摘要：自動化技術(shù)可以提高計量準確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時性，為優(yōu)化生產(chǎn)運行、核算經(jīng)濟效益、強化生產(chǎn)調(diào)度和有效監(jiān)控生產(chǎn)過程，進一步降低泵站工業(yè)噪聲污染，改善職工工作條件，減輕勞動強度，避免職業(yè)傷害，延長設備使用壽命以及企業(yè)節(jié)能降耗工作起到積極作用。本文系統(tǒng)地介紹了MCS集散控制系統(tǒng)的組成、工作原理、技術(shù)指標、功能特點以及在油田注水系統(tǒng)中的現(xiàn)場應用情況等。

　　主題詞 集散控制 注水系統(tǒng) 自動化 可編程控制器 應用 系統(tǒng)效率 節(jié)能

　　孤東油田年產(chǎn)原油273萬噸，天然氣4940余萬立方米，總含油面積達75平方公里。目前共有注水站9座，其中離心泵注水站6座，柱塞泵注水站3座，安裝著DF200-150，DF300-150×9，DF350-150×9，DF400-150×9，159ZS，5D-WS59/25，3DS-28/26等七種型號的注水泵，裝機容量為67480 kW，設計供水能力為19.08×104m3/d。多年來，該油田各注水站一直采用人工錄取數(shù)據(jù)資料和設備巡檢制度，各注水泵機組及其輔助設備未能做到運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，設備預知性修保能力差，對機組的振動、效率、泵的噪音未能開展檢測和有效控制，由此造成注水泵站系統(tǒng)效率不高，能耗大，故障率高，信息反饋速度慢等問題。為此，我們于2000年引進應用了MCS集散控制系統(tǒng)于各注水站，為油田提高注水系統(tǒng)效率和自動化水平起到了良好的促進作用。

　　1 系統(tǒng)運行環(huán)境

　　1.1工控機

　　硬件：

　　（1）硬盤lGB以上；（2）內(nèi)存16MB以上；（3）主機P166以上；（4）顯示器選用大屏幕觸摸式顯示屏；（5）打印機一臺（24針寬帶打印機）。

　　軟件：

　　系統(tǒng)運行環(huán)境為中文Window NT 4.0；開發(fā)應用軟件采用MCS系統(tǒng)工控組態(tài)軟件。

　　1.2網(wǎng)絡服務器

　　硬件:（1）P166MHZ以上CPU；（2）32MB以上內(nèi)存。

　　軟件：系統(tǒng)運行環(huán)境為中文Window NT 4.0+Service PACk 4.0或更高版本、IE 4.01或更高版本；應用軟件采用SQL Server 7.0、 IIS 4.0和Excel 2000。

　　2 工作原理

　　2.1 基本原理

　　該系統(tǒng)通過智能傳感器組對現(xiàn)場各注水泵機組的壓力、溫度、流量、電流、電壓、用電量、振動量、水位、油位、噪聲等物理量進行自動監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果由一根數(shù)據(jù)總線傳輸給可編程控制器PLC，經(jīng)可編程控制器數(shù)據(jù)計算以及注水站生產(chǎn)系統(tǒng)運行優(yōu)化處理后，第一路送至變頻器組去控制各泵出口電動閥門，通過電機的無級調(diào)速來控制各泵的排量；第二路送至監(jiān)控系統(tǒng)（工控機），操作、顯示各泵及整個站系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并將測試結(jié)果存入磁盤，打印輸出班報、日報、月報、年報及效率分析表等；第三路送至異常處理（保護、報警）系統(tǒng)，確保注水站各部分的正常安全運行；最后一路是數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡服務器，實現(xiàn)各注水站系統(tǒng)的網(wǎng)絡化管理和遠距離調(diào)控操作。根據(jù)有關監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出泵干壓差、泵效、單耗、各機組單臺系統(tǒng)效率及整個注水站的平均系統(tǒng)效率等參數(shù)。同時根據(jù)注水站生產(chǎn)運行優(yōu)化參數(shù)需要，若遇超限參數(shù)，則發(fā)出聲光報警和操作提示信號。該系統(tǒng)通過對各注水泵出口電動閥的自動調(diào)節(jié)，使各注水泵處于安全、高效工作區(qū)內(nèi)運行。

