高寶元

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

目前，油田站場的監(jiān)控設備，通常是分散單一設置或簡單組合后形成監(jiān)控柜的形式，在對單井計量，收球筒溫度，外輸原油溫度、壓力、流量及密閉容器液位等進行監(jiān)測和控制時，存在功能不完善、擺放不標準、操作不方便、監(jiān)測參數(shù)不準確、顯示不集中以及不能進行網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)等弊端；對于可燃、有毒氣體以及污水池液位等的監(jiān)測也存在遺漏缺陷；另外，其顯示和報警功能有待完善和提高。

油田站場多功能監(jiān)控柜是對油田場站里的單井計量和分布式參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測和控制以及根據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)男枰岢龅男⌒椭悄芑刂葡到y(tǒng)。該人機系統(tǒng)使用嵌入式系統(tǒng)技術，采用真彩的人機界面加I/O數(shù)據(jù)采集模塊的方式。其結構本身就是1臺小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，生產(chǎn)過程的各種參數(shù)顯示、報警、操作只需1臺人機界面即可完成，改變了傳統(tǒng)多臺數(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。人機系統(tǒng)簡潔，操作簡單，維護量小，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)控柜硬件設計

1.1 柜體結構設計

柜體結構至少包括柜體前面上部分斜面顯示控制窗口，下部分可開閉的柜體前門；后面可開閉的柜體后門以及柜體底座上固定連接的接線板。顯示控制窗口人機界面觸摸屏支持現(xiàn)場各類信號儀表的接入，自動完成對溫度、壓力、液位、流量、油井計量、可燃氣體體積分數(shù)等生產(chǎn)過程參數(shù)的顯示控制，監(jiān)控數(shù)據(jù)還可設定超限報警。系統(tǒng)內(nèi)置人機界面集成軟件組態(tài)，系統(tǒng)設中文顯示和操作界面。

1.2 硬件設計

從現(xiàn)場傳感器采集來的數(shù)據(jù)有1～5 V，0～10 V電壓信號，4～20 mA電流信號，還有開關量，頻率等信號。通過輸入模塊進入監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的PLC進行處理后，一方面在人機界面進行顯示和控制，另一方面通過Modbus RS-485接口或RJ-45接口(滿足TCP/IP協(xié)議)遠傳至上位機實現(xiàn)監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

圖1 多功能監(jiān)控柜硬件結構示意

2 系統(tǒng)關鍵技術

該系統(tǒng)采用的關鍵技術如下。

2.1 功 能

該多功能監(jiān)控柜可替代傳統(tǒng)的儀表控制箱，當現(xiàn)場過程控制點發(fā)生變化時，該監(jiān)控柜只需修改組態(tài)軟件即可完成，從而提高了設備的利用率。

2.2 人機界面

該多功能監(jiān)控柜人機界面通過文本、數(shù)據(jù)、表格、圖形等多種組合形式，將生產(chǎn)裝置的運行狀態(tài)在真彩屏進行簡單明晰的顯示、報警；提供安全鎖功能，允許操作人員對系統(tǒng)組態(tài)進行調(diào)整、修改，對生產(chǎn)過程進行干預。

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)可準確完成對模擬量、數(shù)字量、脈沖量、開關量等信號的實時采集，對采集到的信號進行各種數(shù)學或邏輯運算處理，可達16位A/D轉換數(shù)據(jù)處理精度。提供多種數(shù)據(jù)管理手段，滿足用戶對數(shù)據(jù)的實時管理、歷史管理要求和對數(shù)據(jù)的儲存、調(diào)用要求。

2.4 自動控制功能

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、串級控制、多沖量控制等各種常規(guī)控制算法和先進控制算法，滿足現(xiàn)場對控制的各種要求。

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，支持國內(nèi)外各種儀表及通信。

2.6 網(wǎng)絡架構

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

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標準的監(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程網(wǎng)絡。

2.8 智能顯示屏

人機界面采用液晶觸摸顯示器，使用嵌入式技術、嵌入式操作系統(tǒng)WinCE和低功耗ARM結構的CPU，使用編程語言EVC，具備較快的運行速度。

1) 動畫功能設計。MCGS嵌入式組態(tài)軟件，支持上千種儀表設備的驅動，豐富的動畫功能，高亮度TFT真彩顯示屏，3D視覺效果。

2) 大存儲容量設計。使用64 M的閃存芯片，可以存儲上萬條的數(shù)據(jù)和報警信息，方便用戶隨時查詢與統(tǒng)計，為管理者提供更有效的決策，提供U盤數(shù)據(jù)導出功能。

