油田接轉站物聯網仿真培訓系統的設計與實現

［摘 要］隨著油氣生產物聯網建設的開展，開發物聯網仿真培訓系統對于提高操作人員的物聯網應用技能十分必要。文章選取具有代表性的接轉站系統作為仿真對象，滿足流程模擬、操作功能模擬、事故處理模擬、操作評價等方面的需要，使用高性價比的小型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）搭建下位機系統，使用組態軟件通過二次開發實現上位機仿真功能，實現對接轉站物聯網仿真培訓系統的開發，解決以往仿真系統存在的開發費用高、代碼不開放、修改維護不便等問題。

［關鍵詞］接轉站；物聯網；仿真系統；組態

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.08.039

［中圖分類號］TE9；TP391.9 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）08-0-04

0" " "引 言

當前，國內各油田正在對已建油氣站場進行物聯網改造，操作人員從傳統的手工操作轉變為應用物聯網系統進行監控［1］。操作方式的轉變帶來了如何讓操作人員盡快熟練掌握物聯網應用的現實問題，開發應用物聯網仿真系統，對操作人員進行物聯網使用培訓顯得十分必要。接轉站工藝流程在各油田中基本相同，接轉站物聯網系統的使用功能類型基本可以涵蓋其他類型站場物聯網系統的功能。為此，本文選取具有代表性的接轉站物聯網系統進行仿真開發，實現對操作人員物聯網應用技能的仿真培訓［1］。

1" " "仿真需求

接轉站作為油田集輸系統運行的關鍵環節，主要完成進站液氣液分離、加熱、外輸、摻輸等工作。通過物聯網系統，接轉站可以實現各項運行參數的自動采集、流程展示、報警、自動控制、趨勢分析等功能。物聯網仿真系統重點實現如下需求。

1.1" "流程模擬

流程模擬是接轉站物聯網仿真系統實現的關鍵，主要應用物料平衡方程、能量平衡方程、伯努利方程、理想氣體狀態方程建立系統數學模型，描述系統的動態特性和靜態特性［2］。重點實現如下模擬：進站介質含水、含氣、溫度、流量變化等的模擬，分離器、空冷凈化裝置等工藝設備液位、壓力、流量、溫度等變化的模擬，加熱爐、機泵、控制閥控制特性的模擬。

1.2" "操作功能模擬

接轉站物聯網系統使用組態軟件作為上位機系統，使用PLC作為下位機系統實現數據采集和自動控制，仿真系統需要使用與現場實際相一致的上位機系統和下位機系統［3］，同時還需要配置與現場相似的手動控制操作盤，用于模擬事故狀態下的手工操作。重點實現與現場一致的操作功能，主要包括報警信息的查看、報警參數的設置、趨勢組及趨勢分析功能的使用、機泵啟?？刂啤⒈壤e分微分（Proportional，Integral，Differential;PID）控制的使用、自保連鎖控制的使用、物聯網系統運行狀態監測、系統日志查看等基礎功能［2］。

1.3" "事故處理模擬

事故處理是實際生產中操作人員的關鍵技能，通過事故處理模擬提高操作人員應用參數報警和參數變化情況分析診斷事故和正確處理事故的能力。系統需要按照考核等級設置自動加載相應模擬事故［4］，主要包括PID手自動切換、自保停機原因分析、加熱爐故障判斷、氣體報警處理、機泵偷停診斷、系統壓力控制、參數失效判斷、系統故障診斷、停電事故處理、泄漏事故判斷與處理等。

1.4" "操作評價

操作評價是客觀評價操作人員物聯網系統應用能力的工具［5］。系統通過記錄操作人員的操作行為，與考核規則進行符合性比較，定量形成操作人員操作水平評價分數。

2" " "接轉站物聯網仿真系統設計

系統設計以某接轉站物聯網系統為仿真對象，該站采用摻輸工藝，接收4座集油閥組間的來液，配置三相分離器2套（一開一備）、空冷凈化器1套、摻輸水罐1套、加熱爐3臺、外輸泵2臺、摻輸泵3臺。物聯網系統配置PLC控制柜1套、操作站1套。該站采集參數63個，PID控制回路3個，遠程遙控回路3個。

2.1" "硬件結構設計

在系統硬件設計上，在滿足相似性要求的基礎上，盡量減少硬件設施的部署，追求小型化、便攜式，達到培訓場所空間要求。接轉站物聯網仿真系統硬件結構如圖1所示。具體硬件配置如下：管理員站1套、操作員站1套、西門子S7-200 PLC 1套、小型交換機1套、模擬操作盤1套、小型變頻器1套、電動執行器1套。模擬操作盤用于模擬現場的各類操作按（旋）鈕，用于考查系統故障時操作人員的手工操作能力，同時利用PLC采集模擬操作盤的狀態變化，用于記錄評價操作人員的手工操作行為［3］。

2.2" "軟件結構設計

接轉站物聯網仿真系統軟件結構采取服務器/客戶端架構，具體結構見圖2。仿真軟件采用三維力控ForceCon V7.1網絡版組態軟件進行組態開發，保持與現場使用的上位機系統組態軟件相一致［5］。ForceCon V7.1組態軟件作為一款服務器/客戶端架構的組態開發軟件，具有豐富的人機界面開發功能、數據交互功能、輕量級的計算功能，該軟件的應用程序動作功能支持用戶使用編程語言（Visual Basic，VB）腳本開發工藝計算功能，提供的ActiveX數據對象后臺組件支持組態環境與數據庫的交互。數據庫使用Access數據庫，部署于服務器端（管理員站），用于存儲用戶管理、用戶行為記錄、考核項加載配置、操作評價打分等數據［4］。PLC下位機軟件使用西門子STEP7 MicroWIN V4.0 SP9開發，主要實現變頻器、電動執行器、模擬操作盤的參數采集和控制，包括PID控制程序、啟停控制程序等。

