PLC在油田計量站監控系統中的應用

張赟，劉昶（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

PLC在油田計量站監控系統中的應用

張赟，劉昶
（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

本文以某油田計量站為研究對象，結合計量站的生產過程、工藝特點及控制要求，設計一個基于PLC的油田計量站監控系統。介紹了基于西門子PLC和Profibus現場總線的某廠油田控制系統軟、硬件組態的實現以及WinCC監控系統。實踐結果表明：系統穩定可靠，為計量站記錄產量創造了便利條件，該控制系統達到了預期效果。

PLC；自動控制；WinCC監控系統；PID

原油是一種多組分碳氫化合物的混合產物，同時含有水、臘、沙、鹽等雜質，在不同溫度和壓力條件下，油氣相態可以任意轉化[6]。油井是油氣田地面生產系統的起點，而計量站是油田的重要組成部分，在油田的生產過程中，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，實現設備運行、人員操作的可靠、安全、準確、簡單化。

PLC具有結構簡單，易于編程，便于操作、可靠性高等特點，在油田作業區得到了廣泛的支持，已經成為現代化工業標準，對各個泵、爐、罐站的參數（如壓力、溫度、液位等）進行精確控制[1]。通過上位機監控系統，操作員實時了解各站的運行參數并進行相應的工藝操作。

1 計量站計量原理

油井原油的計量包括原油混合液的產量計量和原油體積含水率計量兩部分。油田投入開發后，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，油井產量大大減少，甚至會停噴停產，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，實現油田高產穩產，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油田具體情況、油藏的構造形態、面積大小和技術經濟綜合效益考慮。處理過的水經注水泵加壓，再經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的關鍵環節[15-17]。在一些供液不足的油井，需要使用注水泵先向井內注進一定量的水，將油稀釋，并將液面提升到一定高度，才易于開采。開采出來的原油經過加熱爐脫水后經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果就是我們所需要計量的。

2 計量站監控系統總體結構

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。為保證提供有效可靠準確的油田抄錄資料，同時考慮生產設備的安全性，要實現油井高效、穩定的產油，就必須保證計量結果的準確性、連續性與實時性，實現計量站與注水泵房之間的自動檢測與控制，同時對各個環節的工藝參數都必須進行嚴格地檢測與控制。針對計量站監控系統的控制要求，綜合比較各種自動控制方案，確定該計量站監控系統的控制方案為：由SIEMENS PLC（CPU及其他模塊）和工控機組成的PLC監控方案，其監控系統的總體結構如圖1所示[4]。

圖1 計量站監控系統總體結構圖

為了使監控系統穩定安全可靠地運行，其控制系統要求如下：

1）各個儀表參數自動檢測和顯示；

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）控制參數自主設定；

5）故障報警、故障信息記錄及顯示、部分故障自動修復功能。

3 監控系統硬件設計

根據計量站控制過程及要求，設計了其控制系統的硬件結構，如圖2所示。

在油田計量站監控系統中通過傳感器對油罐內油的壓力、液位、流量及溫度等數據進行采集，模擬量信號通過傳感器轉變為控制系統4～20 mA電流信號，在經A/D轉換送給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；采集的數據經以太網模塊CP243-1傳輸到上位機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]。系統的 I/O點數決定 PLC控制系統規模大小，在設計監控系統時，在根據控制要求選擇 I/O模塊的基礎上要適當的留有一定的余量，根據計量站實際情況有 64個模擬量輸入、7個模擬量輸出點、11個數字量輸入點、7個數字量輸出點，故選擇S7-300系列PLC完全滿足要求。電源模塊作用是將 AC120V/230V的電壓轉換為24VDC工作電壓，為PLC的CPU和24VDC負載電路（傳感器、信號模塊、信號轉換模塊等）提供電源。

