摘 要：在基于對石油平臺海水處理的工藝復(fù)雜性和海上石油生產(chǎn)環(huán)境惡劣性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合 DCS系統(tǒng)的優(yōu)越性，運用Rockwell RSView32組態(tài)軟件研究并實現(xiàn)了石油平臺水處理DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了對平臺水處理工藝各子過程的分散控制和被采集信息的集中管理。該系統(tǒng)是DCS技術(shù)在海上石油生產(chǎn)中的重要應(yīng)用，其長期運行，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，提高了海上石油生產(chǎn)效率，確保了海上工作人員的安全。

關(guān)鍵詞：DCS;石油平臺;RSView32;海水處理;過程監(jiān)控;數(shù)據(jù)管理

Abstract: On the base of research on the complexities of platform seawater treatment process and the difficulties of petroleum production on the sea, this paper integrates Distributed Control System （DCS） technology to construct the DCS of Platform Seawater Treatment （PSTDCS） with the help of the configuration software-Rockwell RSView32. The system, as one important application of DCS technology in petroleum production on the sea, realizes to control platform seawater treatment process and manage all collected information data. Its application enhances the productivity of petroleum production and insures worker’s personal safety on the sea.

Key words: DCS; Platform; RSView32; Seawater Treatment; Process Monitoring and Control; Data Management

一、引言

集散控制系統(tǒng)（DCS）是七十年代中期出現(xiàn)的，它是計算機（Computer）技術(shù)、控制（Control）技術(shù)、通訊（Communication）技術(shù)和CRT顯示技術(shù)（簡稱四C技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)物。它以微處理機為核心，把微機算機、工業(yè)控制機、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、顯示操作裝置、過程通道、模擬儀表等有機的結(jié)合起來，采用組合裝式組成系統(tǒng)，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件，所以，以PLC為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)已成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的主流。在海洋平臺石油生產(chǎn)中，由于海上作業(yè)條件艱苦、工作環(huán)境惡劣，且隨著海上石油開采規(guī)模的不斷擴大化，海上平臺石油生產(chǎn)的生產(chǎn)與管理越來越迫切的要求能迅速、準(zhǔn)確、全面的掌握生產(chǎn)設(shè)備的工作運行狀況，因此集散控制在海上石油開采中得到了日趨廣泛的應(yīng)用。

二、平臺水處理DCS系統(tǒng)架構(gòu)

2.1平臺水處理工藝

海水經(jīng)提升泵提升至粗濾器，濾去98%以上粒徑大于100μm懸浮固體，再按比例加入混凝劑和絮凝劑，進(jìn)入壓力斜管沉降罐渦流中和反應(yīng)區(qū)，靠渦流作用充分混合反應(yīng)，使微小顆粒絮凝聚結(jié)成為較大顆粒，而非溶性化合物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，再進(jìn)入斜管沉降區(qū)進(jìn)行重力分離，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。經(jīng)沉降后的海水進(jìn)入細(xì)濾器，海水中的懸浮物被細(xì)濾器的雙介質(zhì)濾層攔截，濾后海水排至超重力脫氧裝置實現(xiàn)部分脫氧，從而降低海水中氧的含量。脫氧處理后的海水經(jīng)U 型管進(jìn)入一級氣水分離器，分離出海水中攜帶的游離天然氣并排放到放空火炬，再進(jìn)入二級氣水分離器分離出溶解在海水中的天然氣，以保護(hù)注水罐免受天然氣的沖擊。經(jīng)氣水分離后的海水進(jìn)注至注水罐，再經(jīng)注水泵加壓后通過海底注水管線分別輸送到各井組平臺，最終實現(xiàn)對注水井的注水。平臺水處理的工藝流程如圖1所示。

圖1 海上平臺海水處理工藝流程圖

2.2平臺水處理DCS系統(tǒng)架構(gòu)

