DeltaV控制系统在冀东油田南堡作业区的应用实例

陈小辉，董建国，杨建平中国石油冀东油田分公司南堡作业区，河北唐山　063004



DeltaV控制系统在冀东油田南堡作业区的应用实例

陈小辉，董建国，杨建平
中国石油冀东油田分公司南堡作业区，河北唐山063004

摘要：DeltaV控制系统作为南堡作业区各采油区主要的生产控制系统，实现了工艺参数实时采集和精确控制功能，减少了人工操作，提高了工作效率，在日常生产中发挥了重要的作用。介绍了DeltaV控制系统及其控制模块的功能，针对冀东油田南堡作业区的应用实例进行了分析，并对目前工艺条件下应用前景进行了探讨。

关键词：DeltaV系统；自动控制；功能块；组态

随着信息技术的发展与广泛应用，当前各大油田逐渐向数字化油田、可视化油田等方向发展，其优点显而易见，可以减少人工操作、提高工作效率，并且工艺运行稳定。冀东油田自2002年建成了第一个自动化计量站（M118）开始，陆续开展了数字化油田改造工作。改造初期计量站、转油站、注水站均采用PLC控制系统，规模较小，数据处理能力有限（尤其模拟信号）。由于各井区自动化系统不同、厂家多、质量参差不齐、不同软硬件配置混乱、数据通讯困难，导致指挥中心集成度低，软件维护成本高。2008年冀东油田结合自身实际情况，吸取其他油田的先进经验，引进了DeltaV控制系统。后期的南堡作业区自动化项目建设主要采用的是DeltaV控制系统。DeltaV控制系统是美国艾默生过程控制有限公司于1996年推出的，以Windows操作系统为开发平台，以控制网络为基本框架，以现场总线为标准，规模可扩展，完全采用数字化结构的一套控制系统。它把最新的计算机技术、网络技术、现场总线技术、图形化控制策略设计技术集为一体，为用户提供了简单、方便、灵活的软硬件安装方式和组态开发工具。DeltaV系统是一个可靠、安全、便于使用和维护、高度开放的控制系统，广泛应用于石油、化工、冶金和电力等行业。

1　DeltaV控制系统

1.1DeltaV的硬件系统

DeltaV系统的硬件主要由工作站、控制网络、控制器和IO卡件4个部分组成（见图1）。

（1）工作站。DeltaV系统的工作站采用的是Intel公司的微处理器，按其功能划分，主要有工程师站、操作员站和应用站。

每个DeltaV系统有且只有一个ProfessionalPlus工作站，称之为主工程师站，该工作站负责全局数据库的组态与维护，并配置有系统组态、维护及诊断等软件包，具备了工程师站和操作员站的所有功能。

操作员站提供了一个功能强大的操作环境，用内嵌式的组件便于各项数据的输入与读取。报警列表、流程图或模块面板等都会有统一直观的界面。

应用站用于存放历史数据库，同时可作为OPC服务器成为系统对外的接口，可配置各种优化或管理软件来实现其他特定的功能。

图1　DeltaV系统典型硬件配置示意

（2）控制网络。工作站和控制器构成控制网络的节点。DelatV的控制网络是一个高速以太网，节点间可相互通信与连接。仪表通信网络可以采用FF（基金会现场总线）所规定的各种网络拓扑结构。

（3）控制器。DeltaV系统的控制器用于管理所有在线IO子系统、控制策略的执行及通讯网络的维护。具体功能包括：采集过程数据，并进行数据转换与处理；对生产过程进行监测和控制，输出控制信号；现场设备及IO卡件的自诊断；与工作站进行数据通信。

（4）IO卡件。DeltaV系统的所有IO卡件均为模块化设计，可即插即用、自动识别、带电插拔。系统可以提供2大类IO卡件：一类是传统IO卡件，可连接常规模拟信号、数字信号、HART模拟信号的仪表；另一类是现场总线接口卡件，可连接具备FUNDATIONTM现场总线、Profibus DP总线、AS- i总线、DeviceNet总线及RS485串口通讯的设备仪表。这2大类卡件可任意混合使用。

1.2DeltaV的软件系统

1.2.1组态软件

（1）DeltaV浏览器。它用于显示用户数据库中对象的梯阶结构，数据库的对象包括控制器和输入输出卡件、工作站、区域、模块、设备等。它通过采用树形结构来管理和定义系统对象。

（2）组态工作室。它是进行控制策略创建、修改和删除等操作的组态窗口（见图2）。组态工作室界面主要由五大部分组成：模块层次视图、组态视图、参数列表、报警视图和功能块面板。

（3）图形工作室。它是组态人机交互界面的窗口，包含预先定义的图形库，提供了常用的图形、文字、数据和动画等模板，便于快捷高效地组态出美观丰富的界面。

1.2.2操作管理软件

（1）操作界面。DeltaV系统操作界面提供图形工具，操作员可直接用图标进行操作。标准操作界面分为3个预先设计的区域：按钮工具条、工作区和报警栏。

（2）参数趋势。DeltaV系统提供过程参数的实时和历史趋势。激活实时趋势可在历史数据库中捕捉最近的历史数据，并在以时间为横坐标、参数为纵坐标的坐标轴上显示其参数曲线。

