基于PLC的油田联合站监控系统设计.pdf

粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪基于 PLC 的油田联合站监控系统设计DOI院10.19557/ki.1001-9944.2023.10.002徐竟天袁闫菀琛袁李婕渊西安石油大学 电子工程学院袁西安 710065冤摘要院联合站是石油生产和天然气开采和运输的关键过程之一袁该文以联合站作为控制对象袁PLC作为数据采集设备袁组态软件作为计算机系统上位机开发的主要工具袁完成计算机监控系统的设计遥 首先袁对联合站原油生产的工艺流程进行详细分析袁为后续的监测和控制奠定基础曰其次袁对联合站进行PLC控制系统设计袁分为硬件设计和软件设计袁硬件设计包括确定I/O点数尧PLC选型等袁软件设计通过组态王软件编写上位机监控系统袁实现现场工况监控等功能遥 采用该设计有助于优化联合站监控方法袁提高原油生产质量及联合站的自动化监控和管理水平遥关键词院PLC曰油田联合站曰监控系统曰PID中图分类号院TP273文献标识码院A文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园23冤10鄄园园园6鄄园5PLC鄄based Monitoring System Design for Oilfield Joint StationsXU Jingtian袁YAN Wanchen袁LI Jie渊School of Electronic Engineering袁Xi爷an Shiyou University袁Xi爷an 710065袁China冤Abstract院The oilfield joint station is one of the key processes of oil production and natural gas extraction and trans鄄portation袁and the design of computer monitoring system is completed by taking the oilfield joint station as the controlobject袁PLC as the data acquisition equipment袁KingView software as the main tool for the development of the uppercomputer system.Firstly袁the process flow of crude oil production in the oilfield joint station was analyzed in detailto lay the foundation for the subsequent monitoring and control.Secondly袁the PLC control system design of the oil鄄field joint station is divided into hardware design and software design袁the hardware design includes determining thenumber of I/O points袁PLC selection袁etc.袁and the software design realizes the monitoring of on鄄site conditions and oth鄄er functions through the upper monitoring system written by KingView software.Adopting the design in the paperhelps to optimizethe monitoring method of the oilfield joint station袁improve the quality of crude oil production andthe automation monitoring and management level of the oilfield joint station.Key words院PLC曰oilfield joint station曰monitoring system曰PID收稿日期院2023-05-06曰修订日期院2023-09-15作者简介院徐竟天渊1973要冤袁男袁博士袁副教授袁研究方向为工业自动化控制与工业安全曰闫菀琛渊1999要冤袁女袁硕士研究生袁研究方向为工业现场自动化技术及其应用遥油田联合站是油田对油气进行收集尧处理尧输送及储存的重要集输系统袁也是油田勘探尧油田开发和采油技术后的一个非常重要的生产环节袁它对转油站进行综合净化处理遥 联合站不仅承担着原油的一次沉降放水以及原油的外输任务袁还是油田原油处理和原油外输的基地遥 联合站的主要工艺流程包括油气水分离尧原油脱水尧来油计量尧原油外输尧污水处理尧天然气处理及外输等遥随着油田开发进入中后期袁油井储水量持续增加袁原油日产量波动较大袁使得联合站的脱水压力专题研究与综述6圆园23,38穴10雪无法满足要求袁联合站原油加工过程中控制系统负荷过大袁容易发生安全生产事故遥 