DeltaV控制系統(tǒng)在冀東油田南堡作業(yè)區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

陳小輝，董建國(guó)，楊建平中國(guó)石油冀東油田分公司南堡作業(yè)區(qū)，河北唐山　063004

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DeltaV控制系統(tǒng)在冀東油田南堡作業(yè)區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

陳小輝，董建國(guó)，楊建平
中國(guó)石油冀東油田分公司南堡作業(yè)區(qū)，河北唐山063004

摘要：DeltaV控制系統(tǒng)作為南堡作業(yè)區(qū)各采油區(qū)主要的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)實(shí)時(shí)采集和精確控制功能，減少了人工操作，提高了工作效率，在日常生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。介紹了DeltaV控制系統(tǒng)及其控制模塊的功能，針對(duì)冀東油田南堡作業(yè)區(qū)的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析，并對(duì)目前工藝條件下應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：DeltaV系統(tǒng)；自動(dòng)控制；功能塊；組態(tài)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，當(dāng)前各大油田逐漸向數(shù)字化油田、可視化油田等方向發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見，可以減少人工操作、提高工作效率，并且工藝運(yùn)行穩(wěn)定。冀東油田自2002年建成了第一個(gè)自動(dòng)化計(jì)量站（M118）開始，陸續(xù)開展了數(shù)字化油田改造工作。改造初期計(jì)量站、轉(zhuǎn)油站、注水站均采用PLC控制系統(tǒng)，規(guī)模較小，數(shù)據(jù)處理能力有限（尤其模擬信號(hào)）。由于各井區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)不同、廠家多、質(zhì)量參差不齊、不同軟硬件配置混亂、數(shù)據(jù)通訊困難，導(dǎo)致指揮中心集成度低，軟件維護(hù)成本高。2008年冀東油田結(jié)合自身實(shí)際情況，吸取其他油田的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)了DeltaV控制系統(tǒng)。后期的南堡作業(yè)區(qū)自動(dòng)化項(xiàng)目建設(shè)主要采用的是DeltaV控制系統(tǒng)。DeltaV控制系統(tǒng)是美國(guó)艾默生過(guò)程控制有限公司于1996年推出的，以Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，以控制網(wǎng)絡(luò)為基本框架，以現(xiàn)場(chǎng)總線為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)?？蓴U(kuò)展，完全采用數(shù)字化結(jié)構(gòu)的一套控制系統(tǒng)。它把最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、圖形化控制策略設(shè)計(jì)技術(shù)集為一體，為用戶提供了簡(jiǎn)單、方便、靈活的軟硬件安裝方式和組態(tài)開發(fā)工具。DeltaV系統(tǒng)是一個(gè)可靠、安全、便于使用和維護(hù)、高度開放的控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和電力等行業(yè)。

1　DeltaV控制系統(tǒng)

1.1DeltaV的硬件系統(tǒng)

DeltaV系統(tǒng)的硬件主要由工作站、控制網(wǎng)絡(luò)、控制器和IO卡件4個(gè)部分組成（見圖1）。

（1）工作站。DeltaV系統(tǒng)的工作站采用的是Intel公司的微處理器，按其功能劃分，主要有工程師站、操作員站和應(yīng)用站。

每個(gè)DeltaV系統(tǒng)有且只有一個(gè)ProfessionalPlus工作站，稱之為主工程師站，該工作站負(fù)責(zé)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的組態(tài)與維護(hù)，并配置有系統(tǒng)組態(tài)、維護(hù)及診斷等軟件包，具備了工程師站和操作員站的所有功能。

操作員站提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的操作環(huán)境，用內(nèi)嵌式的組件便于各項(xiàng)數(shù)據(jù)的輸入與讀取。報(bào)警列表、流程圖或模塊面板等都會(huì)有統(tǒng)一直觀的界面。

應(yīng)用站用于存放歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)可作為OPC服務(wù)器成為系統(tǒng)對(duì)外的接口，可配置各種優(yōu)化或管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)其他特定的功能。