（3）报警和事件处理。DeltaV系统报警管理包括报警优先级定义、报警的确认与消除以及相应的事件处理等。用户可以组态智能报警。智能报警是其他报警和过程条件的组合，可动态地允许和禁止报警。

（4）操作员画面。可根据不同应用设计不同的操作员画面。系统为每个模块提供预定义的弹出式控制面板、趋势和细节画面。可通过用户定义的软按钮对过程控制进行操作、查看模块细节参数或调用历史曲线等。

图2　DeltaV组态工作室界面

2　DeltaV控制模块的组态

DeltaV系统的控制策略采用标准化模块结构，图3展示了某采油井区的控制策略分层结构。模块是DeltaV系统中最小的控制策略实体。每个模块在系统有唯一的实例名，系统根据实例名进行数据交换。

一般来说，一个模块包含一个或多个被定义的控制对象及其相关的逻辑。模块包含了对过程设备进行控制的算法、条件、报警、显示、历史信息以及其他一些相关特征。DeltaV中的模块及其相关的逻辑可以方便地创建、下载、操作、调试，并进行现场控制检验。

控制模块的组态主要在组态工作室里以图形化的方式完成，通过在面板栏选取需要的功能块，对功能块参数进行设置与连接，设计出满足工艺要求的控制策略。系统提供了大量标准算法的功能块（如模拟量输入功能块AI、设备控制功能块DC、减法功能块SUB），采用鼠标拖放式组态方式，使组态变得简单、便捷。组态的控制模块可在线下载，而不影响系统的正常运行。在线仿真功能可以使组态的正确性立即得到验证。系统在现场连接之前，即可进行所有控制方案逻辑的正常调试，从而减少现场调试的工作量。

控制模块组态的步骤如下：

（1）在组态工作室中创建工厂区域并定义其相关的控制模块。

（2）根据控制需求为模块添加相应的功能块并组态其参数。

（3）验证控制模块是否组态正确，并分配下载到IO卡件相对应的控制器。

（4）在DeltaV操作界面上绘制工艺流程并链接模块的实时数据。

3　应用实例

3.1液位连锁控制

应用背景：南堡采油三区生活污水需要排放到污水池进行有氧处理，然后将处理后的净化水再排放到清水池，清水池液位可通过自动启停泵实现将液位控制在合适范围内。原工艺设计是采用西门子PLC200作为小型控制系统，用两个高、低浮子液位开关来控制机泵启停（见图4）。

图4　采油三区清水池工艺流程示意

原PLC控制原理：当水池液位升至高浮子液位计被淹没时，开关闭合，使控制电机的输出点置位，排水泵启动排液降低水池液位；当其液位降低至低液位刻度时，浮子液位计浮力降低了，开关断开，使控制电机的输出点复位，泵停止运转，液位不再降低。通过液位开关控制清水池液位保持在合理的范围。

存在的问题：原设计采用离散量控制清水泵的启停，在日常运行过程中由于浮子液位开关不灵敏，控制经常失效，无人监管时水池经常出现冒水现象。该水池狭小且为密闭式容器，进入水池进行检修存在一定的风险。

为解决清水池液位控制失效的问题，可利用该采油区既有的DeltaV控制系统对清水泵控制进行改造。改造思路：通过水池液位计传送信号到控制系统，DeltaV控制器组态的功能块识别液位信号，逻辑运算功能块判断液位是否高于设定液位，当逻辑运算结果为1，则输出信号启动清水泵；当逻辑运算结果为0，则输出信号不启动清水泵。控制策略组态实现过程见图5。

图5　清水池液位控制组态示意

该控制模块运行原理：LI1001（模拟量输入功能块）采集实时水池的液位，当液位≥1 500 mm，条件功能块CND2输出1，使SR1（置位复位功能块）置位输出1，其输出控制DC1（设备控制功能块），DC1根据内部组态逻辑，输出离散值控制电机开关闭合，泵启动降低液位；当液位≤500 mm时，条件功能块CND1输出1，使SR1功能块复位输出0，其输出控制DC1功能块，DC1输出值使控制电机开关复位断开，泵就停止运转。实现该水池在无人干预的情况，自动将其液位保持在500～1 500 mm的范围内。功能块输出逻辑见表1。

通过对液位的模拟量实时监控以控制清水泵的启停，该控制系统较原PLC控制系统有如下的优点：

（1）控制可视化。DeltaV控制系统实时控制信号可通过工作站的操作界面直接观察，故障分析直观，并可在线直接更改液位控制的范围，PLC200没有操作监视界面，控制系统出现问题不易分析判断，必须通过专业人士去现场检查分析故障。

表1　液位控制模块功能块输出逻辑表

（2）故障率显著降低。原设计采用浮子液位开关控制，浮子液位开关结构简单，其触点经常失效导致控制出现紊乱。而液位变送器仪表较为精密，控制系统运行相对稳定，系统故障率较低。