目前袁联合站内部集输系统大多采用人工监控或使用仪表的监控方式袁压力尧液位尧温度尧流量等各个工艺参数主要通过人工抄表的方式进行监测袁随机误差较大袁不能提高生产效率和控制水平1遥 为保证联合站技术系统的安全尧平稳尧高效运行袁通过 PLC 控制系统对联合站集输系统的相关参数进行自动监测和控制袁可以保证外输油的质量袁提高生产效率遥1控制系统整体设计1.1联合站原油处理工艺流程本文以某联合站为例袁对原油处理工艺流程进行分析袁油井和计量站来液袁先经过阀组汇集后进行油气分离袁把天然气从油水混合物中除去袁然后对原油沉降脱水处理遥 通常采用化学脱水方法袁加入一定比例的破乳剂袁使油水乳化液在管道输送过程和沉降过程中充分进行油水分离遥 原油进入四相分离器袁实现初步油水分离袁由四相分离器分离后的乳化油袁通过泵组袁进入加热炉袁加热后的含水原油在输送的管道中与破乳剂混合袁进入电脱水器进行油水分离袁在电场力和破乳剂的作用下袁得到满足要求的净化原油袁进行外输2遥 四相分离器脱除的大量游离水与电脱水器中脱除的那部分水一起进入污水沉降罐袁经过过滤袁在确保水质达标的基础上袁经过水泵和流量计的计量送往注水站袁稠油去往 200 m3罐遥 联合站工艺流程如图 1 所示遥1.2监控点数本文以某联合站为例袁对联合站工艺流程进行分析袁油田联合站控制系统监控的对象主要有院脱水器的温度和液位袁四相分离器中油室尧水室的液位尧温度和压力袁外输泵的出口原油流量尧压力袁换热器的温度袁事故罐的温度和液位指示和报警等遥 系统监控情况如表 1 所示遥整个控制系统主要实现对站内设备运行状态进行集中监测尧控制和管理袁方便人员操作遥 包括监控画面显示尧报警及数据记录尧参数设定及报表打印等遥2联合站计算机监控系统设计联合站监控系统包括监控层尧控制层和执行层三部分袁监控计算机和 PLC 中央控制站位于主控制室内袁ET200M 远程 I/O 站安置于现场袁负责将采集的现场过程数据上传到主控室及触摸屏遥 位于中控室的集中操作监控层上位机将联合站中的各个工艺参数进行集中显示袁可以对相关参数及编程组态做修改袁并且可以远程监控相关的重要岗位袁并对故障及时报警袁可以实现报表制作尧打印袁另外还有历史数据归档及数据统计功能等3遥 上位机监控组态软件使用北京亚控公司组态王 6.55 软件袁对工艺过程进行画面组态袁使得生产过程动态地显示在上位机上袁在画面上也可以进行过程控制遥 下位机使用 S7鄄300 PLC 进行数据采集尧计算和过程控制遥 上位机通过工业以太网的 PROFINET 与 PROFIBUS鄄DP 的多总线系统与现场 PLC 通信进行数据交换遥2.1监控系统硬件设计根据对控制任务的分析袁该系统选用西门子公司的 S7鄄300 系列产品遥S7鄄300 功能强大尧操作简易尧编程指令丰富尧通用性好袁在工业自动化领域应用广泛遥 整个控制系统由 PLC 组成袁监控系统现场上图 1联合站工艺流程Fig.1Oilfield joint station process flow chart四相分离器1四相分离器2外来油水混合液脱水器外输泵2外输泵1掺水泵2掺水泵1稠油泵2稠油泵1稠油去200 m3大罐事故罐热交换器2热交换器1水去各计量站掺水油水混合液外输表 1联合站监控系统 I/O 变量表Tab.1Oilfield joint station monitoring system I/Ovariable table监控点类别监控点数监控物理量输入输出信号AI48液位420 mA压力420 mA温度420 mA气体浓度监测脉冲信号AO4液位控制420 mADI6泵运转状态0袁24 V开关状态0袁24 VDO6泵启停信号0袁24 V报警信号0袁24 V专题研究与综述7粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪位监控计算机选用台湾研华工控机和液晶显示器袁同时配合西门子高性能 PLC 一起实现对联合站运行工艺流程的实时监控遥 上位监控计算机和 PLC之间的通讯连接通过交换机采用 PROFINET 进行通讯遥控制系统硬件采用工控机 IPC+PLC 架构和PROFINET 总线+PROFIBUS 总线技术袁采用分布式I/O 控制系统袁将控制室内的工控机尧S7鄄300 PLC 与操作现场的 ET200M尧触摸屏组成独立的系统遥 PLC主要接收来自现场的各种信号和数据袁对其进行分析和处理后袁控制现场的设备和装置曰上位工控机主要实现系统监控尧状态显示尧报警指示尧参数设定和实时/历史报表的储存和打印等功能4遥工控机 IPC和现场触摸屏作为 DP 主站袁接收来自 DP 从站 PLC和 ET200M 的信号袁ET200M 中的 SM 信号模块采集液位的参数与各开关信号袁对液位系统进行控制袁控制系统组成如图 2 所示遥 上位机使用台湾研华公司的工业计算机 IPC鄄610H袁显示器选用戴尔 23 英寸 IPS 液晶显示器遥 下位机采用西门子 S7鄄300 PLC系统袁采集处理各传感器数据袁按设定程序控制整个系统袁实现系统的逻辑控制尧PID 恒液位控制及故障报警等功能袁并将四相分离器的当前运行状态和故障状态通过 PROFINET 总线上传到上位监控计算机遥S7鄄300 