圖1　DeltaV系統(tǒng)典型硬件配置示意

（2）控制網(wǎng)絡(luò)。工作站和控制器構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。DelatV的控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高速以太網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)間可相互通信與連接。儀表通信網(wǎng)絡(luò)可以采用FF（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）所規(guī)定的各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（3）控制器。DeltaV系統(tǒng)的控制器用于管理所有在線IO子系統(tǒng)、控制策略的執(zhí)行及通訊網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。具體功能包括：采集過(guò)程數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理；對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，輸出控制信號(hào)；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及IO卡件的自診斷；與工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（4）IO卡件。DeltaV系統(tǒng)的所有IO卡件均為模塊化設(shè)計(jì)，可即插即用、自動(dòng)識(shí)別、帶電插拔。系統(tǒng)可以提供2大類IO卡件：一類是傳統(tǒng)IO卡件，可連接常規(guī)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、HART模擬信號(hào)的儀表；另一類是現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件，可連接具備FUNDATIONTM現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus DP總線、AS- i總線、DeviceNet總線及RS485串口通訊的設(shè)備儀表。這2大類卡件可任意混合使用。

1.2DeltaV的軟件系統(tǒng)

1.2.1組態(tài)軟件

（1）DeltaV瀏覽器。它用于顯示用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)象的梯階結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)象包括控制器和輸入輸出卡件、工作站、區(qū)域、模塊、設(shè)備等。它通過(guò)采用樹形結(jié)構(gòu)來(lái)管理和定義系統(tǒng)對(duì)象。

（2）組態(tài)工作室。它是進(jìn)行控制策略創(chuàng)建、修改和刪除等操作的組態(tài)窗口（見圖2）。組態(tài)工作室界面主要由五大部分組成：模塊層次視圖、組態(tài)視圖、參數(shù)列表、報(bào)警視圖和功能塊面板。

（3）圖形工作室。它是組態(tài)人機(jī)交互界面的窗口，包含預(yù)先定義的圖形庫(kù)，提供了常用的圖形、文字、數(shù)據(jù)和動(dòng)畫等模板，便于快捷高效地組態(tài)出美觀豐富的界面。

1.2.2操作管理軟件

（1）操作界面。DeltaV系統(tǒng)操作界面提供圖形工具，操作員可直接用圖標(biāo)進(jìn)行操作。標(biāo)準(zhǔn)操作界面分為3個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的區(qū)域：按鈕工具條、工作區(qū)和報(bào)警欄。

（2）參數(shù)趨勢(shì)。DeltaV系統(tǒng)提供過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)。激活實(shí)時(shí)趨勢(shì)可在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中捕捉最近的歷史數(shù)據(jù)，并在以時(shí)間為橫坐標(biāo)、參數(shù)為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)軸上顯示其參數(shù)曲線。

（3）報(bào)警和事件處理。DeltaV系統(tǒng)報(bào)警管理包括報(bào)警優(yōu)先級(jí)定義、報(bào)警的確認(rèn)與消除以及相應(yīng)的事件處理等。用戶可以組態(tài)智能報(bào)警。智能報(bào)警是其他報(bào)警和過(guò)程條件的組合，可動(dòng)態(tài)地允許和禁止報(bào)警。

（4）操作員畫面?？筛鶕?jù)不同應(yīng)用設(shè)計(jì)不同的操作員畫面。系統(tǒng)為每個(gè)模塊提供預(yù)定義的彈出式控制面板、趨勢(shì)和細(xì)節(jié)畫面?？赏ㄟ^(guò)用戶定義的軟按鈕對(duì)過(guò)程控制進(jìn)行操作、查看模塊細(xì)節(jié)參數(shù)或調(diào)用歷史曲線等。

圖2　DeltaV組態(tài)工作室界面

2　DeltaV控制模塊的組態(tài)

DeltaV系統(tǒng)的控制策略采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊結(jié)構(gòu)，圖3展示了某采油井區(qū)的控制策略分層結(jié)構(gòu)。模塊是DeltaV系統(tǒng)中最小的控制策略實(shí)體。每個(gè)模塊在系統(tǒng)有唯一的實(shí)例名，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)例名進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)模塊包含一個(gè)或多個(gè)被定義的控制對(duì)象及其相關(guān)的邏輯。模塊包含了對(duì)過(guò)程設(shè)備進(jìn)行控制的算法、條件、報(bào)警、顯示、歷史信息以及其他一些相關(guān)特征。DeltaV中的模塊及其相關(guān)的邏輯可以方便地創(chuàng)建、下載、操作、調(diào)試，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制檢驗(yàn)。

