朱冬銀, 吳海浩, 李 楷

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室管道儲(chǔ)運(yùn)工藝實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

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油田集輸系統(tǒng)仿真模型教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

朱冬銀, 吳海浩, 李 楷

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室管道儲(chǔ)運(yùn)工藝實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

針對(duì)油氣集輸課程教學(xué)中知識(shí)雜亂零散特點(diǎn)，依據(jù)油田聯(lián)合站的主要工作流程開(kāi)發(fā)出油田集輸系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，并嵌入動(dòng)態(tài)演示、文字描述及多媒體文件對(duì)油氣集輸系統(tǒng)主要流程進(jìn)行知識(shí)講解和演示模擬, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣液分離，原油處理，氣體處理和污水處理等過(guò)程的演示模擬。同時(shí)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)手動(dòng)操作過(guò)程，在學(xué)習(xí)之后自主完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。并利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，用PLC作為樞紐將演示軟件與實(shí)驗(yàn)室實(shí)體模型相連接，以實(shí)現(xiàn)控制該模型。該軟件已應(yīng)用在中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)實(shí)驗(yàn)室中，收到良好的教學(xué)效果。

油田聯(lián)合站; 仿真系統(tǒng); 教學(xué); 組態(tài)軟件

0 引 言

在學(xué)校的日常教學(xué)中，對(duì)于一些和生產(chǎn)實(shí)際相關(guān)的課程，受制于學(xué)校的教學(xué)條件，學(xué)生往往很難接觸到實(shí)際的生產(chǎn)裝置。而在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程的相關(guān)課程中，油氣集輸相關(guān)知識(shí)的教授是其中不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-4]。然而，由于該課程所涉及的知識(shí)散亂而復(fù)雜，單靠老師在課堂上的文字講解往往會(huì)令學(xué)生感到乏味、難以理解而厭學(xué)。近年來(lái)，仿真教學(xué)作為一種新穎的手段，越來(lái)越受到重視和認(rèn)可[5-8]。同樣，在油氣集輸?shù)慕虒W(xué)過(guò)程中，采用仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以從很大程度上解決上述問(wèn)題[9]。為把油氣田聯(lián)合站各種日常作業(yè)的操作過(guò)程與原理更為直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，本文將在調(diào)研目前國(guó)內(nèi)聯(lián)合站的工藝流程和業(yè)務(wù)操作過(guò)程[10-12]的基礎(chǔ)上，利用組態(tài)軟件“三維力控”開(kāi)發(fā)出一套油田聯(lián)合站模擬操作系統(tǒng)，對(duì)一般油田聯(lián)合站的功能和主要設(shè)備設(shè)施的日常操作過(guò)程及原理進(jìn)行介紹和分析。這種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)在于，可以將生產(chǎn)實(shí)際搬到課堂、實(shí)驗(yàn)室中，直觀、全面地進(jìn)行講解，最大限度地使相關(guān)的教學(xué)貼近現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)，這種軟件還可以通過(guò)PLC編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)體模型的控制，讓學(xué)生自行在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制，從而更加具體、全面地掌握油氣田地面集輸?shù)南嚓P(guān)流程和技術(shù)，這種功能即便是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)中也無(wú)法完成的。

1 仿真模擬系統(tǒng)與實(shí)際的結(jié)合

油氣集輸工程是將分散的油井產(chǎn)物，分別測(cè)得各單井的原油、天然氣和采出水的產(chǎn)量值后，匯集、處理成出礦原油、天然氣、液化石油氣及天然汽油，而后輸送給用戶的的油田生產(chǎn)過(guò)程[13]，如圖1所示。這樣的生產(chǎn)中包含了油井計(jì)量，油氣分離。原油脫水、穩(wěn)定，油氣輸送等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的原理與操作工序都很復(fù)雜[14]。如此復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于未去過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)非常抽象、枯燥，故教學(xué)組在實(shí)驗(yàn)室建立了生產(chǎn)處理裝置模型，配以本系統(tǒng)作為上位機(jī)為模型下達(dá)指令；在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)增加了豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容，配以專為本領(lǐng)域制作的音視頻、動(dòng)畫(huà)文字等，令本系統(tǒng)還可單獨(dú)作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件使用，為學(xué)生打造邊操作邊學(xué)習(xí)、思考的學(xué)習(xí)模式。

