集散控制系統在油田注水中的應用
主題詞 集散控制 注水系統 自動化 可編程控制器 應用 系統效率 節能
孤東油田年產原油273萬噸，天然氣4940余萬立方米，總含油面積達75平方公里。目前共有注水站9座，其中離心泵注水站6座，柱塞泵注水站3座，安裝著DF200-150，DF300-150×9，DF350-150×9，DF400-150×9，159ZS，5D-WS59/25，3DS-28/26等七種型號的注水泵，裝機容量為67480 kW，設計供水能力為19.08×104m3/d。多年來，該油田各注水站一直采用人工錄取數據資料和設備巡檢制度，各注水泵機組及其輔助設備未能做到運行狀態的實時監控，設備預知性修保能力差，對機組的振動、效率、泵的噪音未能開展檢測和有效控制，由此造成注水泵站系統效率不高，能耗大，故障率高，信息反饋速度慢等問題。為此，我們于2000年引進應用了MCS集散控制系統于各注水站，為油田提高注水系統效率和自動化水平起到了良好的促進作用。
1 系統運行環境
1.1工控機
硬件：
?。?）硬盤lGB以上；（2）內存16MB以上；（3）主機P166以上；（4）顯示器選用大屏幕觸摸式顯示屏；（5）打印機一臺（24針寬帶打印機）。
軟件：
系統運行環境為中文Window NT 4.0；開發應用軟件采用MCS系統工控組態軟件。
1.2網絡服務器
硬件:（1）P166MHZ以上CPU；（2）32MB以上內存。
軟件：系統運行環境為中文Window NT 4.0+Service PACk 4.0或更高版本、IE 4.01或更高版本；應用軟件采用SQL Server 7.0、 IIS 4.0和Excel 2000。
2 工作原理
2.1 基本原理
該系統通過智能傳感器組對現場各注水泵機組的壓力、溫度、流量、電流、電壓、用電量、振動量、水位、油位、噪聲等物理量進行自動監測，并將監測結果由一根數據總線傳輸給可編程控制器PLC，經可編程控制器數據計算以及注水站生產系統運行優化處理后，第一路送至變頻器組去控制各泵出口電動閥門，通過電機的無級調速來控制各泵的排量；第二路送至監控系統（工控機），操作、顯示各泵及整個站系統的運行狀態，并將測試結果存入磁盤，打印輸出班報、日報、月報、年報及效率分析表等；第三路送至異常處理（保護、報警）系統，確保注水站各部分的正常安全運行；最后一路是數據遠傳系統，通過網絡服務器，實現各注水站系統的網絡化管理和遠距離調控操作。根據有關監測數據計算出泵干壓差、泵效、單耗、各機組單臺系統效率及整個注水站的平均系統效率等參數。同時根據注水站生產運行優化參數需要，若遇超限參數，則發出聲光報警和操作提示信號。該系統通過對各注水泵出口電動閥的自動調節，使各注水泵處于安全、高效工作區內運行。
2.2 現場各物理量監測
?。?）壓力和液位檢測。采用意大利的TSK霍爾壓力傳感器將現場各壓力（液位）信號轉換成4～20mA標準模擬信號輸入至PLC，由PLC進行模數轉換，計算實際的壓力（液位）值，存入PLC中CPU數據存儲區，由程序實時調用。
?。?）溫度檢測。采用美國的DS1820溫度傳感器，將各點溫度信號按地址編碼由一根數據總線通過集線器直接與PLC通訊，將各溫度值存入PLC中CPU數據存儲區，由程序實時調用。
?。?）流量檢測。選用具有485通訊接口的電磁流量計，將瞬時流量和累計流量采用讀取儀表內存的方法，經485通訊接口直接送入PLC數據存儲區，由程序實時調用。
?。?）用電量檢測。選用具有485通訊接口的智能電能表，將電機用電量采用讀取儀表內存的方法，經485通訊接口直接送入PLC數據存儲區，由程序實時調用。
?。?）電壓、電流的檢測。通過安裝在強電柜中的變送器將各電量信號轉換成4－20mA標準模擬信號給PLC，經PLC模數轉換后存入數據存儲區，由程序實時調用。
（6）振動量和噪聲的檢測。通過安裝在泵房中的震動傳感器和噪聲檢測器將檢測信號轉換成4－20mA標準模擬信號給PLC，經PLC模數轉換后存入數據存儲區，由程序實時調用。
2.3閥門控制
經過上述現場各物理量的監測和計算，得出各機組的電流、單耗和效率，根據其各系統運行期望值的要求，PLC的調控控制程序通過實時控制變頻調速器的運行頻率和正反轉，實現對機泵電動閥門自動調控，并將調控結果反饋給PLC，使注水泵始終處于安全、高效的運行狀態；同時有效實現閥門電機在啟動和運行過程中的過電流和過電壓保護。
2.4提示操作
通過對泵出口壓力與注水管網干線壓力的檢測，計算出泵干壓差。當系統經過優化調控措施后泵干壓差仍超出上限時，微機屏幕發出“申請減泵”提示；反之則發出“申請加泵”提示；當單臺機組系統效率低于下限時，發出“申請換泵”提示；每次提示操作均同時發出聲光報警信號。
