長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 王星光 吳凌云 程 南

1.前言

油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，伴有大量的凝析油。凝析油不可直接作為產(chǎn)品，需要進(jìn)一步處理得到穩(wěn)定的凝析油，才能作為工業(yè)原料[1]。對(duì)凝析油穩(wěn)定處理裝置的研究，特別是將電子技術(shù)應(yīng)用于凝析油穩(wěn)定裝置以實(shí)現(xiàn)裝置的智能化和高可靠性成為一種趨勢(shì)。本控制系統(tǒng)采用dsPIC6011A單片機(jī)作為MCU，選用了AD8629組成信號(hào)調(diào)理電路以調(diào)理采集到了標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，用Max531作為D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出控制信號(hào)，并采用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)控制變量的閉環(huán)控制，從而完成對(duì)凝析油處理工藝參數(shù)的檢測(cè)與控制，達(dá)到穩(wěn)定凝析油的目的。

2.實(shí)現(xiàn)功能和總體設(shè)計(jì)

2.1 凝析油處理工藝流程簡(jiǎn)介

圖1為凝析油處理工藝流程圖，壓力為31Bar的不穩(wěn)定凝析油先經(jīng)閥門(mén)減壓至8Bar，進(jìn)入氣液分離器S101分離易揮發(fā)氣體，冷凝析油自氣液分離器S101底部進(jìn)入塔前換熱器E101與來(lái)自穩(wěn)定塔C101底部的熱凝析油進(jìn)行熱交換升溫后進(jìn)入C101穩(wěn)定塔進(jìn)行簡(jiǎn)單蒸餾，易揮發(fā)氣體經(jīng)C101穩(wěn)定塔塔頂回收，熱凝析油經(jīng)C101穩(wěn)定塔底部去E101塔前換熱器冷卻至室溫，從而得到穩(wěn)定的凝析油。根據(jù)工藝要求，我們要控制4處參數(shù)，分別是氣液分離器頂氣體壓力、凝析油流量、穩(wěn)定塔液位和穩(wěn)定塔頂氣體壓力。

2.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以PIC30F6011A單片機(jī)和HMI人機(jī)界面為核心。由檢測(cè)、控制、顯示等3部分組成。檢測(cè)部分主要實(shí)現(xiàn)凝析油壓力、流量、溫度、液位和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位等信號(hào)的采集；控制部分主要通過(guò)輸出模擬信號(hào)以控制氣液分離器頂氣體壓力、凝析油流量、穩(wěn)定塔液位和穩(wěn)定塔頂氣體壓力等；顯示部分主要通過(guò)以太網(wǎng)接口上傳采集到數(shù)據(jù)到HMI顯示。

圖1 凝析油處理工藝流程圖

圖2 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

圖5 D/A轉(zhuǎn)換電路

圖6 以太網(wǎng)接口電路

圖7 下位機(jī)主程序流程圖

HMI人機(jī)界面作主機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器控制參數(shù)的設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警以及歷史趨勢(shì)曲線查詢(xún)；以PIC30F6011A為MCU的控制器作從機(jī)。PIC30F6011A是一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的C編譯器指令集，具有3線的SPI模塊和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率達(dá)200Ksps[2]。它能有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器等信號(hào)采集處理，并實(shí)現(xiàn)壓力、流量和液位穩(wěn)定在HMI設(shè)定的控制范圍內(nèi)，從而達(dá)到工藝設(shè)計(jì)的要求，得到穩(wěn)定的凝析油。測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖8 HMI上位機(jī)流程圖

控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于油田采氣站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，將變送器傳送回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)安全柵隔離，以確保系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。隔離后的信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大，得到標(biāo)準(zhǔn)的0～5V采樣信號(hào)，送入MCU進(jìn)行AD采樣和處理。用到的主要芯片是AD8629，它是一款零漂移、單電源、軌到軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，具有超低失調(diào)、漂移和偏置電流特性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖4為信號(hào)調(diào)理電路。

3.2 控制電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)的檢測(cè)值與給定值的差經(jīng)PID控制算法運(yùn)算，得到一個(gè)增加值，再將這個(gè)增加值與當(dāng)前的檢測(cè)值疊加，得到下一時(shí)刻的控制信號(hào)。這個(gè)控制信號(hào)作用于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到調(diào)節(jié)凝析油流量、液位及壓力的目的。采用MAX531作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，它具有功耗低、分辨率高和自帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)12位D/A轉(zhuǎn)換。MAX531的數(shù)字輸入端與dsPIC6011A的SPI串行總線連接，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，濾波、放大，輸出4-20mA電流信號(hào)經(jīng)安全柵隔離到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以達(dá)到控制壓力、流量和液位的目的。圖5為D/A轉(zhuǎn)換電路。

3.3 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

控制器與HMI通訊是通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，通訊協(xié)議為Modbus/Tcp協(xié)議。在設(shè)計(jì)方案中采用ENC28J60作為網(wǎng)卡芯片，它符合IEEE802.3的全部規(guī)范，采用了一系列包過(guò)濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制；提供了一個(gè)內(nèi)部DMA模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算；帶SPI接口以實(shí)現(xiàn)與MCU的通訊[3]。數(shù)據(jù)傳輸速率最高速度可達(dá)10Mb/s，支持全雙工和半雙工模式，完全滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的通訊要求。圖5為以太網(wǎng)接口電路。

4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

凝析油穩(wěn)定處理是天然氣開(kāi)采過(guò)程中的一個(gè)不可或缺的獨(dú)立的工藝流程，因此要求較完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)HMI程序設(shè)計(jì)。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分采用C語(yǔ)言編程，使用模塊化程序結(jié)構(gòu)，提高了軟件在修改調(diào)試中的效率，具備良好的擴(kuò)展性。下位機(jī)主程序流程圖如圖7。

HMI采用的是工業(yè)平板電腦，操作系統(tǒng)為Windows XP，上位機(jī)軟件采用Visual Basic 6.0編制，具有完善的檢測(cè)和調(diào)控功能，包括實(shí)時(shí)顯示工藝參數(shù)、報(bào)警、上下限報(bào)警值設(shè)定、控制參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)保存、歷史趨勢(shì)曲線和通訊故障實(shí)時(shí)報(bào)警等。HMI上位機(jī)流程圖如圖8。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，將自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用于油氣田凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)，并編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件。凝析油處理撬投產(chǎn)運(yùn)行表明，以dsPIC6011和HMI為核心的控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，達(dá)到了工藝設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定凝析油的目的。

[1]王勇.長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田凝析油穩(wěn)定工藝研究[J].石油與天然氣化工,第38卷.

[2]dsPIC30F6011A/6012A/6013A/6014A 16-BitDigital Signal Controllers Microch ip technology Inc,2006.

[3]帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器.Microchip technology Inc,2006.