圖1 油田聯(lián)合站工作內(nèi)容

2 仿真模擬軟件的開(kāi)發(fā)思路及過(guò)程

2.1 簡(jiǎn) 介

針對(duì)油田聯(lián)合站復(fù)雜的工作流程的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用力控組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。力控是一種監(jiān)控組態(tài)軟件，使用該軟件的用戶可以方便、快速地構(gòu)造出不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)以模仿真實(shí)的裝置。它還可置入多種多媒體文件，開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)很適合教學(xué)使用。

2.2 開(kāi)發(fā)過(guò)程

本軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程總體可以概括為：界面圖形開(kāi)發(fā)—文字、圖片、動(dòng)畫(huà)的制作和收集—嵌入多媒體文件—構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)—編寫(xiě)腳本—運(yùn)行和調(diào)試。

(1) 界面圖形開(kāi)發(fā)。利用力控的DRAW界面畫(huà)出聯(lián)合站的流量計(jì)、分離器、泵、罐等相關(guān)設(shè)備的模擬圖，細(xì)到各種管線閥門(mén)設(shè)備，用不同顏色與設(shè)備類型，使抽象復(fù)雜的流程直觀地展現(xiàn)出來(lái)，并對(duì)照流程圖設(shè)定相應(yīng)的流程及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合站的集油、計(jì)量、分離、處理、儲(chǔ)存、輸送等功能。

(2) 文字、圖片、動(dòng)畫(huà)的制作和收集。做出模擬流程后，完善各個(gè)流程原理、設(shè)備原理等的文字說(shuō)明，整理好各種知識(shí)講解內(nèi)容，針對(duì)每個(gè)流程所涉及的重要設(shè)備，制作或收集一些形象直觀的文字、圖片、動(dòng)畫(huà)等文件，對(duì)其特點(diǎn)、原理、操作等進(jìn)行展示和說(shuō)明。

(3) 多媒體文件的嵌入。利用力控軟件所提供的控件嵌入多媒體文件，將設(shè)備、管件相對(duì)應(yīng)的知識(shí)講文件有機(jī)鏈接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)軟件的逐級(jí)點(diǎn)擊查看以及展示講解功能。

添加動(dòng)畫(huà)時(shí)，需要在力控提供的復(fù)合組件中添加Flash播放器，在播放器屬性設(shè)置中填寫(xiě)該動(dòng)畫(huà)的URL地址即可實(shí)現(xiàn)嵌入動(dòng)畫(huà)。

(4) 建立數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。它在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了所有用戶可以使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。人機(jī)界面程序View運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)(此處為實(shí)驗(yàn)室裝置)的狀況要以數(shù)據(jù)的形式在畫(huà)面中顯示，View中所有動(dòng)態(tài)表現(xiàn)手段，如數(shù)值顯示、閃爍、變色等都與這些數(shù)據(jù)相關(guān)。生產(chǎn)運(yùn)行狀況將實(shí)時(shí)地反映在變量的數(shù)值中[15]。數(shù)據(jù)庫(kù)變量與數(shù)據(jù)庫(kù)DB中的點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，完成數(shù)據(jù)的交互。

力控提供多種變量，包括數(shù)據(jù)庫(kù)變量、中間變量、間接變量、窗口中間變量等。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸原理圖

在此系統(tǒng)中，管線的流動(dòng)屬性(閃爍模擬)利用時(shí)間變量t控制，設(shè)置當(dāng)t>56時(shí)，該綠色管線開(kāi)始呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)；此代碼直接寫(xiě)入管線的屬性中，如圖3所示。

