympf@cup.edu.cn

O 439；TP 319.9

A

1006-7167(2015)01-0092-05