高寶元

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院， 西安 710018)

目前，油田站場(chǎng)的監(jiān)控設(shè)備，通常是分散單一設(shè)置或簡(jiǎn)單組合后形成監(jiān)控柜的形式，在對(duì)單井計(jì)量，收球筒溫度，外輸原油溫度、壓力、流量及密閉容器液位等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制時(shí)，存在功能不完善、擺放不標(biāo)準(zhǔn)、操作不方便、監(jiān)測(cè)參數(shù)不準(zhǔn)確、顯示不集中以及不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)等弊端；對(duì)于可燃、有毒氣體以及污水池液位等的監(jiān)測(cè)也存在遺漏缺陷；另外，其顯示和報(bào)警功能有待完善和提高。

油田站場(chǎng)多功能監(jiān)控柜是對(duì)油田場(chǎng)站里的單井計(jì)量和分布式參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和控制以及根據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰岢龅男⌒椭悄芑刂葡到y(tǒng)。該人機(jī)系統(tǒng)使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，采用真彩的人機(jī)界面加I/O數(shù)據(jù)采集模塊的方式。其結(jié)構(gòu)本身就是1臺(tái)小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)顯示、報(bào)警、操作只需1臺(tái)人機(jī)界面即可完成，改變了傳統(tǒng)多臺(tái)數(shù)字、模擬儀表混合顯示，外加操作按鈕、指示燈等分立元件操作的方法。人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，克服了以往單參數(shù)監(jiān)控器操作步驟繁瑣、效率低、數(shù)據(jù)處理可靠性差的弊端。

1 多功能監(jiān)控柜硬件設(shè)計(jì)

1.1 柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柜體結(jié)構(gòu)至少包括柜體前面上部分斜面顯示控制窗口，下部分可開(kāi)閉的柜體前門(mén)；后面可開(kāi)閉的柜體后門(mén)以及柜體底座上固定連接的接線板。顯示控制窗口人機(jī)界面觸摸屏支持現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)儀表的接入，自動(dòng)完成對(duì)溫度、壓力、液位、流量、油井計(jì)量、可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)等生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的顯示控制，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)還可設(shè)定超限報(bào)警。系統(tǒng)內(nèi)置人機(jī)界面集成軟件組態(tài)，系統(tǒng)設(shè)中文顯示和操作界面。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

從現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)有1～5 V，0～10 V電壓信號(hào)，4～20 mA電流信號(hào)，還有開(kāi)關(guān)量，頻率等信號(hào)。通過(guò)輸入模塊進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的PLC進(jìn)行處理后，一方面在人機(jī)界面進(jìn)行顯示和控制，另一方面通過(guò)Modbus RS-485接口或RJ-45接口(滿足TCP/IP協(xié)議)遠(yuǎn)傳至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能監(jiān)控柜硬件結(jié)構(gòu)示意

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 功 能

該多功能監(jiān)控柜可替代傳統(tǒng)的儀表控制箱，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，該監(jiān)控柜只需修改組態(tài)軟件即可完成，從而提高了設(shè)備的利用率。

2.2 人機(jī)界面

該多功能監(jiān)控柜人機(jī)界面通過(guò)文本、數(shù)據(jù)、表格、圖形等多種組合形式，將生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)在真彩屏進(jìn)行簡(jiǎn)單明晰的顯示、報(bào)警；提供安全鎖功能，允許操作人員對(duì)系統(tǒng)組態(tài)進(jìn)行調(diào)整、修改，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

該多功能監(jiān)控柜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可準(zhǔn)確完成對(duì)模擬量、數(shù)字量、脈沖量、開(kāi)關(guān)量等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)或邏輯運(yùn)算處理，可達(dá)16位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理精度。提供多種數(shù)據(jù)管理手段，滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理、歷史管理要求和對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、調(diào)用要求。