PLC 系统的 CPU 模块型号为 315鄄2 PN/DP袁ET200M 选用 IM153鄄2 的 I/O 接口模块遥 现场触摸屏选用西门子 Smart 1000 IE袁通过 PROFINET总线与 S7鄄300 PLC 通信遥 系统采用的 CPU 315鄄2PN/DP拥有 PN 和 DP 2 个通信接口袁工控机 IPC 之间尧S7鄄300 和 Smart 1000 IE 通过 PROFINET 工业以太网总线接入交换机袁其传输速度最大可达到 100 Mbit/s遥PLC系统的 CPU模块通过 PROFIBUS 总线与ET200M进行通讯袁获取四相分离器液位实时参数袁控制现场的液位系统的运行袁CPU 315鄄2PN/DP 模块处于核心位置袁一方面采集压力尧温度和液位等数据实时地反馈给上位机袁另一方面实现现场所有控制遥2.2监控系统软件设计联合站计算机监控系统软件部分基于 Windows系统袁采用 STEP 7 软件模拟联合站监控系统袁并通过 RS485 总线与 PLC 交换数据袁实时监控并记录联合站现场工况的设备信息遥 同时袁可通过触摸屏交互控制 PLC袁对现场设备进行远程控制遥系统控制器使用的是西门子 S7鄄300 PLC袁使用STEP 7 编程软件进行梯形图编程遥 梯形图采用结构化编程袁即建立联合站各个子系统的控制任务的功能块 FC 或 FB袁然后再定义数据块 DB袁最后在系统主程序中调用相应的 FC 或 FB 来完成系统控制遥STEP 7 软件可实现联合站控制系统的数据采集尧保存尧显示尧打印等功能遥 监控系统软件结构如图 3所示遥渊1冤模拟量采集子程序联合站中的工艺流程有相应的模拟量参数需要监控袁如温度尧压力尧流量和液位袁这些参数需要实时显示在监控画面中遥 系统中模拟量采集子程序图 2油田联合站计算机监控系统硬件架构图Fig.2Oilfield joint station computer monitoring systemhardware architecture diagram监控计算机1监控计算机2打印机以太网交换机工程师站PROFINETS7鄄300 PLC监控管理层PLC采集控制层现场设备执行层PROFIBUS鄄DP触摸屏ET200M触摸屏ET200M传感器尧流量计尧变送器执行器图 3油田联合站计算机监控系统软件架构图Fig.3Oilfield joint station computer monitoring systemsoftware architecture diagram组态王KingView历史查询用户登录参数设置工况显示报警显示上位计算机监控画面上位计算机监控程序PLC控制程序STEP7触摸屏监控程序触摸屏人机界面Windows系统专题研究与综述8圆园23,38穴10雪设计的基本思路是使用 PLC 指令系统中的 MOV 指令袁将从外设采集的相关数据传输到 DB 数据块中袁以供上位机组态软件使用遥 上位机将读取数据块DB 中相应变量的数据袁并在画面上显示袁也可将手动改变的参数值保存在变量中遥渊2冤模拟量报警子程序关于各种过程工艺参数的报警子程序袁建立一个 FC 用来完成相关模拟量超限报警遥 模拟量报警子程序的思路为将模拟量的实时采样值与 PLC 指令中 CMP渊比较冤指令编程的上下限值进行比较袁如果采样值高于它的上限值或小于它的下限值袁将输出一个数字量驱动报警遥 本次采用声光报警袁并在监控画面上显示警告信息遥渊3冤四相分离器液位控制 PID 子程序四相分离器液位控制系统采用 BP 神经网络PID 控制规律袁以确定 P尧I尧D 参数值袁使用连续 PID控制器 FB41 来完成四相分离器液位 PID 控制5遥FB41 作为 CPU315鄄2 PN/DP 的系统功能块袁它的输出为连续变量遥FB41 还可以用来处理设定值和过程反馈值计算所需的数据袁保存在其背景数据块中遥组态王 KingView 软件可实现系统工况显示渊状态显示尧实时参数尧实时报警尧历史报警及历史报表冤等功能遥 通过历史报表袁可以查询和打印任意时间间隔的数据遥 联合站监控主画面如图 4 所示遥图 4联合站监控画面Fig.4Oilfield joint station monitoring screen3联合站恒液位控制3.1液位控制系统的工作原理四相分离器中有油室和水室袁为保证油室和水室液位恒定袁就需要控制抽油泵和抽水泵的转速袁而泵的转速是通过变频调速控制两泵上的电动机转速实现的6遥 液位自动控制系统的原理框图如图 5 所示遥液位控制系统的工作原理如图 6 所示袁油室和水室液位通过液位传感器后袁将液位信号转换为 4耀20 mA 的标准电流信号袁经 PLC 的 AI 模块采集进PLC遥 经过与液位设定值比较袁通过控制算法计算出控制信号值袁经 PLC 的 AO 模块输出给变频器7-8遥变频器根据 4耀20 mA 的控制信号袁输出对应于 0耀50 Hz 的交流信号袁通过变频调速方式来控制两泵电机的转速袁实现对液位的控制遥图 5液位自动控制系统原理图Fig.5Block diagram of the principle of liquid levelautomatic control system四相分离器四相分离器脱水器外输泵2外输泵1掺水泵2掺水泵1稠油泵2稠油泵1稠油去200 m3大罐事故罐热交换器2热交换器1水去各计量站掺水油水混合液外输外来油水混合液PID控制器变频器电机和泵油水界面的检测信号液位y渊t冤检测变送反馈值-e渊t冤r渊t冤+专题研究与综述9粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪渊上接第 5 页冤 快速性与系统的稳定性袁有效抑制暂态过程功频振荡袁改善有功输出与频率的响应特性袁控制效果得以有效提升遥参考文献院1杨新法袁苏剑袁吕志鹏袁等.