石油平台水处理DCS系统功能实现与研究

发布时间：2009-09-24 来源:www.cechina.cn

        一、引言
        集散控制系统（DCS）是七十年代中期出现的，它是计算机（Computer）技术、控制（Control）技术、通讯（Communication）技术和CRT显示技术（简称四C技术）相结合的产物。它以微处理机为核心，把微机算机、工业控制机、数据通讯系统、显示操作装置、过程通道、模拟仪表等有机的结合起来，采用组合装式组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件，所以，以PLC为基础的集散控制系统已成为工业自动化系统的主流。在海洋平台石油生产中，由于海上作业条件艰苦、工作环境恶劣，且随着海上石油开采规模的不断扩大化，海上平台石油生产的生产与管理越来越迫切的要求能迅速、准确、全面的掌握生产设备的工作运行状况，因此集散控制在海上石油开采中得到了日趋广泛的应用。
        二、平台水处理DCS系统架构
        2.1平台水处理工艺
        海水经提升泵提升至粗滤器，滤去98%以上粒径大于100μm悬浮固体，再按比例加入混凝剂和絮凝剂，进入压力斜管沉降罐涡流中和反应区，靠涡流作用充分混合反应，使微小颗粒絮凝聚结成为较大颗粒，而非溶性化合物经过化学反应生成沉淀，再进入斜管沉降区进行重力分离，达到水质净化的目的。经沉降后的海水进入细滤器，海水中的悬浮物被细滤器的双介质滤层拦截，滤后海水排至超重力脱氧装置实现部分脱氧，从而降低海水中氧的含量。脱氧处理后的海水经U 型管进入一级气水分离器，分离出海水中携带的游离天然气并排放到放空火炬，再进入二级气水分离器分离出溶解在海水中的天然气，以保护注水罐免受天然气的冲击。经气水分离后的海水进注至注水罐，再经注水泵加压后通过海底注水管线分别输送到各井组平台，最终实现对注水井的注水。平台水处理的工艺流程如图1所示。

        图1 海上平台海水处理工艺流程图

        2.2平台水处理DCS系统架构
        针对水处理工艺的复杂性，采用基于三级复合型拓扑结构（总线/总线逻辑环/总线）的DCS系统架构，其高层为信息管理层，实现平台水处理监控数据的管理功能;其最低一层为远程I/O链路，实现现场控制功能;中间一层为DH+网，实现水处理各工艺过程的实时监控功能。其网络拓扑架构如图2所示。

