基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)

張旭芬 淄博職業(yè)學(xué)院

基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)

張旭芬 淄博職業(yè)學(xué)院

PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。對于油田計量的具體工作來說，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的順序進行自動地循環(huán)、計算和控制，也可以人為地中斷機器的工作并進行適時調(diào)整。計量的控制主要分為自動、指定、停止3個過程。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作成本，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術(shù)更具有可持續(xù)發(fā)展性，測量精度也得到進一步的提升，提高了油田各項指標資料的準確性。

PLC；油田自動化；計量系統(tǒng)；總線技術(shù)

產(chǎn)量計量是油田生產(chǎn)中很重要的一個環(huán)節(jié)，PLC控制技術(shù)在新型的油田自動化計量裝置系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。為了解決油井生產(chǎn)過程中低產(chǎn)問題和間歇性出油的計量問題，使用S7200可編程控制器，通過構(gòu)架不同的處理模塊（如警報處理、控制、檢測、切換等），最終完成各個油井的計量信息采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)對油井計量系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

1 關(guān)鍵支持技術(shù)

1.1 PLC技術(shù)簡述

PLC（Programmable Logic Controller）是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置[1]。它采用可以編制程序的存儲器，包括電源、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出接口電路、通信模塊和功能模塊等，主要用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。一旦投入使用，即可完成輸入采樣→用戶程序執(zhí)行→輸出刷新的過程周期，在運行期間，一般這樣的周期是重復(fù)執(zhí)行的。

1.2 在油田自動化計量中的應(yīng)用

在硬件設(shè)計上，通過CPU224—XP和EM231模擬量擴展模塊的有機結(jié)合，可以組成必要的硬件系統(tǒng)，也就是工控機加PLC。設(shè)計使用8個模擬點輸出和12個開關(guān)點輸出，運用報警檢測、實時監(jiān)控、有效檢測、數(shù)據(jù)切換四個主要模塊進行工作。點擊進入Start模式后，油井的具體選井信號會通過多通閥反饋給PLC系統(tǒng)，計算機將記錄下液位開關(guān)處的液體位置數(shù)據(jù)，并且進行實時更新，一旦計量次數(shù)與原有設(shè)定的次數(shù)數(shù)值相吻合，就開始計算液量。同時為了保證安全生產(chǎn)，對于一些故障也有特殊說明：比如液體的位置高于某個警戒值時系統(tǒng)自動將切換到報警模塊，進行應(yīng)急處理；或者系統(tǒng)突遇緊急停電，也會觸發(fā)報警設(shè)置，保護生產(chǎn)安全。

通過計量流程圖可以看出，PLC系統(tǒng)可以同時對溫度、壓強、液位等傳感器的具體數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。通過PLC和工控機的信號交換，可以進行數(shù)據(jù)的傳輸并對儀器中液量進行計量。此外，PLC還可以實現(xiàn)對加熱源、加熱泵的控制，以自動化方式來維持箱內(nèi)體液位和內(nèi)部溫度。工控機主要負擔(dān)著計算的功能，結(jié)合采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，工控機根據(jù)設(shè)定的算法進行計算，得到高精度的油井累積產(chǎn)量值和順勢采集的流量值，這些都有利于工作人員實時掌握一線最新信息。

2 自動化計量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 基本結(jié)構(gòu)解析

圖1為PLC計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？删幊炭刂破鱌LC主要選取的是OMRON下位機，這種PLC不僅性能穩(wěn)定可靠，并且抗干擾能力很強，易于做現(xiàn)場的維護和管理，具有很強的使用性。它的主要功能是控制、檢測溫度變化，感受壓力躍動幅度并對液位進行監(jiān)測，同時可以控制電動閥的狀態(tài)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集以及控制最終要與主機就是工控機相連接，利用TCP/IP協(xié)議和無線微波網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)連通，完成數(shù)據(jù)交換[2]。

對于油田計量的具體工作來說，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的順序進行自動地循環(huán)、計算和控制，當然也可以人為地中斷機器的工作并進行適時調(diào)整。計量的控制主要分為自動、指定、停止3個過程。