控制模塊的組態(tài)主要在組態(tài)工作室里以圖形化的方式完成，通過(guò)在面板欄選取需要的功能塊，對(duì)功能塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與連接，設(shè)計(jì)出滿足工藝要求的控制策略。系統(tǒng)提供了大量標(biāo)準(zhǔn)算法的功能塊（如模擬量輸入功能塊AI、設(shè)備控制功能塊DC、減法功能塊SUB），采用鼠標(biāo)拖放式組態(tài)方式，使組態(tài)變得簡(jiǎn)單、便捷。組態(tài)的控制模塊可在線下載，而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在線仿真功能可以使組態(tài)的正確性立即得到驗(yàn)證。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)連接之前，即可進(jìn)行所有控制方案邏輯的正常調(diào)試，從而減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量。

控制模塊組態(tài)的步驟如下：

（1）在組態(tài)工作室中創(chuàng)建工廠區(qū)域并定義其相關(guān)的控制模塊。

（2）根據(jù)控制需求為模塊添加相應(yīng)的功能塊并組態(tài)其參數(shù)。

（3）驗(yàn)證控制模塊是否組態(tài)正確，并分配下載到IO卡件相對(duì)應(yīng)的控制器。

（4）在DeltaV操作界面上繪制工藝流程并鏈接模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1液位連鎖控制

應(yīng)用背景：南堡采油三區(qū)生活污水需要排放到污水池進(jìn)行有氧處理，然后將處理后的凈化水再排放到清水池，清水池液位可通過(guò)自動(dòng)啟停泵實(shí)現(xiàn)將液位控制在合適范圍內(nèi)。原工藝設(shè)計(jì)是采用西門子PLC200作為小型控制系統(tǒng)，用兩個(gè)高、低浮子液位開關(guān)來(lái)控制機(jī)泵啟停（見圖4）。

圖4　采油三區(qū)清水池工藝流程示意

原PLC控制原理：當(dāng)水池液位升至高浮子液位計(jì)被淹沒時(shí)，開關(guān)閉合，使控制電機(jī)的輸出點(diǎn)置位，排水泵啟動(dòng)排液降低水池液位；當(dāng)其液位降低至低液位刻度時(shí)，浮子液位計(jì)浮力降低了，開關(guān)斷開，使控制電機(jī)的輸出點(diǎn)復(fù)位，泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，液位不再降低。通過(guò)液位開關(guān)控制清水池液位保持在合理的范圍。

存在的問(wèn)題：原設(shè)計(jì)采用離散量控制清水泵的啟停，在日常運(yùn)行過(guò)程中由于浮子液位開關(guān)不靈敏，控制經(jīng)常失效，無(wú)人監(jiān)管時(shí)水池經(jīng)常出現(xiàn)冒水現(xiàn)象。該水池狹小且為密閉式容器，進(jìn)入水池進(jìn)行檢修存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決清水池液位控制失效的問(wèn)題，可利用該采油區(qū)既有的DeltaV控制系統(tǒng)對(duì)清水泵控制進(jìn)行改造。改造思路：通過(guò)水池液位計(jì)傳送信號(hào)到控制系統(tǒng)，DeltaV控制器組態(tài)的功能塊識(shí)別液位信號(hào)，邏輯運(yùn)算功能塊判斷液位是否高于設(shè)定液位，當(dāng)邏輯運(yùn)算結(jié)果為1，則輸出信號(hào)啟動(dòng)清水泵；當(dāng)邏輯運(yùn)算結(jié)果為0，則輸出信號(hào)不啟動(dòng)清水泵?？刂撇呗越M態(tài)實(shí)現(xiàn)過(guò)程見圖5。