圖3 管線的時(shí)間變量定義過(guò)程

例如在污水處理流程中，當(dāng)?shù)诙两倒?圖名稱為“二沉”)的液位沒(méi)有達(dá)到最高時(shí)，罐后閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)液位達(dá)到最高時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)；打開(kāi)閥門(mén)后看到罐內(nèi)液位恢復(fù)正常，此罐液位利用數(shù)據(jù)庫(kù)變量lev的PV值來(lái)控制。

其他變量的建立原理類似以上變量。

(5) 編寫(xiě)腳本。建好變量后，便可編寫(xiě)腳本語(yǔ)言來(lái)完成對(duì)界面上數(shù)據(jù)的處理和控制[16]，進(jìn)行圖形化監(jiān)控。動(dòng)作腳本是一種基于對(duì)象和事件的編程語(yǔ)言，語(yǔ)法采用類BASIC的結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)內(nèi)的變量組織起來(lái)，每段腳本都是與某一個(gè)對(duì)象或觸發(fā)事件緊密關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)一般需要窗口腳本、應(yīng)用程序腳本、鍵腳本和條件腳本等。

例如沉降罐中，編制該罐液位的腳本為：

IF t>5 THEN

lev2.pv=lev2.pv+10;

IF lev2.pv==90 THEN

lev2.pv=70;

ENDIF

ENDIF

以上代碼寫(xiě)在應(yīng)用程序動(dòng)作代碼中，首先設(shè)定進(jìn)入程序時(shí)時(shí)間變量t=0，lev2.pv=0;程序啟動(dòng)后，時(shí)間變量t從0開(kāi)始遞增，設(shè)定1 s為1周期，1周期t遞增1。當(dāng)t>5時(shí)罐液位值開(kāi)始上升。當(dāng)液位值lev.pv>90時(shí)，罐后閥門(mén)打開(kāi)；閥打開(kāi)后罐液位回落。

(6) 運(yùn)行和調(diào)試。完成以上5個(gè)步驟后，即可運(yùn)行調(diào)試。在開(kāi)發(fā)狀態(tài)直接點(diǎn)擊“文件/進(jìn)入運(yùn)行”命令，可直接進(jìn)入程序運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)試過(guò)程中如力控會(huì)檢查出腳本錯(cuò)誤，可隨時(shí)停止運(yùn)行改正問(wèn)題。

2.3 軟件界面

學(xué)生可在進(jìn)入系統(tǒng)后選擇演示型或操作型。

3 軟件的應(yīng)用

3.1 功能演示

本系統(tǒng)利用了力控組態(tài)軟件提供的豐富的工藝設(shè)備模擬驅(qū)動(dòng)，因而可以模擬演示工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。其演示功能可讓學(xué)生觀察到整個(gè)工藝流程的運(yùn)作，如管道流動(dòng)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，使得工藝設(shè)備變“活”；系統(tǒng)還利用嵌入的文字、動(dòng)畫(huà)等形式對(duì)每一主要流程、設(shè)備原理、教學(xué)重、難點(diǎn)等進(jìn)行介紹說(shuō)明，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將零散的“點(diǎn)”知識(shí)串接成“線”(即流程、子流程)；把“線”繪成面(即整個(gè)站場(chǎng))，這種“點(diǎn)—線—面”的方式可有效地把油氣集輸工程復(fù)雜而零散的知識(shí)串接起來(lái)，在學(xué)生心中形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，加深記憶。

進(jìn)入演示型后，軟件會(huì)出現(xiàn)如圖4所示界面。

圖4 進(jìn)入演示型界面學(xué)習(xí)

進(jìn)入演示學(xué)習(xí)，選擇站場(chǎng)的任一區(qū)域進(jìn)行學(xué)習(xí)。此處選擇以氣液分離流程界面為例，進(jìn)入后如下圖，點(diǎn)擊界面上“氣液分離流程”這六個(gè)字，則會(huì)出現(xiàn)覆蓋式窗口“本站流程說(shuō)明”，如圖5所示。其他幾個(gè)界面操作類似?！傲鞒陶f(shuō)明”介紹了站內(nèi)流程概述、流程工作原理，點(diǎn)擊“返回上一級(jí)”按鈕即可回到該流程界面。以下將簡(jiǎn)單介紹界面的三個(gè)控件功能：

