油田联合站自控系统的设计

[摘 要]本文根据油田联合站高含水时期采用的控制系统及自控方案以满足工艺生产过程要求及生产运行管理需要为原则，给出了一个基于PLC和Profibus现场总线技术的计算机控制系统总体设计方案。

[关键词]联合站、控制系统、自控方案、设计、PLC

中图分类号：TE938 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0036-01

1 引言

联合站是对原油、油田气和采出水进行集中处理的生产单位，是进行油气水分离外输、污水处理、原油含水分析等多个系统的综合性生产工艺流程枢纽。大庆油田的联合站主要采用二段式脱水的方法，即一段为游离水脱除器，先通过添加破乳剂的方法，将含水原油中形成乳化状态的油水混合物破坏，然后利用油、水比重的不同，采用物理沉降方法分离出含水原油中的游离水；二段为复合电脱水脱除器，通过高压电极对油、水进行再次分离。

2 联合站计算机控制系统总体方案设计

根据联合站的工艺特点和工艺设备的技术要求，系统可以分为现场检测控制仪表部分、工控机监控部分两大部分构成。

在联合站的自动化控制需要进行四方面的考虑：首先是各种信号的检测；其次是外输油量、污水流量、天然气流量的计量； 温度、含水的检测，压力、液位的监控以及调节阀的控制；再次是一段脱水、净化油缓冲外输、污水处理等工艺过程的PID调节；最后是自动控制中的安全保护措施。

2.1 现场检测控制仪表部分

联合站的生产过程是油田开采油气处理中十分重要的生产环节，对计量和自控仪表等级的要求比较高，仪表不仅要满足检测准确度的要求，还要满足易燃易爆危险场所的安全要求。

2.2 工控机监控部分

计算机监控部分由两台工业PC机和工业触摸屏作为上位机，完成数据信息的存储、分析处理、状态显示以及打印输出。PLC作为下位机，完成数据的采集、处理，状态的识别，输出的控制等。温度、流量等传感器的信号经过PLC的采集处理，完成监控、计量任务；液位、油水界面等传感器采集测量的信号经过A/D转换，传送到下位机的CPU中进行PID运算处理，根据运算的数据经过D/A转换输出对执行机构进行控制。下位机PLC与上位工业PC机之间采用Profibus总线的方式进行数据通讯而完成数据交换。

3.PID控制方式的数学模型

在原油生产工艺的脱水控制上，需要检测油水界面和油出口的系统压力，实现PLC的自动控制。采用了技术成熟PID控制，PID是比例、积分、微分调节运算方法，采用PID调节的数学方程如下式：

C（s）=（1+1/D+S）

式中C（s）表示PID控制器的传递函数；、、和分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

PID控制性能的好坏与控制器参数的整定有很大关系，我们首先根据齐格勒（Ziegler）和尼克尔斯（Nichols）的反应曲线法初步确定PID控制器的调节控制参数。然后经过现场调试，寻找一组最佳PID控制参数，使系统响应快速又满足超调量小、稳定时间短等控制性能指标。

3.2 外输原油油量计算数学模型

原油油量计算执行国家标准GB9109.5―88《原油动态计量油量计算》。油量计算基本公式：

Mn=（MF××××）

其中，Mn―原油在空气中的净质量（Kg）；―流量计累积体积值，流量计表头结束读数减去开始读数（）；―原油的标准密度（Kg/）；MF―流量计系数；―原油体积压力修正系数；=1/（1-（1000×P×F）×10-6）；F―原油压缩系数（）；P―原油计量压力（MPa）（表压）；―原油体积温度修正系数；―空气浮力修正系数；―原油含水系数，=1-W，W为原油含水质量百分率。

4 PLC控制系统的设计与实现

本系统应用的西门子工控软件产品主要包括：上位组态平台软件WinCC、下位组态平台控制软件STEP7、组态软件ProTool-V6.0、PID控制软件包等。在组态平台软件的基础上编制上位应用软件和下位应用软件。上位应用软件主要完成生产数据的监控和与下位机的数据交换，而控制系统软件的主要内容都在下位应用软件上完成，包括信号采集处理、控制过程的实现、原油产量的计量、数据报表的计算、报警提示的产生、生产过程中的各种保护措施处理等等。

4.1 PLC控制系统硬件配置

通过对市场的调查，考虑到PLC设备的先进性、可扩展性、设备厂商的支持能力以及性能价格比等，在中小型PLC市场中，我们选择SIEMENS公司的STEP7―300系列产品。PLC控制中心包括模拟量输入模块（SM331）、模拟量输出模块（SM332）、数字量输入模块（SM321）、数字量输出模块（SM322）、脉冲计数模块（FM350-2）、CPU模块（CPU315-2DP）、扩展接口（FM365）、电源模块（PS307）等。PLC采用PROFIBUS现场总线的方式与工业控制计算机连接。这样就将系统有机地结合在一起，使系统具有充分的开放性和扩展能力。

4.2 下位机软件设计

下位机软件是使用SIEMENS公司的S7-300系列的PLC组态软件STEP7编制设计的。程序主要由组织块OB、功能块FB、功能函数FC和数据块DB等构成。

在程序设计上采用查询与中断相结合的方式，采集子程序、控制调节子程序、报警子程序、清零子程序、控制保护子程序都放在主程序模块OB1中，使用梯形逻辑图（LAD）编辑主程序体。

在下位机的软件设计中，油水界面和出口压力的控制功能的实现选用了STEP7的一个内部PID功能模块（FB41CONT_C）分别完成的。

4.3 上位机软件设计

上位机应用软件包括两部分：在工控机上使用的，在西门子公司的WinCC5.1M态开发平台上编制的应用软件；另一个是在触摸屏TP270上使用的，利用西门子的Protool6.0组态开发平台上编制的应用软件。这两部分软件实际上功能相同，都是完成相同的任务，即对数据进行监控，完成对下位机数据交换。

上位机显示各种界面图，包括流程图、控制流程图、参数设置界面图、数据显示界面图、实时和历史趋势图、数据报表显示界面图、报警显示界面图等。在程序上，我们还链接了利用VC++语言程序实现了计量报表的查询、打印和计量数据以Excel格式的导出。

5 结束语

本文结合油田联合站生产工艺和控制参数的具体特点，设计和开发了一套基于PLC和现场总线技术的油田联合站自动控制系统，对生产过程中的温度、压力、液位、油水界面、天然气及外输成品油流量等关键生产参数能进行有效的检测和控制，保证油田联合站油水处理过程的安全平稳运行。

参考文献

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