圖5　清水池液位控制組態(tài)示意

該控制模塊運(yùn)行原理：LI1001（模擬量輸入功能塊）采集實(shí)時(shí)水池的液位，當(dāng)液位≥1 500 mm，條件功能塊CND2輸出1，使SR1（置位復(fù)位功能塊）置位輸出1，其輸出控制DC1（設(shè)備控制功能塊），DC1根據(jù)內(nèi)部組態(tài)邏輯，輸出離散值控制電機(jī)開關(guān)閉合，泵啟動(dòng)降低液位；當(dāng)液位≤500 mm時(shí)，條件功能塊CND1輸出1，使SR1功能塊復(fù)位輸出0，其輸出控制DC1功能塊，DC1輸出值使控制電機(jī)開關(guān)復(fù)位斷開，泵就停止運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)該水池在無(wú)人干預(yù)的情況，自動(dòng)將其液位保持在500～1 500 mm的范圍內(nèi)。功能塊輸出邏輯見表1。

通過(guò)對(duì)液位的模擬量實(shí)時(shí)監(jiān)控以控制清水泵的啟停，該控制系統(tǒng)較原PLC控制系統(tǒng)有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）控制可視化。DeltaV控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制信號(hào)可通過(guò)工作站的操作界面直接觀察，故障分析直觀，并可在線直接更改液位控制的范圍，PLC200沒有操作監(jiān)視界面，控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題不易分析判斷，必須通過(guò)專業(yè)人士去現(xiàn)場(chǎng)檢查分析故障。

表1　液位控制模塊功能塊輸出邏輯表

（2）故障率顯著降低。原設(shè)計(jì)采用浮子液位開關(guān)控制，浮子液位開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其觸點(diǎn)經(jīng)常失效導(dǎo)致控制出現(xiàn)紊亂。而液位變送器儀表較為精密，控制系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)故障率較低。

該應(yīng)用實(shí)例于2012年9月組態(tài)完成投入使用，2014年8月清水池液位歷時(shí)曲線見圖6，液位自動(dòng)控制在500～1 500 mm，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖6　清水池液位歷時(shí)曲線

3.2含水原油的計(jì)算

應(yīng)用背景：南堡3- 2轉(zhuǎn)油站原油外輸管道輸送含水原油，外輸管道上安裝有體積流量計(jì)和含水分析儀。該轉(zhuǎn)油站外輸原油含水在30%～50%范圍內(nèi)波動(dòng)，利用現(xiàn)有的儀表錄取日常生產(chǎn)資料，無(wú)法直觀地錄取外輸純油流量瞬時(shí)值及日產(chǎn)原油累計(jì)值等參數(shù)，給生產(chǎn)管理帶來(lái)很大不便。

解決該問(wèn)題有兩個(gè)方案。其一，另外購(gòu)買一臺(tái)先進(jìn)的帶有原油分析計(jì)量功能的質(zhì)量流量計(jì)，在管道上安裝使用，可以直觀地在該儀表上讀取相關(guān)原油計(jì)量參數(shù)；其二，利用現(xiàn)有DeltaV控制系統(tǒng)組態(tài)計(jì)算分析模塊，對(duì)目前流量計(jì)、含水分析儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出實(shí)時(shí)原油瞬時(shí)值及累計(jì)值，并直觀地顯示在工作站的操作界面上。顯然方案二相對(duì)經(jīng)濟(jì)且便于實(shí)施。

分析現(xiàn)有儀表可讀取的參數(shù)（含水原油瞬時(shí)流量Q，m3/h；瞬時(shí)含水量X，%）與原油累計(jì)值（V，m3）關(guān)系，從開始計(jì)量到t0時(shí)刻原油的累計(jì)值可用下式表達(dá)：

式（1）中原油累計(jì)值可通過(guò)DeltaV控制系統(tǒng)組態(tài)計(jì)算模塊求得，主要利用乘法、減法、積分等功能塊計(jì)算，并在操作界面鏈接積分功能塊的運(yùn)算數(shù)值，即可顯示實(shí)時(shí)的原油累計(jì)值，其功能塊組態(tài)如圖7所示。

