集散控制系统在油田注水中的应用
主题词 集散控制 注水系统 自动化 可编程控制器 应用 系统效率 节能
孤东油田年产原油273万吨，天然气4940余万立方米，总含油面积达75平方公里。目前共有注水站9座，其中离心泵注水站6座，柱塞泵注水站3座，安装着DF200-150，DF300-150×9，DF350-150×9，DF400-150×9，159ZS，5D-WS59/25，3DS-28/26等七种型号的注水泵，装机容量为67480 kW，设计供水能力为19.08×104m3/d。多年来，该油田各注水站一直采用人工录取数据资料和设备巡检制度，各注水泵机组及其辅助设备未能做到运行状态的实时监控，设备预知性修保能力差，对机组的振动、效率、泵的噪音未能开展检测和有效控制，由此造成注水泵站系统效率不高，能耗大，故障率高，信息反馈速度慢等问题。为此，我们于2000年引进应用了MCS集散控制系统于各注水站，为油田提高注水系统效率和自动化水平起到了良好的促进作用。
1 系统运行环境
1.1工控机
硬件：
（1）硬盘lGB以上；（2）内存16MB以上；（3）主机P166以上；（4）显示器选用大屏幕触摸式显示屏；（5）打印机一台（24针宽带打印机）。
软件：
系统运行环境为中文Window NT 4.0；开发应用软件采用MCS系统工控组态软件。
1.2网络服务器
硬件:（1）P166MHZ以上CPU；（2）32MB以上内存。
软件：系统运行环境为中文Window NT 4.0+Service PACk 4.0或更高版本、IE 4.01或更高版本；应用软件采用SQL Server 7.0、 IIS 4.0和Excel 2000。
2 工作原理
2.1 基本原理
该系统通过智能传感器组对现场各注水泵机组的压力、温度、流量、电流、电压、用电量、振动量、水位、油位、噪声等物理量进行自动监测，并将监测结果由一根数据总线传输给可编程控制器PLC，经可编程控制器数据计算以及注水站生产系统运行优化处理后，第一路送至变频器组去控制各泵出口电动阀门，通过电机的无级调速来控制各泵的排量；第二路送至监控系统（工控机），操作、显示各泵及整个站系统的运行状态，并将测试结果存入磁盘，打印输出班报、日报、月报、年报及效率分析表等；第三路送至异常处理（保护、报警）系统，确保注水站各部分的正常安全运行；最后一路是数据远传系统，通过网络服务器，实现各注水站系统的网络化管理和远距离调控操作。根据有关监测数据计算出泵干压差、泵效、单耗、各机组单台系统效率及整个注水站的平均系统效率等参数。同时根据注水站生产运行优化参数需要，若遇超限参数，则发出声光报警和操作提示信号。该系统通过对各注水泵出口电动阀的自动调节，使各注水泵处于安全、高效工作区内运行。
2.2 现场各物理量监测
（1）压力和液位检测。采用意大利的TSK霍尔压力传感器将现场各压力（液位）信号转换成4～20mA标准模拟信号输入至PLC，由PLC进行模数转换，计算实际的压力（液位）值，存入PLC中CPU数据存储区，由程序实时调用。
（2）温度检测。采用美国的DS1820温度传感器，将各点温度信号按地址编码由一根数据总线通过集线器直接与PLC通讯，将各温度值存入PLC中CPU数据存储区，由程序实时调用。
（3）流量检测。选用具有485通讯接口的电磁流量计，将瞬时流量和累计流量采用读取仪表内存的方法，经485通讯接口直接送入PLC数据存储区，由程序实时调用。
（4）用电量检测。选用具有485通讯接口的智能电能表，将电机用电量采用读取仪表内存的方法，经485通讯接口直接送入PLC数据存储区，由程序实时调用。
（5）电压、电流的检测。通过安装在强电柜中的变送器将各电量信号转换成4－20mA标准模拟信号给PLC，经PLC模数转换后存入数据存储区，由程序实时调用。
（6）振动量和噪声的检测。通过安装在泵房中的震动传感器和噪声检测器将检测信号转换成4－20mA标准模拟信号给PLC，经PLC模数转换后存入数据存储区，由程序实时调用。
2.3阀门控制
经过上述现场各物理量的监测和计算，得出各机组的电流、单耗和效率，根据其各系统运行期望值的要求，PLC的调控控制程序通过实时控制变频调速器的运行频率和正反转，实现对机泵电动阀门自动调控，并将调控结果反馈给PLC，使注水泵始终处于安全、高效的运行状态；同时有效实现阀门电机在启动和运行过程中的过电流和过电压保护。
2.4提示操作
通过对泵出口压力与注水管网干线压力的检测，计算出泵干压差。当系统经过优化调控措施后泵干压差仍超出上限时，微机屏幕发出“申请减泵”提示；反之则发出“申请加泵”提示；当单台机组系统效率低于下限时，发出“申请换泵”提示；每次提示操作均同时发出声光报警信号。
