油田地面工程试验基地自动化监控系统的设计与实现

郝 明，田 民，张文焱

（黑龙江省科学院自动化研究所，黑龙江哈尔滨150090）

油田地面工程每年要完成原油千万吨以上和天然气百亿立方米以上的产能，做好油田地面工程优化简化，实施低成本战略，推广高效低碳技术就显得特别重要。油田地面工程试验基地通过对各种工况的模拟为各项新技术、新成果推广到实际应用中创造了现场实验的条件[1]。试验基地的自动化程度又严重制约着各试验项目的准确程度，所以试验基地需要一套自动化监控系统对试验流程进行监控，并记录各实验数据。本文介绍了大庆油田地面工程试验基地的自动化监控系统的设计与实现。

1 地面工程试验基地工艺流程

油田地面工程试验站的工艺流程主要由介质调配罐组和试验环道两部分组成。参考工艺流程如图1，当油田地面试验站有试验任务时，首先打开井排来油阀门，给介质调配罐组进液。介质调配罐组由分离罐、废液罐、介质罐、沉降罐、游离罐、污水罐、电脱水罐、净化罐组成。通过以上这些装置，对原油进行油气分离、沉降、脱水等工艺处理，来达到试验所需用油的标准和用量后即可开始在试验环道中进行试验。试验环道由多条管径、保温措施、材质不同的管道组成，可以通过用机械抬高管道落差的方式，模拟管道产生堵塞、温差过大等情况，用以对原油在不同情况下输送时的温度、压力等特性的变化进行试验，来验证试验理论的准确性。试验用液在试验环道循环完后，回到介质调配罐组等待下次试验再用，如试验结束则通过外输泵输送到其他生产单位。

图1 地面工程试验基地工艺流程图Fig.1 The process flow chart of ground engineering test base

2 监控系统设计

地面工程试验基地监控系统主要负责试验流程的控制、数据的采集、处理、显示、历史查询、报表打印、报表存储。系统必须能在试验进行期间实时在线的连续监测参与试验的设备的温度、压力、流量、含水率等数据。为保证系统数据采集的连贯性、一致性和完整性，本系统采用PLC完成现场数据的采集与控制输出，并将信号转换成数字量输入到计算机中进行显示、计算转换保存等处理。

2.1 系统结构

系统的硬件结构如图2所示。可编程控制器（PLC）作为下位机采集各测量设备的信号，安装在PLC柜中；上位机系统安装在监控操作室中。由于介质调配和试验环道的设备和监控室都距离较远，所以利用网络使两台上位机进行通讯，具备在任何一个监控室都可以对整套系统进行操作的功能。

PLC采用欧姆龙公司的CS1G-H系列，该系列PLC适合现在点数较多的场合，配置灵活，功能强大。应用CX-PORGRAMMER软件对PLC程序进行编程[2]。介质调配部分共有109个模拟量输入信号、38个模拟量输出信号，10个高速脉冲信号、8个开关量输出信号、8个开关量输入信号。相应的选用了AD161模拟量输入模块7个、DA08C模拟量输出模块5个、CT041高速记数模块3个、ID211开关量输入模块1个、OC211开关量输出模块1个，由于模块较多，PLC采用了双机架设计，考虑PLC底版电流的限制，需要将模块合理分布在两个机架上。试验环道部分点数较少，采用4块AD161模块、1块OC211、1块ID211。上位监控计算机可由工业控制用计算机在Windows环境下配以北京三维科技有限公司的力控监控组态软件，实现整个对数据的监控与设备的管理。

整套系统具有较高的自动化控制水平，具有自动和手动功能。介质调配阶段时，可以通过设定给定值的方法，切换到全自动方式运行。试验阶段，可以采用在界面上点击按钮的方式启停相关的试验设备。

图2 系统结构图Fig.2 The structure chart of system

2.2 软件设计

监控软件采用北京三维力控公司的ForceControl6.1组态软件，与PLC通信将数据采集到计算机，实现人机交互[3]。软件设计可实现画面动态显示、实时报警、数据记录、报表打印及参数修改等功能。软件编制结构如图3。