針對水處理工藝的復(fù)雜性，采用基于三級復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線/總線邏輯環(huán)/總線）的DCS系統(tǒng)架構(gòu)，其高層為信息管理層，實現(xiàn)平臺水處理監(jiān)控數(shù)據(jù)的管理功能;其最低一層為遠(yuǎn)程I/O鏈路，實現(xiàn)現(xiàn)場控制功能;中間一層為DH+網(wǎng)，實現(xiàn)水處理各工藝過程的實時監(jiān)控功能。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控計算機通過DH+網(wǎng)與具有微處理器的PLC、數(shù)據(jù)采集器等部件進(jìn)行實時通信，對工控現(xiàn)場分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取和改變操作。監(jiān)控計算機既能及時掌握整個水處理過程的全部狀態(tài)，又可以直接給出各控制回路的設(shè)定值，并通過PLC直接向控制回路發(fā)送控制信號，并利用CRT顯示技術(shù)動態(tài)顯示整個水處理過程的各種畫面，監(jiān)視整個平臺海水處理過程。管理計算機采用MS SQL Server2000關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來管理水處理工藝的數(shù)據(jù)信息。它通過Ethernet信息管理網(wǎng)從監(jiān)控計算機獲取水處理過程的所有在線信息，因此，除了直接在線控制外，還具有與監(jiān)控計算機相同的監(jiān)控功能。

系統(tǒng)下位采用了A-B公司的SLC500可編程控制器組成的兩套PLC擴展機架PLC1和PLC2，每套擴展機架均具有9塊SLC500。其中PLC2用于細(xì)濾器反沖洗工藝的過程控制，其被控制量總數(shù)147個，PLC1則主要用于對注水工藝流程中海水提升、超重力脫氧、加藥、U型管氣水分離以及注水泵機組等子工藝流程的過程監(jiān)控，被檢測參數(shù)為溫度、壓力、液位、流量、海水濁度、海水含氧量以及調(diào)節(jié)閥的開度，共143個。

三、平臺水處理DCS系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)下位控制功能實現(xiàn)

系統(tǒng)下位PLC對水處理現(xiàn)場的控制實現(xiàn)，采用了RSLinx500梯形圖邏輯編程軟件，設(shè)計實現(xiàn)對各設(shè)備以及過程裝置（如限位開關(guān)、按鈕、選擇開關(guān)、壓力開關(guān)等）的狀態(tài)實時監(jiān)視，根據(jù)監(jiān)視到的狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，并準(zhǔn)確地控制在設(shè)備上或流程中的輸出裝置（如電磁線圈、閥、信號器等），同時還實現(xiàn)了定時和計算功能。此外，在繼電器指令、算術(shù)運算和邏輯運算指令的基礎(chǔ)上，擴充了傳送和轉(zhuǎn)換指令、通訊指令以及模擬量輸入指令和PID調(diào)節(jié)指令等，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制，并負(fù)責(zé)完成對工藝過程中連續(xù)量的采集，實現(xiàn)復(fù)雜控制算法運算，并輸出給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)。其實現(xiàn)的控制功能具體如下：

1）海水提升：以壓力斜管沉降罐的出口濁度為基準(zhǔn)，控制壓力斜管沉降罐的排泥次數(shù)以及緩蝕劑、混凝劑和絮凝劑的藥劑投加量;以注水罐液位的設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)，對海水提升泵實現(xiàn)變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)對海水提升泵供水量的控制：當(dāng)注水罐液位低于設(shè)定值時，控制器向變頻器輸出提高轉(zhuǎn)速的信號，變頻器提高電機轉(zhuǎn)速，增加海水提升泵的排量;反之，則降低海水提升泵的排量。其被監(jiān)測參數(shù)有海水提升泵的出口壓力、出口流量、出口濁度;粗濾器的濾后壓力、濾后流量、濾后濁度;1#和2#壓力斜管沉降罐的出口濁度。

2）過濾反沖洗：以細(xì)濾器出口濁度為依據(jù)，控制細(xì)濾器的反沖洗次數(shù)以及反洗過程中反洗間隔、加水、過濾、排水、氣沖洗、排氣、水沖洗、靜置以及排空工藝過程的時間間隔，并控制殺菌劑的藥劑量。其被監(jiān)測參數(shù)有：反沖洗罐液位、細(xì)濾器進(jìn)口匯管壓力、細(xì)濾器出口排液壓力、儀表風(fēng)壓、反洗水壓、細(xì)濾器濾后濁度。