圖1 PLC計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動計量就是初始化程序設(shè)定，在系統(tǒng)中輸入希望達成的數(shù)值，如單井的選擇和觸發(fā)的時間，一旦液體位置達到設(shè)定的液位數(shù)值時，就進行自動的倒閥門排液；若液體位置已經(jīng)低于設(shè)定的最低限度值時，就停止自動排液。將此次排液過程的出油時間和出油口徑數(shù)值返回到中控機，進行數(shù)值的統(tǒng)計和測算，最終就可以獲得當日的油液產(chǎn)量。這種計算是快速且循環(huán)的，按照油井的編號，一旦一口井完成之后將會自動轉(zhuǎn)入下一個編號單位。

對于產(chǎn)量較低的井可以進行特殊標記，進行特殊計量，避免由于數(shù)值冗雜產(chǎn)生計算錯誤。

另外還可以隨時停止計量，一旦工作人員利用中控機發(fā)出停止命令的時候，一切計量過程可以被立即終止，此時若進行設(shè)備初始化，則一切設(shè)備處于待命狀態(tài)，可以隨時從頭開始。

2.2 具體計量算法

在這一套裝置中，主要的計量算法是利用傳感器拉力數(shù)值與料斗加原油重量總值的等量換算。假設(shè)一半的料斗在開始計量時，另一半的料斗處于空閑狀態(tài)，那么在前一半不斷積累容量的同時，平衡狀態(tài)也在發(fā)生改變[3]。兩個部分的料斗一旦發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)的瞬間就可以讀出不同感壓器上的數(shù)值。這種測量值將會記錄在中控機上，與事先確定好的進行數(shù)值進行比較，排除掉料斗本身的重量，剩下的就是在前一部分料斗中剛剛累積的油量。同樣，另一部分的算法也如此。這兩部分的差值就是一次計量的重量。這種算法的優(yōu)勢在于對一些不可避免的誤差進行最大程度的回避，比如液體掛壁凝結(jié)的部分重量以及氣液混合部分不純凈的原油的重量，都進行了最大可能的誤差消除。只是在設(shè)定持續(xù)時間之內(nèi)的單次承壓數(shù)值才會被相加，由此推斷出這段時間內(nèi)的液油產(chǎn)量，這種疊加方式避免了重復(fù)計算帶來的誤差，進一步提高了計算的精度和準確度。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)特點

相比老式的計量系統(tǒng)，基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)勢：首先完成了長時間的自動計量，工作時限可達到24 h以上；其次是功能豐富，不再是單一的單井計量方式或者定次計量方式，排序計量和定時計量的誕生標志著工作方式的豐富；新增了計量指標，利用水和原油的密度差，可以計算出不同產(chǎn)油地的原油含水量；PLC有完善的報警機制，對于緊急停電或者機器故障、液壓過高等事故可以進行緊急報警，并將啟動相應(yīng)的應(yīng)急機制，保障安全生產(chǎn)；最重要的是系統(tǒng)設(shè)有冗余主站，一旦現(xiàn)在正在運行的主站發(fā)生了系統(tǒng)故障就可以馬上轉(zhuǎn)接冗余主站，隨時保證工作流程的暢通[4]?？傮w上看，新的PLC控制技術(shù)的加入減輕了以往的高強度人力勞動，提高了系統(tǒng)的自動化性能，不僅提高了工作效率，還減少了發(fā)生故障的可能性。事實證明，運用PLC控制的自動化油田計量系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有重要的推廣價值。

3 結(jié)語

新時期技術(shù)的革新為整個油田井下作業(yè)行業(yè)都帶來了新鮮的活力，對提高工作效率，降低工作成本都具有重要的意義。如今PLC在油田自動化計量系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，不僅能夠提高油田的自動化程度，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控，還能進行數(shù)據(jù)分析，進行操作預(yù)判和操作決斷。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作成本，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術(shù)更具有可持續(xù)發(fā)展性，測量精度也進一步得到了提升，大大提高了油田各項指標資料的準確性。

[1]張曉峰，陳勇殿，白友國，等．PLC在一種新型油井自動計量裝置上的應(yīng)用[J]．自動化儀表，2006，27（2）：225-226.

[2]王順華，賈建民．油井氣液兩相流全自動計量技術(shù)[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，32（4）：423-426.

[3]馬強．稱重式油井自控計量器研制與應(yīng)用[J]．石油礦場機械，2010，39（2）：52-54.

[4]劉紅廣．PLC在污水泵站自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2013，32（1）：72-73.

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.036