2.5保护及报警
当注水系统运行出现突发性故障和严重超出调控值时，系统能及时发出声光报警，并给予提示，以及自动紧急跳闸断电停机保护等措施，同时工控机能自动弹出报警窗口，显示报警画面。在没有操作人员按下报警应答指令前，无论是否执行停机命令，系统一直保持报警提示状态，确保注水系统在高效安全状态下运行。
2.6网络操作
通过一台网络服务器将各注水站工业现场的集散控制系统与企业的局域网有效地连接起来，实现网络化管理。各客户端通过联网操作，可查看各泵站的历史数据、实时数据、历史报表和曲线、动态实时画面、数据库中的原始数据、报警信息，以及可远距离实现机泵启停、调控参数设置、保护参数设置和紧急故障处理等。
3 系统组成及主要技术指标
3.1 系统组成
图1为系统组成信号流程框图。
3.2主要技术指标
（l）各种传感器的测量准确度，±1.0％；
（2）A／D变换分辨率，12位；
（3） 工控机及控制柜工作电压：220（1±0.1）V；
（4）阀门控制器工作电压：380（1±0.1）V；
（5） 5000 m3储水罐液位控制在5－11m之间；
（6）注水泵前、后轴瓦温度控制在70℃以下；
（7） 电机前、后轴瓦温度控制在70℃以下；
（8）2000kW电机定子温度控制在110℃以下；
（9） 注水泵冷却水管线压力控制在0.15MPa以下；
（10）注水泵和电机轴瓦前、后的润滑油压力控制在0.06－0.13MPa之间，压力低于0.05MPa时，启动备用油泵；
（11）注水泵、电机的前后轴瓦处的振动量控制在0.5mm以下；
（12）注水站单台泵效达到78％以上；
（13）循环水池液位控制在0.4m以上；
（14）微机自动启泵（包括加载）时间小于8秒；微机自动停泵（包括卸载）时间小于10秒；
（15）当注水系统发生故障时，微机发出自动停机保护、报警、故障显示并记录时间小于10秒；
（16）泵的出口压力波动量控制在±0.1MPa之内；
（17）泵房噪声控制在95dB以下；
（18）网络通讯传输速率10Mbps。
4 系统的功能与特点
4.1 功能
（1）具有泵站工艺现场工况流程图、每台机组运行状态模拟图、储水罐液位模拟图、设备润滑流程图、设备冷却流程图等动态显示，动态测量控制数据的功能。
（2）具有网络通讯功能。通过网络实现远距离调控操作，查看各注水站每台泵的运行状态、实时数据和历史数据、设置调控参数和保护参数，以及紧急故障处理等。
（3）具有巡视功能。能循环显示各个显示窗口，包括注水泵图、电机图、泵效趋势图、数据表和各种报表等
（4）具有显示并打印输出设备报警及停机参数、各机组运行参数、历史资料、特性曲线和数据分析报表等。既能定时编制打印各种生产报表，又能根据生产需要随时打印某一时刻某台机组的监测资料。
（5）自动采集处理数据，对监测处理的数据资料具有记忆、再显和远传功能。
（6）系统具有三种启停泵操作方式。即现场手动操作方式、微机启停操作方式和网络客户端的远距离启停操作方式，满足了企业集成化管理和安全生产的要求。
4.2 特点
（1）采用大屏幕触摸式显示屏，操作简单、省时、方便。
（2）采用直观的彩色图形显示监测数据、工作状态和报警，界面美观，具有良好的人机界面接口。
（3）系统运行安全可靠。在遇到全站停电等故障状态时，具有自行关闭和保护报警功能，并提示现场值班人员采取应急措施，有效确保注水系统的安全正常生产。网络操作采用分层认证方式，拥有完整的安全保障机制，充分保证运行设备和信息系统的安全可靠性。
（4）监控实时性好，自动化程度高。采用变频调速器进行系统调控，控制效果好，实现了电动阀开闭度的无级闭环控制。数据采集及时准确，能根据数据监测情况自动优化设备运行状态，及时提出修改或调整运行参数的指令要求。
（5）具有良好的抗干扰能力。由于注水泵机组均为6 kV的大功率高压交流电机，现场电信号干扰较大，为提高系统的抗干扰能力，在软、硬件上采取了多种防干扰措施。
5 现场应用效果
本系统于2001年5月在孤东油田投入运行。经过二年多时间的现场运行，实践证明该系统性能优越，可靠性好，具有显著的经济效益和社会效益。它的应用，既提高了注水泵站的现代化管理水平，减缓了机泵的磨损，延长了设备的使用寿命，使设备的预知性修保能力大大增强；同时还进一步改进了职工的生产工作条件，降低了油田大型泵站的工业噪声污染，减轻了职工的劳动强度，提高了油田注水站的系统效率和自动化水平，达到了平稳注水，节能降耗的目的。
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