3）加藥：以各加藥罐的液位高低限位為基準(zhǔn)，控制各加藥撬塊的加藥啟停狀態(tài)。若某加藥罐的液位低于低限設(shè)定值，系統(tǒng)自動啟動加藥撬塊對該加藥罐投加藥劑溶液;當(dāng)該加藥罐的液位到達(dá)液位最高限時，系統(tǒng)自動停止加藥撬塊的加藥動作。其被監(jiān)測參數(shù)是：緩蝕1#、混凝2#、絮凝3#、殺菌4#、備用5#以及備用6#加藥罐的液位和各加藥泵的藥劑排量。

4）超重力脫氧：以二級氣水分離器出口海水含氧量為基準(zhǔn)，控制超重力脫氧機的進(jìn)氣量和進(jìn)水量的比值（即氣液比）。若海水含氧量過高，系統(tǒng)自動增加超重脫氧機的氣液比。其被監(jiān)測參數(shù)是超重力脫氧機的進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣流量、出氣壓力、進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量。

5）U型管氣水分離：對氣水分離過程的中的U型管液位、一級氣水分離器液位、一級氣水分離器排氣流量、一級氣水分離器排氣壓力、二級氣水分離器出口含氧量以及注水罐液位進(jìn)行實時監(jiān)、檢測。

6）注水泵機組：對注水泵機組采用變頻調(diào)速控制。用交流變頻調(diào)速器作為啟動和調(diào)速裝置，以PLC為控制核心，以滿足注水井的注水壓力和注水量為前提，對注水泵機組的轉(zhuǎn)速和運轉(zhuǎn)臺數(shù)作自動調(diào)整，實現(xiàn)注水泵機組的自動運行。其被監(jiān)測參數(shù)：注水泵進(jìn)口流量、進(jìn)口壓力、出口壓力;注水泵前軸瓦溫度、注水泵后軸瓦溫度;電機前軸瓦溫度、電機后軸瓦溫度、電機定子1#鉑熱電阻、電機定子2#鉑熱電阻、電機定子3#鉑熱電阻。

3.2系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

圖3 石油平臺水處理監(jiān)控系統(tǒng)總界面

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用RSView32組態(tài)軟件按照水處理工藝流程開發(fā)而成，共分為六個監(jiān)控子系統(tǒng)，系統(tǒng)主界面如圖3所示。海水提升子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控3臺海水提升泵、3個海水粗濾器和2個壓力斜管沉降罐的相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)場運作情況;過濾反沖洗子系統(tǒng)包括5個細(xì)濾器、一臺鼓風(fēng)機、一個反沖洗水罐和一臺反沖洗水泵，負(fù)責(zé)整個反沖洗過程的自動控制以及狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測;超重力脫氧子系統(tǒng)對2臺超重力脫氧機的使用與備用狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)模擬顯示，并同時監(jiān)測相關(guān)參數(shù);加藥子系統(tǒng)監(jiān)控各加藥罐的液位與流量，并負(fù)責(zé)對每天使用的藥劑量進(jìn)行累加匯總;U型管氣水分離監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控U型管液位以及氣水分離器的氣水分離情況;注水泵機組子系統(tǒng)監(jiān)控各注水泵的使用與備用狀態(tài)，并負(fù)責(zé)對注水泵各重要參數(shù)的實時監(jiān)測。其功能實現(xiàn)具體如下：

1）對水處理工藝的實時監(jiān)控與動態(tài)模擬;通過實時采集和記錄的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，對水處理工藝中所有控制回路和檢測點的各參數(shù)、狀態(tài)、趨勢等使用動態(tài)方式顯示和模擬，實現(xiàn)對整個工控現(xiàn)場的實時動態(tài)模擬與全局監(jiān)控。