2.5保護及報警
當注水系統運行出現突發性故障和嚴重超出調控值時，系統能及時發出聲光報警，并給予提示，以及自動緊急跳閘斷電停機保護等措施，同時工控機能自動彈出報警窗口，顯示報警畫面。在沒有操作人員按下報警應答指令前，無論是否執行停機命令，系統一直保持報警提示狀態，確保注水系統在高效安全狀態下運行。
2.6網絡操作
通過一臺網絡服務器將各注水站工業現場的集散控制系統與企業的局域網有效地連接起來，實現網絡化管理。各客戶端通過聯網操作，可查看各泵站的歷史數據、實時數據、歷史報表和曲線、動態實時畫面、數據庫中的原始數據、報警信息，以及可遠距離實現機泵啟停、調控參數設置、保護參數設置和緊急故障處理等。
3 系統組成及主要技術指標
3.1 系統組成
圖1為系統組成信號流程框圖。
3.2主要技術指標
?。╨）各種傳感器的測量準確度，±1.0％；
（2）A／D變換分辨率，12位；
?。?） 工控機及控制柜工作電壓：220（1±0.1）V；
（4）閥門控制器工作電壓：380（1±0.1）V；
?。?） 5000 m3儲水罐液位控制在5－11m之間；
?。?）注水泵前、后軸瓦溫度控制在70℃以下；
?。?） 電機前、后軸瓦溫度控制在70℃以下；
?。?）2000kW電機定子溫度控制在110℃以下；
?。?） 注水泵冷卻水管線壓力控制在0.15MPa以下；
?。?0）注水泵和電機軸瓦前、后的潤滑油壓力控制在0.06－0.13MPa之間，壓力低于0.05MPa時，啟動備用油泵；
?。?1）注水泵、電機的前后軸瓦處的振動量控制在0.5mm以下；
（12）注水站單臺泵效達到78％以上；
?。?3）循環水池液位控制在0.4m以上；
?。?4）微機自動啟泵（包括加載）時間小于8秒；微機自動停泵（包括卸載）時間小于10秒；
?。?5）當注水系統發生故障時，微機發出自動停機保護、報警、故障顯示并記錄時間小于10秒；
?。?6）泵的出口壓力波動量控制在±0.1MPa之內；
?。?7）泵房噪聲控制在95dB以下；
（18）網絡通訊傳輸速率10Mbps。
4 系統的功能與特點
4.1 功能
（1）具有泵站工藝現場工況流程圖、每臺機組運行狀態模擬圖、儲水罐液位模擬圖、設備潤滑流程圖、設備冷卻流程圖等動態顯示，動態測量控制數據的功能。
?。?）具有網絡通訊功能。通過網絡實現遠距離調控操作，查看各注水站每臺泵的運行狀態、實時數據和歷史數據、設置調控參數和保護參數，以及緊急故障處理等。
?。?）具有巡視功能。能循環顯示各個顯示窗口，包括注水泵圖、電機圖、泵效趨勢圖、數據表和各種報表等
?。?）具有顯示并打印輸出設備報警及停機參數、各機組運行參數、歷史資料、特性曲線和數據分析報表等。既能定時編制打印各種生產報表，又能根據生產需要隨時打印某一時刻某臺機組的監測資料。
?。?）自動采集處理數據，對監測處理的數據資料具有記憶、再顯和遠傳功能。
?。?）系統具有三種啟停泵操作方式。即現場手動操作方式、微機啟停操作方式和網絡客戶端的遠距離啟停操作方式，滿足了企業集成化管理和安全生產的要求。
4.2 特點
?。?）采用大屏幕觸摸式顯示屏，操作簡單、省時、方便。
（2）采用直觀的彩色圖形顯示監測數據、工作狀態和報警，界面美觀，具有良好的人機界面接口。
?。?）系統運行安全可靠。在遇到全站停電等故障狀態時，具有自行關閉和保護報警功能，并提示現場值班人員采取應急措施，有效確保注水系統的安全正常生產。網絡操作采用分層認證方式，擁有完整的安全保障機制，充分保證運行設備和信息系統的安全可靠性。
?。?）監控實時性好，自動化程度高。采用變頻調速器進行系統調控，控制效果好，實現了電動閥開閉度的無級閉環控制。數據采集及時準確，能根據數據監測情況自動優化設備運行狀態，及時提出修改或調整運行參數的指令要求。
?。?）具有良好的抗干擾能力。由于注水泵機組均為6 kV的大功率高壓交流電機，現場電信號干擾較大，為提高系統的抗干擾能力，在軟、硬件上采取了多種防干擾措施。
5 現場應用效果
本系統于2001年5月在孤東油田投入運行。經過二年多時間的現場運行，實踐證明該系統性能優越，可靠性好，具有顯著的經濟效益和社會效益。它的應用，既提高了注水泵站的現代化管理水平，減緩了機泵的磨損，延長了設備的使用壽命，使設備的預知性修保能力大大增強；同時還進一步改進了職工的生產工作條件，降低了油田大型泵站的工業噪聲污染，減輕了職工的勞動強度，提高了油田注水站的系統效率和自動化水平，達到了平穩注水，節能降耗的目的。
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