该应用实例于2012年9月组态完成投入使用，2014年8月清水池液位历时曲线见图6，液位自动控制在500～1 500 mm，运行稳定。

图6　清水池液位历时曲线

3.2含水原油的计算

应用背景：南堡3- 2转油站原油外输管道输送含水原油，外输管道上安装有体积流量计和含水分析仪。该转油站外输原油含水在30%～50%范围内波动，利用现有的仪表录取日常生产资料，无法直观地录取外输纯油流量瞬时值及日产原油累计值等参数，给生产管理带来很大不便。

解决该问题有两个方案。其一，另外购买一台先进的带有原油分析计量功能的质量流量计，在管道上安装使用，可以直观地在该仪表上读取相关原油计量参数；其二，利用现有DeltaV控制系统组态计算分析模块，对目前流量计、含水分析仪的数据进行实时处理，计算出实时原油瞬时值及累计值，并直观地显示在工作站的操作界面上。显然方案二相对经济且便于实施。

分析现有仪表可读取的参数（含水原油瞬时流量Q，m3/h；瞬时含水量X，%）与原油累计值（V，m3）关系，从开始计量到t0时刻原油的累计值可用下式表达：

式（1）中原油累计值可通过DeltaV控制系统组态计算模块求得，主要利用乘法、减法、积分等功能块计算，并在操作界面链接积分功能块的运算数值，即可显示实时的原油累计值，其功能块组态如图7所示。

图7　分产原油计算功能块组态示意

该控制模块运行原理：FI1001模拟量输入功能块连接体积流量计采集其瞬时流量值，WI3001采集含水分析仪的瞬时含水数值，MLTY1（乘法功能块）对上述两个参数的输入做乘法，计算出实时单位含水量，SUB1（减法功能块）对含水原油流量与单位含水量求差即得原油瞬时值，INT1（积分功能块）对原油瞬时值做时间的积分，即计算出实时的原油累计值。RESET不是安全参数引用，功能是对INT1功能块的累计值复位。模块中各功能块输出值见表2。

该实例于2014年9月组态完成，目前在南堡3- 2转油站控制室操作界面上可直接读取实时原油累计值。南堡3- 2转油站外输报表见表3（2014-10- 09），当日含水原油为1 913 m3，纯外输原油为1 257 m3。

表2　计量模块功能块输出值

本例利用DeltaV系统的功能块，组态计算模块，扩展出新的功能，克服了原有仪表测量的局限问题，节省了购置复杂仪表的昂贵费用。

4　应用前景

南堡采油一区水处理站原污水过滤装置的定时

表3　南堡3-2转油站外输值

反洗PLC自动控制系统已失效，目前当班员工每4 h人工反洗一次，通过手动打开阀门导通流程，然后启泵反洗。若利用DeltaV控制系统可实现定时导通反洗流程并启泵反洗，反洗一定时间后自动关闭又返回原生产流程，反洗操作可实现自动控制。

南堡采油三区共有配气橇10座，注气流量计约175块。其流量计显示的瞬时流量值为当前工况下瞬时值，日常管理优化配气工作中必须对该工况瞬时值进行计算转换为标况流量值。各单井温度压力等工况不统一，计算较复杂且易出错。利用DeltaV计算功能块，可读取该井的注气温度及压力，利用公式自动计算并显示该井注气对应的标况流量。

南堡采油六区的3- 2转油站压缩机运行负荷随着进气压力不稳定而波动，不稳定冲击易造成其运动构件的疲劳损伤，使其寿命减小，对其压缩机入口压力精确控制非常重要。利用DeltaV系统内的PID功能块控制，可控制压缩机入口压力，使其保持恒定，实现压缩机运行工况稳定可控。

参考文献

［1］李斌，张缇，罗刚，等.基于DeltaV的DCS组态实现及其应用实例［J］.微处理机，2006，10（5）：17- 19.

［2］张雷鸣，康惠骏.基于DeltaV的DCS控制网络组态及其应用实例［J］.电气传动自动化，2003，25（5）：36- 39.

［3］何衍庆，黄海燕，黎冰.集散控制系统原理及应用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

PracticalApplication Example ofDeltaVControlSystem in Nanpu BlockofJidong Oilfield

CHEN Xiaohui，DONG Jianguo，YANG Jianping
Nanpu Oilfield Operation Distric of Jidong Oilfield Company，Tangshan 063004，China

Abstract：DeltaVcontrol system，as the main production control system applied in oil production zones of Nanpu Block of Jidong Oilfield，realizes the functions of real- time and accurate data acquisition of process parameters，reduces manual operations and raises work efficiency. It plays an important role in routine production. The functions of DeltaVcontrol system and its control modules are described，the practical application example in Nanpu Block of Jidong Oilfield is introduced，and application prospect is discussed.

Keywords：DeltaVsystem；automatic control；functionalmodule；configuration

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.009

作者简介：

陈小辉（1986-），男，江西抚州人，助理工程师，2010年毕业于中国石油大学（华东）船舶与海洋工程专业，现从事注水管理工作。Email：422742943@qq.com

收稿日期：2015- 10- 07