论文-基于PLC控制的油田自动化计量系统设计

基于PLC控制的油田自动化计量系统设计1基于PLC控制的油田自动化计量系统设计摘要在分析了低产油井常用的玻璃管人工量液技术与装置中所存在的问题的基础上，介绍了如何将PLC用于一种新型的油井自动计量装置的设计思路和实施方案等。对于从站应用S7-200型可编程控制器，通过自动切换模块、检测模块、控制模块和报警处理模块，解决了油井生产过程中低产间歇出油情况下的计量问题，并用S7-300作为主站通过PROFIBUS-DP总线实时采集各个油井的计量信息并将这些信息经过工业以太网传给上位机，经过上位机的处理把相关信息在WinCC组态画面中显示出来。实现了对各个油井计量信息的实时监控，并在实际生产中获得了成功的试用。实现了油井计量自动化，提高了计量精度。关键词检测模块低产油井自动计量PROFIBUS总线技术工业以太网基于PLC控制的油田自动化计量系统设计21绪论1.1选题背景油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况、制定生产方案，具有重要的指导意义。目前国内各油田采用的计量方法多种多样，基本实现了自动计量。但油井计量结果差别很大，含水率变化从0到100%变化，油气比变化从不含气到气油比达到80%甚至更高，准确的计量油井产量一直是工程技术人员面临的一个难题。现场自动计量装置虽然形式各异，但很难有一种计量方式能够满足油田全部油井计量的需要，所以对各种计量形式进行对比，找出各种计量方式各自的适应性及适用范围，将为油田自动计量装置的现场使用提供可靠的技术保证。目前国内油田计量站普遍采用玻璃管人工量液，这种计量方式存在以下主要问题：（1）工作量大，效率低。（2）低产油井存在产液间歇现象，间歇时间长短不一．短时计量很难得出真实的产量。（3）油井产液含水率高，人工取样随机性很强，很难取准，无法得到真实、稳定、准确的含水率值。在某些油田，玻璃管人工量液的计量方法已使一些油区的产量计量误差达到20％的程度。尽管国内很多油田在油井计量方面做了大量研究，实现了油井自动计量。但仍存在以下问题：（1）由于采用单罐计量，不能真正实现24h连续计量。（2）所用检测液位仪表易发生挂料、卡死现象，造成电动阀误动作，计算结果不准确。（3）在线含水分析仪现场使用效果不理想。（4）分离器压油比较困难。基于PLC控制的油田自动化计量系统设计31.2国内外相关技术发展概述国外油田油井产量的计量自动化程度高，前端采用多通阀或三通阀自动选井，计量设备多采用卧式分离器或不分离式多相流量计计量。计量设备一次到位，后期改造很少，设备造价较高，很难直接引进。国外油田生产管理中对检测结果要求不高，油井产量稳定，测量周期长，与国内生产组织方式存在较大差别。一般是国内产品借鉴国外技术，改造后在现场应用，相比而言国内油井计量技术分类更加繁多。图1-1系统结构图国内油田油井自动化水平参差不齐，一个油田内部各采油厂之间从自动化实施程度和具体的技术应用差别较大，总体上讲还是向自动化水平逐步提高的方向发展，以不分离三相流量仪、两相分离撬装计量站、旋流分离质量流撬装设备以及功图量油为代表的各种量油技术在现场得到了一定成都的应用。作为生产配套技术，油井自动化实施水平主要取决于生产管理需求，但油井自动化计量技术的提高也能反过来优化工艺，比如近期大量实施的功图法量油，采用环形工艺，不再建设计量间。工程师站WinCC主站S7-3001号从站S7-2002号从站S7-2003号从站S7-2004号从站S7-200n号从站S7-2001号油井2号油井3号油井4号油井n号油井PROFIBUS-DP工业以太网基于PLC控制的油田自动化计量系统设计41.3系统设计概要本系统为油井的自动计量系统，它采用S7-200作为从站的核心控制器对单个油井的采油量信息进行实时采集，并将采集到的信息传给主站，经过主站的处理再传给上位机。通过WinCC组态画面将各个油井的计量信息实时显示出来。