　　2.2 現(xiàn)場各物理量監(jiān)測

　　（1）壓力和液位檢測。采用意大利的TSK霍爾壓力傳感器將現(xiàn)場各壓力（液位）信號轉(zhuǎn)換成4～20mA標準模擬信號輸入至PLC，由PLC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算實際的壓力（液位）值，存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。

　　（2）溫度檢測。采用美國的DS1820溫度傳感器，將各點溫度信號按地址編碼由一根數(shù)據(jù)總線通過集線器直接與PLC通訊，將各溫度值存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。

　　（3）流量檢測。選用具有485通訊接口的電磁流量計，將瞬時流量和累計流量采用讀取儀表內(nèi)存的方法，經(jīng)485通訊接口直接送入PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。

　　（4）用電量檢測。選用具有485通訊接口的智能電能表，將電機用電量采用讀取儀表內(nèi)存的方法，經(jīng)485通訊接口直接送入PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。

　　（5）電壓、電流的檢測。通過安裝在強電柜中的變送器將各電量信號轉(zhuǎn)換成4－20mA標準模擬信號給PLC，經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。

　　（6）振動量和噪聲的檢測。通過安裝在泵房中的震動傳感器和噪聲檢測器將檢測信號轉(zhuǎn)換成4－20mA標準模擬信號給PLC，經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由程序?qū)崟r調(diào)用。

　　2.3閥門控制

　　經(jīng)過上述現(xiàn)場各物理量的監(jiān)測和計算，得出各機組的電流、單耗和效率，根據(jù)其各系統(tǒng)運行期望值的要求，PLC的調(diào)控控制程序通過實時控制變頻調(diào)速器的運行頻率和正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對機泵電動閥門自動調(diào)控，并將調(diào)控結(jié)果反饋給PLC，使注水泵始終處于安全、高效的運行狀態(tài)；同時有效實現(xiàn)閥門電機在啟動和運行過程中的過電流和過電壓保護。

　　2.4提示操作

　　通過對泵出口壓力與注水管網(wǎng)干線壓力的檢測，計算出泵干壓差。當系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化調(diào)控措施后泵干壓差仍超出上限時，微機屏幕發(fā)出“申請減泵”提示；反之則發(fā)出“申請加泵”提示；當單臺機組系統(tǒng)效率低于下限時，發(fā)出“申請換泵”提示；每次提示操作均同時發(fā)出聲光報警信號。

　　2.5保護及報警

　　當注水系統(tǒng)運行出現(xiàn)突發(fā)性故障和嚴重超出調(diào)控值時，系統(tǒng)能及時發(fā)出聲光報警，并給予提示，以及自動緊急跳閘斷電停機保護等措施，同時工控機能自動彈出報警窗口，顯示報警畫面。在沒有操作人員按下報警應答指令前，無論是否執(zhí)行停機命令，系統(tǒng)一直保持報警提示狀態(tài)，確保注水系統(tǒng)在高效安全狀態(tài)下運行。

　　2.6網(wǎng)絡操作

　　通過一臺網(wǎng)絡服務器將各注水站工業(yè)現(xiàn)場的集散控制系統(tǒng)與企業(yè)的局域網(wǎng)有效地連接起來，實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理。各客戶端通過聯(lián)網(wǎng)操作，可查看各泵站的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史報表和曲線、動態(tài)實時畫面、數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)、報警信息，以及可遠距離實現(xiàn)機泵啟停、調(diào)控參數(shù)設置、保護參數(shù)設置和緊急故障處理等。