2.3" "系統功能框架

仿真系統軟件分為用戶管理、人機界面、過程模擬、考核項加載管理、操作評價管理5個功能模塊，具體分為31項子功能（見圖3）。用戶管理部分主要實現管理員賬戶和培訓用戶的注冊、授權、注銷等使用權限的管理。人機界面部分主要采用組態軟件開發，主要培訓使用人員熟悉組態功能，包括流程調用、報警上下限設置、報警記錄查看、系統狀態查看、系統日志查詢、PID控制面板使用、趨勢曲線查看及趨勢組配置等。過程模擬功能是系統的核心功能，主要實現進站液量變化模擬、分離器液位變化模擬、摻輸水罐液位變化模擬、加熱爐運行工況模擬、系統壓力平衡模擬、機泵及控制閥工況模擬等。加載考核部分主要實現各類典型考核項的加載管理。操作評價部分主要實現操作行為記錄、考核項行為比對、評分、成績管理等［5］。

3" " "接轉站物聯網仿真系統軟件實現

仿真系統上位機軟件使用組態軟件開發，需要按照生產實際建立設備、采集點和仿真計算需要的中間變量，繪制流程圖和報警界面，基本工作內容與常規組態基本一致。

3.1" "流程模擬的軟件實現

流程模擬部分主要完成以下內容：①模擬計量間來液的流量、含油量、含水量、含氣量、來液溫度的隨機變化，建立摻輸水量和溫度與計量間來液溫度的數學模型；②建立三相分離器、空冷凈化器、摻輸水罐的容積模型，通過進出物料的變化，計算得出液位、壓力參數；③建立機泵的運行特性模型，表征頻率與流量、頻率與電流、頻率與壓力的數學關系；④建立控制閥門的運行特性，表征閥門開度與流量的數學關系；⑤建立加熱爐運行模型，表征加熱爐運行參數設置與物料溫度的數學關系、燃氣耗量與系統壓力（分離器壓力和空冷凈化器壓力）的數學關系。流程模擬計算使用ForceCon V7.1軟件的應用程序動作功能開發完成，在進入程序中編寫系統初始化代碼，完成各變量的初始值賦值；在程序運行周期執行中輸入工藝計算代碼，程序執行周期設為1 s；計量間來液流量變化主要使用中心值加隨機數發生的方式實現。

3.2" "PID控制的實現

從手工操作到自動控制轉變的過程中，操作工人能否熟練掌握PID控制使用是關鍵。需要通過模擬現場工況，表征正、反作用的控制特征，模擬不同比例、積分、微分參數下的控制品質。模擬PID控制重點解決過程測量值（Process Value，PV）源和輸出值（Output Value，OP）源的問題，PID控制回路的OP至變頻器頻率給定或電動執行器的開度給定，PID回路的PV源需要通過上位機的計算值寫入PLC的PID控制回路的PV源寄存器。PID運算在PLC上完成，與現場實際基本相同。

3.3" "事故數據加載的實現

事故數據加載主要使用觸敏動作功能實現，通過編寫程序代碼按照事故數據特征改變運行參數的值。對于硬件故障，如通信中斷、信號線故障等，輔助繼電器切斷相關線路的方式實現［6］。

3.4" "考核評價的實現

考核時，由管理員站通過管理員界面點擊加載事故選項，被考核操作員使用操作員站進行事故處理操作，管理員站程序執行將事故處理關鍵標志數據寫入Access數據庫，事故處理時間到即進行標志數據與標準標志數據的比較，得出事故處理得分，并存儲考核結果。Access數據庫數據交互使用后臺組件中的ActiveX數據對象組件完成，通過觸敏動作功能中代碼實現數據增加、刪除、改變、存儲操作。

4" " "結束語

使用組態軟件開發仿真培訓系統具有開發效率高、源代碼開放、程序修改便捷快速、開發費用低等優點。使用小型化、低成本的PLC模擬關鍵控制功能解決了仿真系統硬件費用過高的問題。掌握系統的工藝特征，建立基于機理模型的過程數學描述，是實現過程仿真與實際過程特性一致的關鍵。通過接轉站物聯網仿真培訓系統的推廣應用，參培的操作人員有了與現場實際一致的操作體驗，有效提升了操作人員的物聯網應用技能，保障了物聯網效能的充分發揮。

主要參考文獻

［1］栗繼鵬.油氣生產物聯網系統的運用解析［J］.信息系統工程，2022（4）：31-34.

［2］顧利民，朱英如，穆劍，等.稠油油田生產能耗指標計算方法研究［J］.中外能源，2012（1）：92-95.

［3］江遠懷，王曉剛.基于虛擬串口的上位機與下位機仿真系統及其實現方法：CN202210704842.X［P］.2022-06-21.

［4］陳杰，周濤，劉亮，等.AP1000機組小破口失水事故模擬分析［J］.華電技術，2016（1）：68-71，75，79.

［5］于翔.基于TIA Portal與組態軟件聯合仿真調試研究［J］.今日制造與升級，2023（3）：120-122.

［6］王勇.仿真培訓中學員操作技能評價模型與自動評價系統研究［D］.保定：華北電力大學，2002.

［作者簡介］滕奇剛（1972— ），男，吉林松原人，高級工程師，主要研究方向：油氣生產物聯網。