整个系统的结构图见图1-1.1.4系统设计思想对于每个从站，整个装置采用两个相同的分离器，高6000mm、直径400mm的分离器由调节阀分成缓冲室和量油室。量油室安装有上下位两个射频导纳液位控制器，水包上装有磁伸缩液位计。一个进油计量，一个压油(利用进油分离器分离出的气及自身高度)，实现连续生产和计量；利用连通器原理，根据油、水密度差间接计算含水，从而实现液量和含水的准确计量。当油水混合液的液位到达下位控制器探头时，计时器开始计时，记下磁伸缩液位计的液位L1；当混合液液位上升到上位控制器探头时，计时结束，记录时间T1，记下磁伸缩液位计的液位L2。上下位射频导纳液位控制器探头之间的距离为S，容积为标准计量容积Q，油水混合液从下位射频导纳液位控制器到上位射频导纳液位控制器的时间为T1，磁伸缩液位计计量的水的高度为L(L=L2-L1)。设：水的密度为X水；油水混合物的密度为X混合物；含水比率为P。则：g=gLS水混合物=(1)得：=L2L1S混合物水21=(2)QQQ水油(3)()+QPQ1PQ混合物混合物水油(4)基于PLC控制的油田自动化计量系统设计5((P混合物油水混合物水油)）(5)代入=L2L1S混合物水21(6)得()()()L2L1SPL2L1油水水油(7)两台分离器依次循环计量N次，最终得出产量N8640NQMT1T2T(8)含水比率NP1P2PPN(9)主站实时采集从站的计量信息，并将采集到信息传给上位机，通过上位机的处理在WinCC组态画面中将各个从站的信息显示出来。2硬件系统设计2.1从站PLC系统的硬件组成整个从站系统共有9点开关量输入，16点开关量输出，4点模拟量输人。选用S7-200型可编程控制器作为本系统控制的核心。由一块CPU226、一块EM235模拟量扩展模块、一块EM222数字量扩展模块。整个从站的硬件组成如图2-1所示：基于PLC控制的油田自动化计量系统设计6图2-1从站的硬件组成在从站系统中：自动切换模块用于手/自动计量方式的切换，系统操作方式分为2种：手动操作方式，自动操作方式。操作方式的设定由安装在电控柜面板上的“手动/自动”选择开关确定，触摸屏画面设计“本地/远程”选择开关确定参数选择方式。（1）手动控制方式手动控制方式通过触摸屏来完成，一般用于系统检修状态下的“单步操作”；阀件的阀位状态；特定功能的管路通路阀位选择，如回料、清洗、吹干管路等环节，可以遵守原有生产习惯选择手动进行；控制电机启停等。（2）自动控制方式自动方式能够保证设备自动、连续生产。自动化生产可以保证产品质量的稳定性，并且操作方便，可基本不需要人工干预。检测模块由温度传感器、压力传感器、液位传感器等构成，对计量装置的温度、压力、液位等进行实时检测；报警处理模块用于显示装置中报警的量及通过按钮对报警信息复位等；显示模块由TD200中文文本显示器构成，TD200显示产量、含水，可设定计量时间、计量次数和纯油密度等相关参数。从站控制器S7-200自动切换模块检测模块报警处理模块显示模块基于PLC控制的油田自动化计量系统设计72.2主站PLC的硬件组态2.2.1主站PLC的硬件组态过程双击桌面上的图标打开STEP7，单击FileNew，在Name一栏中输入工程名如“主站PLC硬件组态”，Storage一栏为存储路径，可自行改动如“G:\我的设计\plc设计”，点击OK按钮。在主站PLC硬件组态栏的空白处右击然后点击InsertNewObject选择SIMATIC300Station。双击然后双击进入硬件组态画面，我们先选择SIMATIC300中的机架RACK-300然后双击Rail进入。在1号机架中放入电源PS30710A，选中2号机架然后双击CPU315-2DP。点击New按钮进入PROFIBUSDP属性对话框，设置如图所示参数然后点击OK按钮，进入。其中新建DP网络的站地址为2，此地址可根据需要进行设置。点击OK按钮进入图2-1所示画面，然后根据系统设置进行其他设备的组态。