2.4 自動(dòng)控制功能

該多功能監(jiān)控柜可提供PID控制、邏輯控制、批量控制、前饋控制、比值控制、串級(jí)控制、多沖量控制等各種常規(guī)控制算法和先進(jìn)控制算法，滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制的各種要求。

2.5 軟件組態(tài)

該多功能監(jiān)控柜提供MCGS嵌入式組態(tài)工具，支持國(guó)內(nèi)外各種儀表及通信。

2.6 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該多功能監(jiān)控柜可編程I/O模塊，內(nèi)置通信接口，對(duì)于小型系統(tǒng)尤其適用，同時(shí)具有體積小，自診斷、中文漢字面板顯示、易維護(hù)的特點(diǎn)。

2.7 通用接口

該多功能監(jiān)控柜采用OPC方式，用戶可以用第三方軟件或者其他支持OPC標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控軟件從該系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。通信方式可以為本地或者遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。

2.8 智能顯示屏

人機(jī)界面采用液晶觸摸顯示器，使用嵌入式技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)WinCE和低功耗ARM結(jié)構(gòu)的CPU，使用編程語(yǔ)言EVC，具備較快的運(yùn)行速度。

1) 動(dòng)畫(huà)功能設(shè)計(jì)。MCGS嵌入式組態(tài)軟件，支持上千種儀表設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，豐富的動(dòng)畫(huà)功能，高亮度TFT真彩顯示屏，3D視覺(jué)效果。

2) 大存儲(chǔ)容量設(shè)計(jì)。使用64 M的閃存芯片，可以存儲(chǔ)上萬(wàn)條的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，方便用戶隨時(shí)查詢與統(tǒng)計(jì)，為管理者提供更有效的決策，提供U盤(pán)數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

3) 多通信接口設(shè)計(jì)。設(shè)備支持多個(gè)接口， 1個(gè)獨(dú)立串口，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口，2個(gè)USB口，支持RS-232/RS-485/RS-422，以及Modbus_TCP等多種通信方式。

2.9 I/O數(shù)據(jù)采集模塊

所有模件采用標(biāo)準(zhǔn)化、智能模塊化結(jié)構(gòu)。監(jiān)控柜的數(shù)據(jù)采集模塊具有內(nèi)置的微處理器，可通過(guò)RS-485 通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立提供智能信號(hào)調(diào)理、模擬量 I/O 和數(shù)字量 I/O。通信速率最高達(dá)38.4 kbit/s，通信距離達(dá)1.2 km。其特點(diǎn)如下：

1) 模件可帶電插拔而不影響其他模件正常工作。

2) 智能化的I/O模件減輕控制系統(tǒng)的處理負(fù)荷。I/O處理系統(tǒng)能完成掃描、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)整定、數(shù)字化輸入和輸出、線性化、熱電偶冷端補(bǔ)償、過(guò)程點(diǎn)質(zhì)量判斷及報(bào)警、工程單位換算等功能。

3) 輸入的變送器信號(hào)由不同的模件來(lái)處理。單個(gè)I/O模件的故障不會(huì)引起任何設(shè)備的故障或跳閘。

4) 8個(gè)模擬量輸入1個(gè)獨(dú)立的固態(tài)A/D轉(zhuǎn)換器，每1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)單獨(dú)的D/A 轉(zhuǎn)換器，每一路信號(hào)輸入有單獨(dú)的橋路。所有的輸入通道、輸出通道及其工作電源均相互隔離。A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度為16位。

5) 模擬量輸入： 接收1～5 V，0～10 V電壓信號(hào)，4～20 mA電流信號(hào)，最大輸入阻抗為1 kΩ。

6) 數(shù)字量輸入： 數(shù)字量輸入模件將閉合接點(diǎn)作為“狀態(tài)1”，斷開(kāi)接點(diǎn)作為“狀態(tài)0”。

7) 頻率量輸入： 頻率量輸入模件能接受0～1 MHz頻率范圍的信號(hào)采集。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