圖5 氣液分離流程說(shuō)明

控件1 按“開(kāi)始工作”即啟動(dòng)畫(huà)面開(kāi)始工作。這時(shí)可以看到右下角處采油區(qū)的三個(gè)采油機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，管道呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)。

控件2 按下“暫停/繼續(xù)”鍵后，全部設(shè)備都停止運(yùn)轉(zhuǎn)，管道停止流動(dòng)，這里可以保持在暫停之前所進(jìn)行的狀態(tài)，當(dāng)再次按此鍵時(shí)，全部設(shè)備繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

控件3 按下“工作停止”鍵后，畫(huà)面變?yōu)槌跏紶顟B(tài)。

控件4 返回上一級(jí)即返回到“聯(lián)合站系統(tǒng)圖”界面。

在頁(yè)面上點(diǎn)擊其他工作設(shè)備，只要鼠標(biāo)變成“小手”形狀，均可點(diǎn)擊進(jìn)入其他窗口界面。這些界面是介紹所點(diǎn)擊的設(shè)備的工作原理界面。例如：點(diǎn)擊圖6中的三合一罐，即可看到進(jìn)入三合一罐原理頁(yè)面，此頁(yè)面介紹了三合一罐的原理，點(diǎn)擊動(dòng)畫(huà)即可動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)三合一罐，形象生動(dòng)。

圖6 三合一罐原理介紹界面

3.2 實(shí)際操作

相對(duì)于演示功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠讓用戶自主開(kāi)關(guān)設(shè)備，從而控制設(shè)備、管線的運(yùn)轉(zhuǎn)。在用戶全部手動(dòng)完成后，會(huì)出現(xiàn)“恭喜×××，您完成了××流程”的界面，意味著用戶已經(jīng)對(duì)該流程有了整體的了解。下面以油氣集輸中的原油處理流程為例，圖7中的閥門(mén)等設(shè)備需要學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)手動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉，操作流程中沒(méi)有過(guò)多的文字、動(dòng)畫(huà)等介紹性內(nèi)容，其目的是為檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，加深對(duì)該流程的理解。

圖7 原油處理演示型界面

比較圖7所示的演示型界面和圖8中的操作型界面可以看到，兩者界面大體相同，但操作型界面沒(méi)有演示型左上方的三個(gè)控件，操作型界面需要用戶自己開(kāi)啟設(shè)備。用戶應(yīng)先觀看演示型界面的工作流程和設(shè)備啟動(dòng)順序，當(dāng)認(rèn)為自己可以自行開(kāi)關(guān)設(shè)備后，即可在操作型界面自行開(kāi)啟設(shè)備。

圖8 原油處理流程操作型界面

本軟件著力于學(xué)生對(duì)油氣集輸這門(mén)課程流程的理解和設(shè)備原理的認(rèn)識(shí)，所以不要求學(xué)生像操作工一樣學(xué)習(xí)如何開(kāi)關(guān)泵、閥門(mén)等詳細(xì)知識(shí)，只需知道這些設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)即可。紅色代表關(guān)閉狀態(tài)，綠色為開(kāi)啟狀態(tài)。用戶點(diǎn)擊紅色閥門(mén)即可改變閥門(mén)顏色，開(kāi)啟閥門(mén)。泵的開(kāi)啟方法如下：先開(kāi)啟泵的入口閥門(mén)，然后點(diǎn)擊泵身，使得泵由紅色變?yōu)榫G色即視為泵開(kāi)始運(yùn)行。然后再開(kāi)啟泵的出口閥門(mén)，則起泵操作完成。