图3 上位机软件结构图Fig.3 The structure chart of host computer software

2.2.1 数据采集与显示

力控软件包含各种I/O设备的驱动程序，其支持的硬件设备包括PLC、智能模块、板卡等，采集的实时数据均来自所连接的I/O设备。在力控I/O设备组态中选择欧姆龙PLC设备，配置通信方式、通信地址等信息内容。在数据库组态中定义I/O变量，其地址对应PLC设备中相应的寄存器，力控软件再通过访问数据库中的变量，将从设备中采集的数据显示在操作画面中。

系统主画面显示地面工程试验站的工艺过程，如图4，通过此画面可以监视整个试验站的所有工艺过程，显示出各个设备的运行状态和参数的数值。

图4 工艺流程图Fig.4 Process flow chart

2.2.2.报警

力控中还提供了多种报警记录的显示方式，如弹出报警窗、在数据库中记录，在打印机端输出等。

本系统需要监测的报警信号主要是各个处理罐的液位情况和压力状态。当液位处于高限时要弹出报警窗口提示操作人员。当超过高高限时，要发出声光报警，并在PLC的输出端将进液泵停止。压力的处理方式与液位相似，当罐内压力过高时，要将排气阀自动打开，进液泵关闭。这些需要监测报警的变量，要在建立变量时在数据库辞典中进行设置，设置变量的高限、低限、高高限、低低限。系统投入运行时，还可以在参数修改界面中修改这些参数的报警值。报警查询画面设置了查询报警的窗口，通过对参数的查询或时间的查询，可以追溯历史报警。

2.2.3 数据记录和报表

试验站最重要的任务就是要将试验的数据结果进行记录交付给试验方，因此需要组态软件实现所有参数的数据记录和保存、报表自动生成及输出。这就需要既能在组态软件中建立报表，又要将所有数据存放在第三方数据库中，以便实验方通过对数据库的访问，可以获得试验中的所有原始数据。

首先通过力控软件中专家报表系统编辑生成需要的报表，专家报表是力控组态软件的一大特色，利用专家报表系统可以很大的减少报表开发的工作量，支持CSV、XLS、PDF等文件格式的导入与导出。开发人员只需要像编辑EXCEL文件一样对专家报表进行编辑，写入行名、列名，并选择报表需要体现出的参数对应的变量，设置时间样式，即可完成报表的编辑。然后在报表界面建立报表查询、报表打印、打印设置等按钮，连接相关的按钮功能（如报表查询按钮可以使用#Report.SetTimePar(-1)命令），即可对报表进行操作。

数据存放在第三方数据库时，需要首先建立一个Microsoft Accesss数据库作为后台数据库，采用ODBC的访问方式，力控软件SQL访问功能能够和其他ODBC数据库进行数据传输，然后在力控数据表模板上建立一个记录体模板；最后在力控的应用程序动作中使用SQLCONNECT（）函数建立与数据库的连接。这样力控软件实时采集的数据就可以按记录体的格式在Access中进行记录。试验方如需要原始数据的数据库形式，即可通过对Access数据库的访问，直接拷贝读取数据库中的记录表。

2.2.4 参数修改

参数修改功能满足了试验站对不同试验，系统参数不同的要求。如有的试验需要保持液体在试验管道中持续流动4h、8h，但是试验站的罐体都较小，没有足够的存液能力，就需要在参数修改界面中更改流量的给定值，通过给定值的修改，PLC中控制流量的PID程序块的给定值也随之发生改变，达到了持续供液的要求。另外参数修改还可以修改系统的报警参数的上下限。参数修改功能，可以使操作人员在不进入上位机软件开发界面的情况下，在运行状态直接修改系统的运行参数，方便了试验站进行各种要求不同的试验。

3 结束语

本文基于油田地面工程试验站的工艺流程和工况要求，采用PLC和力控组态软件设计了一套自动监控系统，该系统已在大庆油田地面工程试验站投入运行，运行情况良好。

［1］关延军.油田地面工程数字化与建库［J］.现代测绘，2007，30(4):59～61.

［2］王辉.欧姆龙系列PLC原理及应用［M］.北京:人民邮电出版社，2009，101～120.

［3］马国华.监控组态软件及其应用［M］.北京:清华大学出版社,2001，56～58.