微电网技术综述J.中国电机工程学报袁2014袁34渊1冤院57-70.2谢小荣袁贺静波袁毛航银袁等.野双高冶电力系统稳定性的新问题及分类探讨J.中国电机工程学报袁2021袁41渊2冤院461-475.3吕志鹏袁盛万兴袁钟庆昌袁等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用J.中国电机工程学报袁2014袁34渊16冤院2591-2603.4宋振浩袁陆立民袁胥峥袁等.VSG 虚拟惯量动态区间控制策略J.电力建设袁2019袁40渊2冤院45-53.5闵勇袁陈磊袁刘瑞阔袁等.电力系统频率动态中惯量与惯量响应特性辨析J.中国电机工程学报袁2023袁43渊3冤院855-868.6杨赟袁梅飞袁张宸宇袁等.虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略J.电力自动化设备袁2019袁39渊3冤院125-131.7李东东袁朱钱唯袁程云志袁等.基于自适应惯量阻尼综合控制算法的虚拟同步发电机控制策略J.电力自动化设备袁2017袁37渊11冤院72-77.姻3.2控制策略在过程控制系统中袁控制器是整个控制系统的核心袁作用是将被控变量与给定值进行比较袁得到偏差 e渊t冤袁并产生一个能减少偏差的控制信号 u渊t冤袁以满足系统的控制要求9遥 在工业生产中袁常常是各种基本控制规律的不同组合袁控制液位的恒定袁通常使用 PID 控制器遥原油生产过程的油水分离控制上袁采用了比较经典尧技术成熟的 PID 控制遥 PID 是比例尧积分和微分调节运算方法袁它的原理是基于误差来生成消除误差的控制策略袁是一种使用误差的过去尧现在和变化的趋势加权总和的控制策略10遥4结语针对联合站液位波动大尧精度高袁本文以西门子 S7鄄300 提供的 PID 控制器 FB41 为基础袁设计了一套液位系统袁极大地提高了控制效率遥 控制系统很好地满足了用户需求袁 实现了原油质量的保证袁有效地做到了降低成本遥 工控机 IPC+西门子 S7鄄300 PLC+ET200M 的控制系统通过 PROFINET 和PROFIBUS 总线技术实现了上位机监控尧下位机控制的目的遥 利用北京亚控公司组态王软件组态的现场画面袁实现了数据和参数的可视化操作袁提高了自控水平遥参考文献院1张雪峰.油田脱水站集中监控模式的应用J.油气田地面工程袁2017袁36渊8冤院66-70.2阚峰.浅议油田联合站原油脱水工艺运行的影响因素J.化工管理袁2015渊24冤院171.3韩立辉.采油厂联合站计算机监控系统的实现J.化学工程与装备袁2020渊9冤院122-123.4王科.油田联合站工作体系下的 PLC 应用探析J.中国设备工程袁2021渊15冤院243-244.5赵宇玄.PLC 和 PID 在联合站监控系统中的应用J.化工管理袁2020渊30冤院193-194.6徐竟天袁张乃禄袁冯劲袁等.基于 Fuzzy鄄PID 算法的分离器液位控制系统研究J.油气田地面工程袁2009袁28渊8冤院35-37.7程瑞洲袁徐竟天袁周红芳袁等.基于 PLC 软冗余的油田注水站控制系统的设计J.自动化与仪表袁2015袁30渊9冤院55-59.8乔艳丽.基于 S7鄄300 PLC 的油库计算机监控系统研究J.工业控制计算机袁2020袁33渊6冤院148-149+154.9Priyanka袁E.B.袁C.Maheswari袁B.Meenakshipriya.Parameter moni鄄toring and control during petrol transportation using PLC basedPID controllerJ.Journal of Applied Research and Technology袁2016袁14渊2冤院125-131.10 Priyanka袁E.B.袁C.Maheswari袁S.Thangavel.Online monitoring andcontrol of flow rate in oil pipelines transportation system byusing PLC based fuzzy鄄PID controllerJ.Flow Measurement andInstrumentation袁2018渊62冤院144-151.姻图 6液位控制系统的工作原理Fig.6Working principle of liquid level control systemPLC控制器4耀20 mA4耀20 mA变频器变频器0耀50 Hz0耀50 Hz抽油泵油外输抽水泵水外输水室油室来油四相分离器水位变送4耀20 mA油位变送4耀20 mA专题研究与综述10