基于單片機的油田污水處理加藥控制系統設計

楊青勝，詹習生，王智超

(1.湖北師范大學 機電與控制工程學院，湖北 黃石　435002；2.中海油能源發展股份有限公司北京分公司，北京　100272)

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基于單片機的油田污水處理加藥控制系統設計

楊青勝1，詹習生1，王智超2

(1.湖北師范大學 機電與控制工程學院，湖北 黃石435002；2.中海油能源發展股份有限公司北京分公司，北京100272)

介紹了基于物理化學法的油田污水處理工藝流程；論述了工業控制中的基于三段式遲滯回線的流體均流控制方法；提出了基于PPM 比值控制的污水加藥控制方法；設計了基于單片機的油田污水處理加藥控制系統。

物理化學法；遲滯回線；PPM 比值控制

0　引言

隨著依靠天然能量大規模開采原油的逐步減少，目前我國許多油田處于二次采油期, 即注水開采期, 所采的油中含有大量的污水。因此，油田污水處理的問題也變得更加突出與重要，其目的是將污水經過處理后再回注地層以補充和平衡地層壓力,防止注入水和返回水腐蝕注水管和油管, 避免地層結垢，影響土質結構與生態環境。

目前主要的污水處理技術方法有：物理處理法、化學處理法、物理化學處理法以及生物處理法。其中，物理化學處理法是結合了物理處理和化學處理兩種方法各自優勢，在油田污水處理領域應用最為廣泛，其方法的核心是藥劑添加量的控制。

AT89C52單片機是一類具有較高的可靠性和抗干擾能力強等特點，廣泛應用于各類工業現場中。因此,使用AT89C52單片機構成現場控制部分，結合VB軟件構成上位機監控界面部分, 采用物理化學處理技術方案，形成一套較為完善的油田污水處理加藥控制系統，取得了較好的控制效果。

1　加藥控制系統原理

1.1基本原理

本設計所采用的物理化學處理油田污水的方法中，通過向污水中加入A、B、C 三種化學藥劑,其中A 劑為pH 值調整劑, B劑為沉降劑, C 劑為阻垢劑。根據工藝要求,關鍵是在預反應器中對污水添加A 劑提高污水的pH 值以減少腐蝕。添加 B 劑可加速污水中絮狀物的沉淀。添加C 劑可減緩污水在管路中的結垢。由于油田污水的成份比較特別，加入的藥品的量必須根據當前來水量進行實時控制，所以就必須設計自動加藥控制系統來實現加藥量的準確性。

油田污水首先通過管道進入調儲罐進行一次沉降，在提升泵的工作下將調儲罐中的污水送到預反應器中，同時加藥泵將污水處理藥劑加入預反應器中，在預反應器中短暫的停留后直接進入旋流分離器中進行充分反應，在離心力的作用下，污水與藥劑充分接觸，形成充分化學反應之后的水以旋流形式通過分離器上部管道口輸送到清水儲罐做進一步處理，產生的絮狀物因相互吸附而沉淀，形成污泥，通過分離器下部排污閥定時開關將污泥排到污泥池中。其加藥系統工藝流程框圖如圖1所示。

圖1　加藥系統工藝流程框圖

1.2提升泵出水流量的控制

調儲罐除了油田污水一次沉降的作用外，還承擔著污水量的存儲與調節，因油田污水量不斷變化，實際使用中可以多個調儲罐同時使用，以增強調儲效果。在調儲罐的調節作用下，通過檢測調儲罐的液位來對提升泵出水流量進行控制以保證預反應器的水量的穩定，進而加強加藥系統的穩定性和處理效果。

圖2　提升泵出水控制原理框圖

通過檢測調儲罐液位值，采取不同的控制策略使得系統輸出4～20mA之間變化的電流信號，此信號作為變頻器的控制輸入，由變頻器對應輸出的0～50Hz的變化頻率對提升泵的轉速進行控制，進而改變出水流量。

為了保持出水流量的基本穩定，滿足均流控制條件，不能根據調儲罐液位直接采用線性控制的方法，本設計采用的是根據液位對應劃分變頻器輸出高頻段、中頻段以及低頻段進行分段處理的方法。但是如果把液位-頻率簡單分為三段的話易出現問題，比如當液位處于兩段的臨界點時，會造成控制系統的上下來回跳動，不停的進行兩段之間的擺動，為了解決這個問題，本設計中采用了遲滯回線的控制方法，如圖3所示。

圖3　變頻器工作的遲滯回線

在上述圖3中，箭頭向上的線為液位上升時的情況，箭頭向下的線為液位下降時的線。例如當前液位下變頻器工作于中頻段，如果調儲罐液位上升高于液位3的值，那么變頻器就從中頻轉到高頻工作狀態。采用這樣的方法，既解決了臨界點的來回波動問題，又使得提升泵的出水在一定時間內基本保持穩定。

1.3污水加藥量的控制

在提升泵出水流量的基本穩定下，加藥量的控制則是整個工藝流程中最為重要的部分。污水處理中加藥量主要根據提升泵出水流量來確定，而加藥泵的控制由變頻器輸出的0～50Hz的變化頻率進行控制，改變加藥泵的轉速以改變加藥量，而變頻器通過系統輸出4～20mA之間變化的電流來改變其工作頻率。