基于PLC控制的油田自动化计量系统设计8图2-1组态信息2.3.2主站PLC组态图主站系统采用S7-300型可编程控制器作为控制系统的核心，由一块CPU315-2DP、一块电源PS30710A、一块DI16xDC24V、一块DO16xDC24V/0.5A、一块AI8x12Bit、一块AO2x12Bit和一块CP343-1构成，具体如图2-11所示：其中PS30710A为电源模块，它将AC120/230电压转换为DC24V电压，为主站控制器S7-300、输入/输出模块、执行器等供电；CPU315-2DP具有大中规模的程序容量和数据结构，对二进制和浮点数有较高的处理能力，有DP主站/从站接口或PROFINET接口，可以用于建立大规模的分布式I/O结构；CP343-1是用于S7-300的全双工以太网通信处理器，传输速率为10Mbit/s或100Mbit/s。CP343-1的15针D形插座用于连接工业以太网，允许AUI和双绞线接口之间的自动转换。RJ-45插座用于工业以太网的快速链接，可以使用电话线通过ISDN连接互联网。CP343-1在工业以太网上独立处理数据通信，有自己的处理器。通过它们S7-300可以与编程器、计算机、人机界面装置和其他S7和S5PLC进行通信。基于PLC控制的油田自动化计量系统设计9图2-2主站系统硬件组态图2.4整个系统硬件的上位机组态图由于石油为易燃易爆行业，对安全性的要求很高，故在设计系统时应考虑足够的冗余。在本系统中设置了S7-300冗余主站，通常情况下它处于非工作状态，只有当主站PLC处于故障状态时它才进入工作状态，从而提高了系统的可靠性。在整个系统中工程师站用于监控各个油井的计量信息并拥有对各个从站进行远程操控的权限。整个系统的硬件组态如图2-3：基于PLC控制的油田自动化计量系统设计10图2-3整个系统的硬件组态图3系统软件设计3.1从站的PLC控制程序设计从站系统的计量工艺流程为：首先将计量装置进行初始化并检测缓冲室内的压力是否达到500KP。若达到500KP则高气压井压油阀关闭，进油阀、隔离阀打开，根据连通器的原理知：计量室内的油面将和缓冲室内的油面相平。当计量室内的油面上升到下射频导纳液位控制器控制器时，记下油面的高度L1同时定时器开始计时,当计量室内的油面上升到上射频导纳液位控制器时，记下油面高度L2同时定时器停止工作,此时出油阀打开同时隔离阀关闭。当计量室内液面下降到下射频导纳液位控制器时延时20S关闭出油阀同时打开分离阀，如此进行循环计量。在计量室排油过程中如果缓冲室内的液面上升到上液位控制器时（一般未到出现这种情况时计量室内的油已排尽），缓冲室上液位控制器报警灯亮同时进油阀关闭，直至计量室内油排尽再次进入正常计量状态；如果缓冲室内的压力未达到500KP，则打开高气压井压油阀进行冲压直至达到500KP再关闭，然后进入正常计量状态。从站系统控制流程图见附录1。.基于PLC控制的油田自动化计量系统设计113.2主站PLC程序设计当主站PLC从WinCC接收到它的参数配置后，就开始同从站进行通信了。主站的参数配置包括参数化/组态数据，以及它所控制和联系的从站地址。主站PLC正是通过参数化/组态数据这两个报文识别属于它的从站的。本系统中主站PLC主要用来读取各个从站的数据信息，并将信息经工业以太网传给上位机。将上位机处理过的信息反馈给从站从而达到控制从站的目的，其中工业以太网实用的通信协议为TCP/IP。当从站系统有报警信息时，WinCC主画面中相应序号的从站报警指示灯开始闪烁，从而我们可以直观的观察各个从站的计量状况。其控制流程图见附录2。3.3系统的WinCC组态3.3.1WinCC软件的相关介绍及其使用WinCC组态软件是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了是用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