在電氣實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)多功能監(jiān)控柜進(jìn)行性能檢測(cè),主要進(jìn)行模擬量、開(kāi)關(guān)量、頻率實(shí)驗(yàn)和帶電動(dòng)機(jī)、加熱器、報(bào)警器負(fù)載實(shí)驗(yàn)。

1) 模擬量輸入實(shí)驗(yàn)。監(jiān)控柜通電，利用信號(hào)源在模擬量輸入接口處加4～20 mA電流，對(duì)于二線制壓力、液位、可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)，4 mA對(duì)應(yīng)壓力、液位體積分?jǐn)?shù)的最小值，20 mA則對(duì)應(yīng)最大值。

2) 開(kāi)關(guān)數(shù)字量輸入實(shí)驗(yàn)。監(jiān)控柜通電，利用直流電源在開(kāi)關(guān)數(shù)字量輸入端口加5 V和0 V電壓，對(duì)于無(wú)源觸點(diǎn)浮球液位控制器、頂裝式浮子液位計(jì)，5 V為高電平,觸摸屏顯示為“1”， 0 V為低電平，觸摸屏顯示為“0”。

3) 頻率輸入實(shí)驗(yàn)。監(jiān)控柜通電，利用頻率信號(hào)發(fā)生器在頻率輸入端口加0～1 MHz信號(hào)，對(duì)于流量累加儀，頻率信號(hào)發(fā)生器輸入多少個(gè)脈沖，觸摸屏就顯示多少個(gè)數(shù)。

4) 帶電動(dòng)機(jī)、加熱器負(fù)載實(shí)驗(yàn)。在控制電動(dòng)機(jī)接線端子上連接10 kW電動(dòng)機(jī),實(shí)驗(yàn)?zāi)芊窨煽繉?shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行。在控制加熱器接線端子上連接6 kW電加器，實(shí)驗(yàn)?zāi)芊窨煽繉?shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)加熱。

5) 報(bào)警器負(fù)載實(shí)驗(yàn)。達(dá)到已設(shè)定的壓力、液位、時(shí)間、次數(shù)、位移值時(shí)，能可靠報(bào)警和提示，說(shuō)明報(bào)警電路和報(bào)警器完好。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2013年以來(lái)，多功能監(jiān)控柜在長(zhǎng)慶油田分公司各采油廠，地礦部華北局定邊、鹽池采油作業(yè)區(qū)，延長(zhǎng)油田股份有限公司吳起采油廠、靖邊采油廠等單位進(jìn)行了推廣應(yīng)用，共計(jì) 60多套。多功能監(jiān)控柜在三大油田的應(yīng)用贏得了良好的口碑，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了油田站場(chǎng)多功能監(jiān)控柜及其組成、主要功能。

1) 該監(jiān)控柜能實(shí)現(xiàn)油田站場(chǎng)壓力、溫度、液位、流量、可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、記錄、累積，能按設(shè)定的溫度給收球筒加熱，按要求控制電磁閥、電動(dòng)閥的動(dòng)作，按液位高低控制泄油泵和注水泵的動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)各種罐池液位超限報(bào)警等。

2) 通過(guò)RS-485接口和串口服務(wù)器、RJ-45接口直接與PC機(jī)連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。將分布于不同地點(diǎn)的不同參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控，上網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸動(dòng)態(tài)參數(shù)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的分析監(jiān)控和處理，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田奠定了基礎(chǔ)。

3) 提高了自動(dòng)化程度，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也減少了可燃?xì)怏w爆炸和有毒氣體中毒等不安全因素，確保了油田站場(chǎng)安全運(yùn)行。

4) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該多功能監(jiān)控柜綜合性能穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，改變了以往操作步驟繁瑣、效率低、數(shù)據(jù)處理可靠性差的弊端，滿足了現(xiàn)場(chǎng)要求，深受現(xiàn)場(chǎng)操作人員的歡迎，為油田正?；a(chǎn)提供了可靠的監(jiān)控設(shè)備。

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