　　3 系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標

　　3.1 系統(tǒng)組成

圖1為系統(tǒng)組成信號流程框圖。

　　3.2主要技術(shù)指標

　　（l）各種傳感器的測量準確度，±1.0％；

　　（2）A／D變換分辨率，12位；

　　（3） 工控機及控制柜工作電壓：220（1±0.1）V；

　　（4）閥門控制器工作電壓：380（1±0.1）V；

　　（5） 5000 m3儲水罐液位控制在5－11m之間；

　　（6）注水泵前、后軸瓦溫度控制在70℃以下；

　　（7） 電機前、后軸瓦溫度控制在70℃以下；

　　（8）2000kW電機定子溫度控制在110℃以下；

　　（9） 注水泵冷卻水管線壓力控制在0.15MPa以下；

　　（10）注水泵和電機軸瓦前、后的潤滑油壓力控制在0.06－0.13MPa之間，壓力低于0.05MPa時，啟動備用油泵；

　　（11）注水泵、電機的前后軸瓦處的振動量控制在0.5mm以下；

　　（12）注水站單臺泵效達到78％以上；

　　（13）循環(huán)水池液位控制在0.4m以上；

　　（14）微機自動啟泵（包括加載）時間小于8秒；微機自動停泵（包括卸載）時間小于10秒；

　　（15）當注水系統(tǒng)發(fā)生故障時，微機發(fā)出自動停機保護、報警、故障顯示并記錄時間小于10秒；

　　（16）泵的出口壓力波動量控制在±0.1MPa之內(nèi)；

　　（17）泵房噪聲控制在95dB以下；

　　（18）網(wǎng)絡通訊傳輸速率10Mbps。

　　4 系統(tǒng)的功能與特點

　　4.1 功能

　　（1）具有泵站工藝現(xiàn)場工況流程圖、每臺機組運行狀態(tài)模擬圖、儲水罐液位模擬圖、設備潤滑流程圖、設備冷卻流程圖等動態(tài)顯示，動態(tài)測量控制數(shù)據(jù)的功能。

　　（2）具有網(wǎng)絡通訊功能。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠距離調(diào)控操作，查看各注水站每臺泵的運行狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、設置調(diào)控參數(shù)和保護參數(shù)，以及緊急故障處理等。

　　（3）具有巡視功能。能循環(huán)顯示各個顯示窗口，包括注水泵圖、電機圖、泵效趨勢圖、數(shù)據(jù)表和各種報表等

　　（4）具有顯示并打印輸出設備報警及停機參數(shù)、各機組運行參數(shù)、歷史資料、特性曲線和數(shù)據(jù)分析報表等。既能定時編制打印各種生產(chǎn)報表，又能根據(jù)生產(chǎn)需要隨時打印某一時刻某臺機組的監(jiān)測資料。

　　（5）自動采集處理數(shù)據(jù)，對監(jiān)測處理的數(shù)據(jù)資料具有記憶、再顯和遠傳功能。

　　（6）系統(tǒng)具有三種啟停泵操作方式。即現(xiàn)場手動操作方式、微機啟停操作方式和網(wǎng)絡客戶端的遠距離啟停操作方式，滿足了企業(yè)集成化管理和安全生產(chǎn)的要求。

　　4.2 特點

　　（1）采用大屏幕觸摸式顯示屏，操作簡單、省時、方便。

　　（2）采用直觀的彩色圖形顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)和報警，界面美觀，具有良好的人機界面接口。

　　（3）系統(tǒng)運行安全可靠。在遇到全站停電等故障狀態(tài)時，具有自行關閉和保護報警功能，并提示現(xiàn)場值班人員采取應急措施，有效確保注水系統(tǒng)的安全正常生產(chǎn)。網(wǎng)絡操作采用分層認證方式，擁有完整的安全保障機制，充分保證運行設備和信息系統(tǒng)的安全可靠性。

　　（4）監(jiān)控實時性好，自動化程度高。采用變頻調(diào)速器進行系統(tǒng)調(diào)控，控制效果好，實現(xiàn)了電動閥開閉度的無級閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采集及時準確，能根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測情況自動優(yōu)化設備運行狀態(tài)，及時提出修改或調(diào)整運行參數(shù)的指令要求。

　　（5）具有良好的抗干擾能力。由于注水泵機組均為6 kV的大功率高壓交流電機，現(xiàn)場電信號干擾較大，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟、硬件上采取了多種防干擾措施。

　　5 現(xiàn)場應用效果

　　本系統(tǒng)于2001年5月在孤東油田投入運行。經(jīng)過二年多時間的現(xiàn)場運行，實踐證明該系統(tǒng)性能優(yōu)越，可靠性好，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。它的應用，既提高了注水泵站的現(xiàn)代化管理水平，減緩了機泵的磨損，延長了設備的使用壽命，使設備的預知性修保能力大大增強；同時還進一步改進了職工的生產(chǎn)工作條件，降低了油田大型泵站的工業(yè)噪聲污染，減輕了職工的勞動強度，提高了油田注水站的系統(tǒng)效率和自動化水平，達到了平穩(wěn)注水，節(jié)能降耗的目的。