圖7　分產(chǎn)原油計(jì)算功能塊組態(tài)示意

該控制模塊運(yùn)行原理：FI1001模擬量輸入功能塊連接體積流量計(jì)采集其瞬時(shí)流量值，WI3001采集含水分析儀的瞬時(shí)含水?dāng)?shù)值，MLTY1（乘法功能塊）對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)的輸入做乘法，計(jì)算出實(shí)時(shí)單位含水量，SUB1（減法功能塊）對(duì)含水原油流量與單位含水量求差即得原油瞬時(shí)值，INT1（積分功能塊）對(duì)原油瞬時(shí)值做時(shí)間的積分，即計(jì)算出實(shí)時(shí)的原油累計(jì)值。RESET不是安全參數(shù)引用，功能是對(duì)INT1功能塊的累計(jì)值復(fù)位。模塊中各功能塊輸出值見表2。

該實(shí)例于2014年9月組態(tài)完成，目前在南堡3- 2轉(zhuǎn)油站控制室操作界面上可直接讀取實(shí)時(shí)原油累計(jì)值。南堡3- 2轉(zhuǎn)油站外輸報(bào)表見表3（2014-10- 09），當(dāng)日含水原油為1 913 m3，純外輸原油為1 257 m3。

表2　計(jì)量模塊功能塊輸出值

本例利用DeltaV系統(tǒng)的功能塊，組態(tài)計(jì)算模塊，擴(kuò)展出新的功能，克服了原有儀表測(cè)量的局限問(wèn)題，節(jié)省了購(gòu)置復(fù)雜儀表的昂貴費(fèi)用。

4　應(yīng)用前景

南堡采油一區(qū)水處理站原污水過(guò)濾裝置的定時(shí)

表3　南堡3-2轉(zhuǎn)油站外輸值

反洗PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)已失效，目前當(dāng)班員工每4 h人工反洗一次，通過(guò)手動(dòng)打開閥門導(dǎo)通流程，然后啟泵反洗。若利用DeltaV控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)導(dǎo)通反洗流程并啟泵反洗，反洗一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉又返回原生產(chǎn)流程，反洗操作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

南堡采油三區(qū)共有配氣橇10座，注氣流量計(jì)約175塊。其流量計(jì)顯示的瞬時(shí)流量值為當(dāng)前工況下瞬時(shí)值，日常管理優(yōu)化配氣工作中必須對(duì)該工況瞬時(shí)值進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量值。各單井溫度壓力等工況不統(tǒng)一，計(jì)算較復(fù)雜且易出錯(cuò)。利用DeltaV計(jì)算功能塊，可讀取該井的注氣溫度及壓力，利用公式自動(dòng)計(jì)算并顯示該井注氣對(duì)應(yīng)的標(biāo)況流量。

南堡采油六區(qū)的3- 2轉(zhuǎn)油站壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷隨著進(jìn)氣壓力不穩(wěn)定而波動(dòng)，不穩(wěn)定沖擊易造成其運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的疲勞損傷，使其壽命減小，對(duì)其壓縮機(jī)入口壓力精確控制非常重要。利用DeltaV系統(tǒng)內(nèi)的PID功能塊控制，可控制壓縮機(jī)入口壓力，使其保持恒定，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定可控。

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PracticalApplication Example ofDeltaVControlSystem in Nanpu BlockofJidong Oilfield

CHEN Xiaohui，DONG Jianguo，YANG Jianping
Nanpu Oilfield Operation Distric of Jidong Oilfield Company，Tangshan 063004，China

Abstract：DeltaVcontrol system，as the main production control system applied in oil production zones of Nanpu Block of Jidong Oilfield，realizes the functions of real- time and accurate data acquisition of process parameters，reduces manual operations and raises work efficiency. It plays an important role in routine production. The functions of DeltaVcontrol system and its control modules are described，the practical application example in Nanpu Block of Jidong Oilfield is introduced，and application prospect is discussed.

Keywords：DeltaVsystem；automatic control；functionalmodule；configuration

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.009

作者簡(jiǎn)介：

陳小輝（1986-），男，江西撫州人，助理工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事注水管理工作。Email：422742943@qq.com

收稿日期：2015- 10- 07