(1) 如果用戶沒(méi)有按流程開(kāi)設(shè)備，則軟件會(huì)提示應(yīng)該先進(jìn)行哪一步。例如，如果用戶在沒(méi)有開(kāi)啟游離水罐的情況下就開(kāi)啟了游離水罐的出口閥門(mén)，則系統(tǒng)會(huì)彈出警示對(duì)話框：“此罐還沒(méi)有來(lái)液！”

(2) 操作型界面的右下角都有一個(gè)“完成”控件，如果用戶走完全部流程，則點(diǎn)擊“完成”按鈕，則會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)恭喜你完成學(xué)習(xí)的界面。

(3) 如果用戶不按流程走完整個(gè)界面，則不能出現(xiàn)此“恭喜”界面。此“恭喜”界面作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的實(shí)驗(yàn)結(jié)論的一部分，可用于實(shí)驗(yàn)課老師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況打分。

3.3 模型控制

軟件可以控制中國(guó)石油大學(xué)(北京)油田地面生產(chǎn)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合站立體模型，模型上的設(shè)備模具真實(shí)地模仿真實(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)，并可模擬出設(shè)備的工作狀態(tài)。以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，以PLC(可編程控制器) 作為下位機(jī)，PLC的輸出與模型相連。通過(guò)計(jì)算機(jī)向PLC下達(dá)操作指令，PLC 將操作指令轉(zhuǎn)換成執(zhí)行信號(hào)送到模型上顯示，操作產(chǎn)生的參數(shù)變化過(guò)程由計(jì)算機(jī)的模擬程序?qū)崿F(xiàn)，從而讓學(xué)生感受由計(jì)算機(jī)控制的現(xiàn)代化生產(chǎn)運(yùn)行模式。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)模擬實(shí)際聯(lián)合站的工作狀況和運(yùn)行環(huán)境，使得軟件最大限度地符合聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，形象直觀地動(dòng)態(tài)演示、生動(dòng)的文字講解和多媒體文件能夠讓學(xué)生避免純理論演示講解的乏味，節(jié)省了購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的費(fèi)用，做到經(jīng)濟(jì)、省時(shí)。另一方面，可以作為仿真實(shí)驗(yàn)室控制模型使用，也可作為聯(lián)合站新員工的培訓(xùn)使用。

本系統(tǒng)使用方便，學(xué)生不僅可在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)，還可以拷貝本系統(tǒng)到自己的電腦上使用，以供隨時(shí)的課外預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等。從教學(xué)效果和上課時(shí)學(xué)生的反應(yīng)來(lái)看，學(xué)生表現(xiàn)出了更多的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，對(duì)設(shè)備、流程等的理解更為迅速。

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Instruction Software for Oil & Gas Gathering and Transferring System Simulation

ZHUDong-yin,WUHai-hao,LIKai

(Laboratory of Petroleum Pipeline Transportation Technology in National Engineerimg Laboratory forPipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

In this paper, a simulating software based on the main working process of Oilfield United- station was developed. Since traditional methods in the course of Oil &Gas Gathering and Transferring were failed to teach the fragmented knowledge efficiently. In the software, dynamic demonstration, text description and multi-media files were inserted to simulate the operation of Oilfield United-station such as gas-liquid separation process, oil process, gas process, sewage disposal process and so on. The software has function of manual operation and requires users to finish their experiment reports independently. Due to the teacher’s teaching, students would enhance the enthusiasm of independent learning. The software was further developed by configuration software. It was linked to the entity models in the laboratory through PLC and could control the model. The software was used in the Oil and Gas Gathering and Transferring Laboratory in China University of Petroleum Beijing, and has received a good teaching effect.

oilfield united-station; simulation system; teaching; configuration software

2014-06-12

朱冬銀(1989-)，女，滿族，河北昌黎人，碩士生，主要研究方向：油氣集輸技術(shù)。

Tel.:15101181725;E-mail:xiaozdy163@163.com

吳海浩(1972-)，男，浙江慈溪人，碩士，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的工作。

Tel.:13683270867;E-mail：cympf@cup.edu.cn

O 439；TP 319.9

A

1006-7167(2015)01-0092-05