3) 多通信接口設計。設備支持多個接口， 1個獨立串口，1個標準的以太網(wǎng)口，2個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

所有模件采用標準化、智能模塊化結構。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RS-485 通信網(wǎng)絡獨立提供智能信號調(diào)理、模擬量 I/O 和數(shù)字量 I/O。通信速率最高達38.4 kbit/s，通信距離達1.2 km。其特點如下：

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、熱電偶冷端補償、過程點質(zhì)量判斷及報警、工程單位換算等功能。

3) 輸入的變送器信號由不同的模件來處理。單個I/O模件的故障不會引起任何設備的故障或跳閘。

4) 8個模擬量輸入1個獨立的固態(tài)A/D轉換器，每1個模擬量輸出點對應1個單獨的D/A 轉換器，每一路信號輸入有單獨的橋路。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的轉換精度為16位。

5) 模擬量輸入： 接收1～5 V，0～10 V電壓信號，4～20 mA電流信號，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作為“狀態(tài)1”，斷開接點作為“狀態(tài)0”。

7) 頻率量輸入： 頻率量輸入模件能接受0～1 MHz頻率范圍的信號采集。

3 室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應用

3.1 室內(nèi)試驗

在電氣實驗室內(nèi)，利用模擬實驗裝置對多功能監(jiān)控柜進行性能檢測,主要進行模擬量、開關量、頻率實驗和帶電動機、加熱器、報警器負載實驗。

1) 模擬量輸入實驗。監(jiān)控柜通電，利用信號源在模擬量輸入接口處加4～20 mA電流，對于二線制壓力、液位、可燃氣體體積分數(shù)，4 mA對應壓力、液位體積分數(shù)的最小值，20 mA則對應最大值。

2) 開關數(shù)字量輸入實驗。監(jiān)控柜通電，利用直流電源在開關數(shù)字量輸入端口加5 V和0 V電壓，對于無源觸點浮球液位控制器、頂裝式浮子液位計，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) 頻率輸入實驗。監(jiān)控柜通電，利用頻率信號發(fā)生器在頻率輸入端口加0～1 MHz信號，對于流量累加儀，頻率信號發(fā)生器輸入多少個脈沖，觸摸屏就顯示多少個數(shù)。

4) 帶電動機、加熱器負載實驗。在控制電動機接線端子上連接10 kW電動機,實驗能否可靠實現(xiàn)自動和手動運行。在控制加熱器接線端子上連接6 kW電加器，實驗能否可靠實現(xiàn)自動和手動加熱。

5) 報警器負載實驗。達到已設定的壓力、液位、時間、次數(shù)、位移值時，能可靠報警和提示，說明報警電路和報警器完好。

3.2 現(xiàn)場應用

2013年以來，多功能監(jiān)控柜在長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)，延長油田股份有限公司吳起采油廠、靖邊采油廠等單位進行了推廣應用，共計 60多套。多功能監(jiān)控柜在三大油田的應用贏得了良好的口碑，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結束語

本文詳細介紹了油田站場多功能監(jiān)控柜及其組成、主要功能。

1) 該監(jiān)控柜能實現(xiàn)油田站場壓力、溫度、液位、流量、可燃氣體體積分數(shù)等動態(tài)數(shù)據(jù)顯示、記錄、累積，能按設定的溫度給收球筒加熱，按要求控制電磁閥、電動閥的動作，按液位高低控制泄油泵和注水泵的動作，并實現(xiàn)各種罐池液位超限報警等。

2) 通過RS-485接口和串口服務器、RJ-45接口直接與PC機連接，通過網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)。將分布于不同地點的不同參數(shù)進行集中監(jiān)控，上網(wǎng)遠程傳輸動態(tài)參數(shù)并進行監(jiān)測，方便了對現(xiàn)場信號的分析監(jiān)控和處理，為實現(xiàn)數(shù)字化油田奠定了基礎。

3) 提高了自動化程度，降低了人員勞動強度，同時也減少了可燃氣體爆炸和有毒氣體中毒等不安全因素，確保了油田站場安全運行。

4) 現(xiàn)場應用表明，該多功能監(jiān)控柜綜合性能穩(wěn)定可靠、操作簡單，各項性能指標均達到設計要求，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)場要求，深受現(xiàn)場操作人員的歡迎，為油田正?；a(chǎn)提供了可靠的監(jiān)控設備。

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