圖4　污水加藥量控制原理框圖

本設計中采用的流量控制算法是PPM控制法，由此的方法來實現加藥量的準確投放。

公式中的兩個流量同為瞬時流量，上下兩個流量的單位相同。通過設定PPM值和濃度值，就能根據提升泵出水流量計算出所需的加藥泵藥劑流量。在計算出當前所需的加藥量后，同當前實際流量值進行比較，采取比例調節的計算方法，把設定值與當前值的差作為反饋量，加入比例調節，逐步控制當前值與設定值的逐步逼近。

反應到系統的最終變化是輸出到變頻器的頻率隨著各流量計的流量變化而變化，最后系統穩定在這樣一個狀態：各藥劑的實際PPM值與面板設置的PPM基本一致，這樣就達到了實現自動加藥的設計目的。

1.4分離器排污閥的控制

整個環節的最后一步是反應產生的污泥的排放。對于本套系統，產生的污泥是一種絮狀物的形態，而且這個絮狀物互相之間有吸附性，在旋流分離器的作用下，產生的絮狀物最后能吸附在一起沉淀到分離器的罐底。對于產生的這種沉淀物，我們不能一次性將它全部排空，因為留在罐底的少量污泥能更好的起到吸附上面反應產生的新的絮狀物；同時它也不能長時間停留在罐底，否則在旋流作用下太多的絮狀物容易影響上面處理水的水質。因此，通過反復實驗測算出合理的排污時間間隔和一次排污的開閥持續時間非常重要。

本套系統排污閥選用的是電動閥，可以通過開關量信號進行開閥和關閥的控制。所以系統設計定時排污功能，在上位機面板上輸入參數排污間隔時間和開閥持續時間，通過定時器能就夠準確的控制好排污時間間隔和單次排污的開閥持續時間；同時還增加了手動開關閥功能，這是因為油田污水的特殊性，不能保證污水的水成份保持長時間不變，所以需要通過手動方式根據實際情況來進行排污閥的開關控制。

2　加藥控制系統的實現

本套控制系統的硬件實現主要包括上位機(計算機監控系統)和下位機(單片機應用系統)兩個部分，即基于VB程序設計的系統界面監控和基于AT89C52單片機的集成電路板。

上位機由VB來實現，完成人機交互的功能。完成控制系統必須設置的各種參數，包括PPM的設定值，藥劑濃度，排污閥排污間隔以及排污閥一次排污開閥時間；同時各個一次儀表的檢測數據也需要通過顯示的方式讓用戶可以實時觀察，這個工作也是由上位機程序來實現。PPM控制中的PPM值設定和藥劑濃度設定如圖5所示。

圖5　PPM控制中的參數設定

下位機集成電路板的主控芯片是AT89C52單片機，外圍電路包括了模擬量輸入輸出電路，開關量輸入輸出電路和串口通信電路三部分。串口通信的格式為RS232格式，其功能是和PC機的VB程序進行通信功能。模擬量輸入電路的功能是一次儀表的數據采集功能，整套系統中涉及到多個一次儀表，并且需要及時根據對一次的數據進行自動控制，因此數據采集功能的準確與否直接影響到控制效果的好壞。

3　結語

本文介紹了工業控制中的基于三段式遲滯回線的流體均流控制方法在油田污水處理的應用；提出了基于PPM 比值控制的污水加藥控制方法；設計了基于單片機的油田污水處理加藥控制系統。本套系統已經應用于青海油田采油一廠聯合站和采油三廠聯合站，并取得了不錯的控制效果。當然，系統也存在著一些不足，比如采樣精度不夠高。因為采用的是89C52單片機作為主控芯片，ADC0809作為A/D轉換芯片，數據格式限制為8位，達到的精度為1/256，當需要精密控制時可能無法滿足控制要求，需要在以后的設計中不斷改進。

[1] 劉德新. 油田污水處理 [M].北京: 中國石油大學出版社, 2015.

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[4]王智超,王全治.油田污水處理加藥測控系統方案設計[J].石油儀器, 2010, 24( 3) : 49～ 50.

The design of oilfield sewage treatment dosing control system based on MCU

YANG Qing-sheng1,ZHAN Xi-sheng1，WANG Zhi-chao2

(1.College of Mechanical and Control Engineering,Hubei Normal University,Huangshi435002,China;2. CNOOC Energy Technology & Services Limited Beijing Branch, Beijing1000272,China)

In this paper, the process flow of oil field wastewater treatment is introduced; the fluid flow control method based on the three stage hysteresis loop in the industrial control is described;it propose the sewage dosing control system based on PPM ratio control method; and design oilfield sewage treatment dosing control system based on MCU.

physical-chemical method; hysteresis loop; PPM ratio control

2016—03—14

G431

A

1009-2714(2016)02- 0104- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2016.02.023

作者介紹：楊青勝(1984-)，男，蘄春人，碩士，講師，主要研究方向：自動檢測與控制、單片機與嵌入式系統等。