圖2 監控系統硬件設計

4 監控系統軟件設計

根據計量站的控制要求，設計了其控制系統的原理圖，如圖3所示。

圖3 控制系統原理圖

根據控制系統原理圖，可看出各個模塊之間是聯動的，控制制邏輯較為復雜。系統在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密，并且具有良好的移植性和擴展性。控制程序由主控程序、數據采集、信號處理、輸出手動和遠程控制等模塊組成，據門電路實現二級控制，在程序設定的限制條件下實現帶寬控制，能有效提高監控系統的實時與準確性。系統運行有手動、遠程兩種模式，通過軟件轉換開關由操作員進行選擇[2]。此設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定在用戶設定值的范圍內，排油閥門自動打開關閉。其控制過程為：溫度傳感器將加熱爐溫度變為電流信號傳輸到PLC，PLC將信號值換算成溫度與上位機所給定的設定值進行比較，比較的結果通過PID控制算法計算相應的輸出控制量，從而將加熱爐的溫度控制在一定的范圍內[5]；據液位傳感器檢測儲油罐的液位高度，當罐的液位高度達設定值時，排油閥門打開，外輸給下一段工藝流程；據流量計檢測，自動控制變頻水泵的轉速，使水流速度穩定在一定數值范圍內，即含水率在一定范圍內。PLC程序設計流程如圖4所示。

圖4 程序設計流程圖

5 計量站監控系統的通訊設計、上位機設計、觸摸屏設計

5.1 通訊設計

在紛雜的工業網絡通訊方式中，由于現場站和值班控制室之間的距離較遠，考慮到搭建以太網通信網絡的可行性，在現場站和值班控制室之間搭建了以太網通信網絡，通過以太網網網絡實現現場站與值班控制室之間的通信[14]。通過以太網模塊CP243-1與雙纖單模收發器相結合，實現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場距離較遠而無法通訊的弊端，通訊設計如圖5所示。

圖5 通訊設計圖

5.2 集控值班室上位機設計

集控值班室上位機采用WinCC軟件對計量站控制系統進行上位機監控，實現了計量站的自動監控、遠程手動控制、各參數在線顯示、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備（加熱爐、儲油罐、注水泵、提升泵等）實現遠程監控，對控制參數進行設定，遠程控制和手動模式隨意切換，實時監控工藝參數，實時記錄各設備的工作過程、故障出現明細及歷史查詢[8]。若出現故障，系統自動報警，提醒操作員應停止作業，待故障排除后，監控系統再重新投入使用。

5.3 觸摸屏上位機設計

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

6 監控系統應用效果

在計量站監控系統設計開發完成后，需要將系統的軟硬件安裝到計量站的生產現場進行調試，以檢驗其功能的實現情況。本系統還需與SCADA系統應用進行對接測試，在SCADA系統上實現無人值守自動化控制，調試相關參數。目前監控系統已成功應用到白豹油田白一計量站生產中，實時的監視計量站的生產過程，實時顯示生產過程中的數據與曲線，同時，該監控系統還可以對系統中的異常信號發出報警指令，從而保證了生產系統的安全性，數據采集率與準確率大大提高，尤其是有效杜絕了以往假數據現象；系統高效平穩，故障率較以前下降了40%以上；站控系統故障維護技術要求門檻降低，解決了傳統安裝調試上位機系統及軟件帶來的一系列問題，縮短操作維護周期[13]。實驗結果表明系統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，并為實際生產提供了有力的支持，達到了預期的控制要求。

7 結 論

PLC控制系統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展的大背景下，PLC控制系統在油田生產中的得到了廣泛應用，監控系統還可以對系統中的異常信號發出報警指令，極大提高了原油輸送過程的安全性與可靠性[7]。PLC監控系統不僅能夠提高油田的自動化程度，實現現場數據采集和實時監控，還能進行數據分析，進行操作預判和操作決斷[10]。采用這種裝置不僅提高了作業的連續性，降低了工作成本，提高了作業效率，并且比以前的傳統技術更具有可持續發展性，測量精度也進一步得到了提升，大大提高了油田各項指標資料的準確性。

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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。