        图2 DCS系统拓扑结构图

        监控计算机通过DH+网与具有微处理器的PLC、数据采集器等部件进行实时通信，对工控现场分散的数据进行存取和改变操作。监控计算机既能及时掌握整个水处理过程的全部状态，又可以直接给出各控制回路的设定值，并通过PLC直接向控制回路发送控制信号，并利用CRT显示技术动态显示整个水处理过程的各种画面，监视整个平台海水处理过程。管理计算机采用MS SQL Server2000关系型数据库来管理水处理工艺的数据信息。它通过Ethernet信息管理网从监控计算机获取水处理过程的所有在线信息，因此，除了直接在线控制外，还具有与监控计算机相同的监控功能。
        系统下位采用了A-B公司的SLC500可编程控制器组成的两套PLC扩展机架PLC1和PLC2，每套扩展机架均具有9块SLC500。其中PLC2用于细滤器反冲洗工艺的过程控制，其被控制量总数147个，PLC1则主要用于对注水工艺流程中海水提升、超重力脱氧、加药、U型管气水分离以及注水泵机组等子工艺流程的过程监控，被检测参数为温度、压力、液位、流量、海水浊度、海水含氧量以及调节阀的开度，共143个。
        三、平台水处理DCS系统功能实现
        3.1系统下位控制功能实现
        系统下位PLC对水处理现场的控制实现，采用了RSLinx500梯形图逻辑编程软件，设计实现对各设备以及过程装置（如限位开关、按钮、选择开关、压力开关等）的状态实时监视，根据监视到的状态进行逻辑判断，并准确地控制在设备上或流程中的输出装置（如电磁线圈、阀、信号器等），同时还实现了定时和计算功能。此外，在继电器指令、算术运算和逻辑运算指令的基础上，扩充了传送和转换指令、通讯指令以及模拟量输入指令和PID调节指令等，实现逻辑控制和顺序控制，并负责完成对工艺过程中连续量的采集，实现复杂控制算法运算，并输出给执行机构，实现精细调节。其实现的控制功能具体如下：
        1）海水提升：以压力斜管沉降罐的出口浊度为基准，控制压力斜管沉降罐的排泥次数以及缓蚀剂、混凝剂和絮凝剂的药剂投加量;以注水罐液位的设定值为标准，对海水提升泵实现变频调速控制，实现对海水提升泵供水量的控制：当注水罐液位低于设定值时，控制器向变频器输出提高转速的信号，变频器提高电机转速，增加海水提升泵的排量;反之，则降低海水提升泵的排量。其被监测参数有海水提升泵的出口压力、出口流量、出口浊度;粗滤器的滤后压力、滤后流量、滤后浊度;1#和2#压力斜管沉降罐的出口浊度。
        2）过滤反冲洗：以细滤器出口浊度为依据，控制细滤器的反冲洗次数以及反洗过程中反洗间隔、加水、过滤、排水、气冲洗、排气、水冲洗、静置以及排空工艺过程的时间间隔，并控制杀菌剂的药剂量。其被监测参数有：反冲洗罐液位、细滤器进口汇管压力、细滤器出口排液压力、仪表风压、反洗水压、细滤器滤后浊度。
        3）加药：以各加药罐的液位高低限位为基准，控制各加药撬块的加药启停状态。若某加药罐的液位低于低限设定值，系统自动启动加药撬块对该加药罐投加药剂溶液;当该加药罐的液位到达液位最高限时，系统自动停止加药撬块的加药动作。其被监测参数是：缓蚀1#、混凝2#、絮凝3#、杀菌4#、备用5#以及备用6#加药罐的液位和各加药泵的药剂排量。
        4）超重力脱氧：以二级气水分离器出口海水含氧量为基准，控制超重力脱氧机的进气量和进水量的比值（即气液比）。若海水含氧量过高，系统自动增加超重脱氧机的气液比。其被监测参数是超重力脱氧机的进气压力、进气流量、出气压力、进水压力、进水流量。
        5）U型管气水分离：对气水分离过程的中的U型管液位、一级气水分离器液位、一级气水分离器排气流量、一级气水分离器排气压力、二级气水分离器出口含氧量以及注水罐液位进行实时监、检测。
        6）注水泵机组：对注水泵机组采用变频调速控制。用交流变频调速器作为启动和调速装置，以PLC为控制核心，以满足注水井的注水压力和注水量为前提，对注水泵机组的转速和运转台数作自动调整，实现注水泵机组的自动运行。其被监测参数：注水泵进口流量、进口压力、出口压力;注水泵前轴瓦温度、注水泵后轴瓦温度;电机前轴瓦温度、电机后轴瓦温度、电机定子1#铂热电阻、电机定子2#铂热电阻、电机定子3#铂热电阻。
        3.2系统上位监控系统功能实现