2）被監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集與存儲：監(jiān)控計算機與PLC之間的數(shù)據(jù)通信采用DH+工業(yè)局域網(wǎng)實現(xiàn);被檢測數(shù)據(jù)的實時采集，采用RSVIEW32的內(nèi)部設(shè)置實現(xiàn)，且在RSView32的內(nèi)部將前臺數(shù)據(jù)掃描設(shè)置為1s，后臺數(shù)據(jù)掃描設(shè)置為5s，并利用 ADO技術(shù)和SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)對RSView32組態(tài)軟件的功能擴展來實現(xiàn)對所采集數(shù)據(jù)的存儲。即：首先在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置定時器1，其時鐘周期為1秒，每秒向監(jiān)測值存儲數(shù)據(jù)庫MonitValueDB存儲一次所采集到的被檢測參數(shù)的瞬時值。MonitValueDB數(shù)據(jù)庫只存儲30天的監(jiān)測值，主要用于對水處理過程的歷史趨勢描繪若超過30天，則自動把最前一天的數(shù)據(jù)刪除而將當(dāng)前采集數(shù)據(jù)再存入。另，在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部創(chuàng)建EVENT事件，并設(shè)置定時器2，將其ENVENT啟動時間定制為00:00，00:20，00:40，01:00，01:20，01:40，…， 23:00，23:20，23:40，。若定時器時間到，該EVENT事件立即啟動，從MonitValueDB中獲取將該EVENT事件發(fā)生前20分鐘內(nèi)系統(tǒng)所采集工控參數(shù)的瞬時值并求平均，作為該被檢測參數(shù)的有效值，再將其全部存入平均值數(shù)據(jù)庫AveValueDB，用于報表打印以及歷史資料查詢，以作為生產(chǎn)決策的依據(jù)。其被監(jiān)測參數(shù)的實時采集與存儲功能實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 被監(jiān)測參數(shù)實時采集與存儲示意圖

3）歷史趨勢描繪：根據(jù)監(jiān)測值存儲數(shù)據(jù)庫MonitValueDB中的存儲數(shù)據(jù)，對各被檢測參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)展示，以歷史曲線的形式動態(tài)描繪水處理工藝的歷史運作過程。

4）設(shè)備的啟停操作與與備用狀態(tài)判別：根據(jù)水處理系統(tǒng)的實際運作情況，對3臺海水提升泵、2臺超重力脫氧機和7臺注水泵的啟用與備用狀態(tài)進(jìn)行正確判別，并成功實現(xiàn)備用狀態(tài)下的設(shè)備不發(fā)生報警。

5）報警信息顯示與處理：在監(jiān)控系統(tǒng)的主界面和各子系統(tǒng)的子畫面上均設(shè)有報警信息條，用于顯示最近發(fā)生的報警信息，包括發(fā)出報警信息的標(biāo)識（Tag）所代表的儀器儀表工位號、發(fā)生報警的日期與時間、報警時的瞬時值以及高低限位報警狀態(tài);利用報警匯總表，操作人員可隨時查看、備份并打印輸出。當(dāng)有報警發(fā)生時，監(jiān)控系統(tǒng)會根據(jù)報警的嚴(yán)重程度發(fā)出不同的提示聲音，用以提醒工作人員進(jìn)行定位查看與檢修，實現(xiàn)定位故障排除。

對系統(tǒng)顯示的報警信息以及為水處理工藝的改進(jìn)而考慮的報警限值的管理，也借助于RSView32的嵌入式語言VBA，以及ADO遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)來擴展實現(xiàn)，其程序類似被檢測數(shù)據(jù)的實時采集與周期性存儲。報警信息以及報警限值存入用數(shù)據(jù)庫為AlertingDB。

6）數(shù)據(jù)管理與維護(hù)：以ADO技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為技術(shù)支持，采用VB 6.0軟件編制了工控信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對工控數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、查詢等數(shù)據(jù)管理與維護(hù)操作，實現(xiàn)了有條件操作下的日報表、月報表以及年報表的自動生成與打印。

四、結(jié)論

對海洋平臺水處理工藝實行DCS自動化集散控制，成功實現(xiàn)了被監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸以及過程控制，真正實現(xiàn)了無人值班作業(yè)，在很大程度上降低了工作人員的勞動強度，改善了工控現(xiàn)場的管理狀況，有效避免了藥劑浪費與設(shè)備損耗，提高了水處理效率，降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)油田生產(chǎn)年鑒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比顯示，該DCS系統(tǒng)的使用可節(jié)約年生產(chǎn)成本190多萬元，項目經(jīng)濟效益達(dá)470多萬元。

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