        图3 石油平台水处理监控系统总界面

        上位监控系统采用RSView32组态软件按照水处理工艺流程开发而成，共分为六个监控子系统，系统主界面如图3所示。海水提升子系统负责监控3台海水提升泵、3个海水粗滤器和2个压力斜管沉降罐的相关参数和现场运作情况;过滤反冲洗子系统包括5个细滤器、一台鼓风机、一个反冲洗水罐和一台反冲洗水泵，负责整个反冲洗过程的自动控制以及状态参数的监测;超重力脱氧子系统对2台超重力脱氧机的使用与备用状态进行动态模拟显示，并同时监测相关参数;加药子系统监控各加药罐的液位与流量，并负责对每天使用的药剂量进行累加汇总;U型管气水分离监控子系统负责监控U型管液位以及气水分离器的气水分离情况;注水泵机组子系统监控各注水泵的使用与备用状态，并负责对注水泵各重要参数的实时监测。其功能实现具体如下：
        1）对水处理工艺的实时监控与动态模拟;通过实时采集和记录的系统数据信息，对水处理工艺中所有控制回路和检测点的各参数、状态、趋势等使用动态方式显示和模拟，实现对整个工控现场的实时动态模拟与全局监控。
        2）被监测数据的实时采集与存储：监控计算机与PLC之间的数据通信采用DH+工业局域网实现;被检测数据的实时采集，采用RSVIEW32的内部设置实现，且在RSView32的内部将前台数据扫描设置为1s，后台数据扫描设置为5s，并利用 ADO技术和SQL SERVER2000数据库管理技术对RSView32组态软件的功能扩展来实现对所采集数据的存储。即：首先在监控系统内部设置定时器1，其时钟周期为1秒，每秒向监测值存储数据库MonitValueDB存储一次所采集到的被检测参数的瞬时值。MonitValueDB数据库只存储30天的监测值，主要用于对水处理过程的历史趋势描绘若超过30天，则自动把最前一天的数据删除而将当前采集数据再存入。另，在监控系统内部创建EVENT事件，并设置定时器2，将其ENVENT启动时间定制为00:00，00:20，00:40，01:00，01:20，01:40，…， 23:00，23:20，23:40，。若定时器时间到，该EVENT事件立即启动，从MonitValueDB中获取将该EVENT事件发生前20分钟内系统所采集工控参数的瞬时值并求平均，作为该被检测参数的有效值，再将其全部存入平均值数据库AveValueDB，用于报表打印以及历史资料查询，以作为生产决策的依据。其被监测参数的实时采集与存储功能实现如图4所示。

        图4 被监测参数实时采集与存储示意图

        3）历史趋势描绘：根据监测值存储数据库MonitValueDB中的存储数据，对各被检测参数的历史数据进行动态展示，以历史曲线的形式动态描绘水处理工艺的历史运作过程。
        4）设备的启停操作与与备用状态判别：根据水处理系统的实际运作情况，对3台海水提升泵、2台超重力脱氧机和7台注水泵的启用与备用状态进行正确判别，并成功实现备用状态下的设备不发生报警。
        5）报警信息显示与处理：在监控系统的主界面和各子系统的子画面上均设有报警信息条，用于显示最近发生的报警信息，包括发出报警信息的标识（Tag）所代表的仪器仪表工位号、发生报警的日期与时间、报警时的瞬时值以及高低限位报警状态;利用报警汇总表，操作人员可随时查看、备份并打印输出。当有报警发生时，监控系统会根据报警的严重程度发出不同的提示声音，用以提醒工作人员进行定位查看与检修，实现定位故障排除。
        对系统显示的报警信息以及为水处理工艺的改进而考虑的报警限值的管理，也借助于RSView32的嵌入式语言VBA，以及ADO远程数据访问和数据库管理技术来扩展实现，其程序类似被检测数据的实时采集与周期性存储。报警信息以及报警限值存入用数据库为AlertingDB。
        6）数据管理与维护：以ADO技术、数据库管理技术和网络技术为技术支持，采用VB 6.0软件编制了工控信息管理系统，实现了对工控数据的添加、删除、修改、查询等数据管理与维护操作，实现了有条件操作下的日报表、月报表以及年报表的自动生成与打印。
        四、结论
        对海洋平台水处理工艺实行DCS自动化集散控制，成功实现了被监测参数的数据采集、远程传输以及过程控制，真正实现了无人值班作业，在很大程度上降低了工作人员的劳动强度，改善了工控现场的管理状况，有效避免了药剂浪费与设备损耗，提高了水处理效率，降低了生产成本。根据油田生产年鉴的数据统计对比显示，该DCS系统的使用可节约年生产成本190多万元，项目经济效益达470多万元。
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