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 張智芳

1  引言
聯(lián)合站是油田生產(chǎn)的一個重要部門，其主要作用是將開采的原油集中進行運輸、存儲。在此過程中，要對含水原油進行脫水處理。如圖1所示，基本的處理流程為：含油污水進入一次和二次沉降罐，在重力的作用下，經(jīng)過一段時間，污油、污水和油水混合液中的污泥自然分離。污油從大罐中上部的溢流口排出；污泥由罐底的四個定時開關(guān)的排泥閥排入污泥濃縮罐，由污泥濃縮泵打入過濾篩，濾去水分，壓縮成干泥運走。污水進入外輸緩沖罐準(zhǔn)備外輸。為保證水質(zhì)，在外輸前還要經(jīng)過精細(xì)過濾處理。另外，各罐都使用天然氣作密閉氣體，使得污水與氧氣分離，減少對罐體和管道的腐蝕。

圖1  生產(chǎn)工藝流程圖

油田各聯(lián)合站目前采用的污水處理系統(tǒng)大都設(shè)計的比較早，整套流程大部分依靠手工操作，勞動強度高。大罐液位還需定時上罐人工檢尺，效率低、危險性大。下面介紹的全站污水處理自控系統(tǒng)，可以較好地解決上述問題。
2  系統(tǒng)構(gòu)成
為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用兩級控制方案對整套污水處理流程進行監(jiān)控。上位機選用工業(yè)控制計算機（IPC），下位機選用GE公司的PLC，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)構(gòu)成框圖

上位機的作用主要是提供一個人機交互界面，使操作人員可以直觀的了解現(xiàn)場各工藝參數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令。另外還可以使用大容量存儲器記錄歷史數(shù)據(jù)，管理人員據(jù)此了解一段時間內(nèi)的生產(chǎn)狀況，為提高生產(chǎn)效率制定新的生產(chǎn)方案提供可靠的依據(jù)。為實現(xiàn)以上功能，組態(tài)軟件是最優(yōu)的選擇。這里使用的是目前國內(nèi)組態(tài)軟件市場占有量第一的“組態(tài)王”作為開發(fā)平臺，它集控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機界面技術(shù)、圖形技術(shù)于一身，包含動態(tài)顯示、報警、控件、趨勢、網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供了一個友好的用戶界面，只需編寫少量的代碼即可生成高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。
PLC以其體積小、功能多、可靠性高等優(yōu)點，在自控行業(yè)中得到了廣泛的使用。整套污水處理流程共有120多個監(jiān)控點，包括壓力、流量、溫度、液位、頻率、泵運行狀態(tài)等。各物理參數(shù)通過相應(yīng)的變送器得到4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，通過屏蔽電纜接至PLC 的AI或DI模塊。由于采用電流方式傳輸，因此傳輸距離遠(yuǎn)，而且具有較好的抗干擾能力。控制信號通過PLC的AO或DO模塊發(fā)出，控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)動作。由于現(xiàn)場有大量的油、氣，因此所有設(shè)備均采用防爆產(chǎn)品。
由于現(xiàn)場監(jiān)控點多，為降低成本，減輕維護工作量，在模塊選擇上應(yīng)注意以下幾點：① 模塊種類要盡量少，以減少備件，便于更換；② 單一模塊采樣點數(shù)要多，如選取的AI模塊最多可采集8點，DO模塊可輸出32點；③ 采樣精度要高，尤其是對流量的計量，關(guān)系到全站的日處理能力綜合評價。
操作人員通過上位機向PLC發(fā)出相應(yīng)的控制指令后，由PLC對現(xiàn)場進行直接控制，這種方案有效的降低了風(fēng)險。例如操作人員可在上位機修改定時排泥時間，發(fā)送給PLC后，由PLC進行控制，此時即便上位機出現(xiàn)故障（如死機、掉電等），也不會影響系統(tǒng)的正常運行。PLC及所有的接線端子放在一個機柜內(nèi)，與上位機的通訊采用RS485方式，這種方式傳輸距離遠(yuǎn)，可將上位機放置在另外一房間內(nèi)，大大改善工人的操作環(huán)境。
3  測控方案
3.1  排泥閥控制
現(xiàn)場使用的排泥閥為電動蝶閥，旁邊有1個控制柜，用3個按鈕控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，分別對應(yīng)閥門的開、關(guān)、停。3個按鈕的操作具有自鎖與互鎖功能。使用PLC的DO模塊控制3個小繼電器的動作，再把其觸點與3個按鈕開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)，達到遠(yuǎn)程控制的目的。為保證自控系統(tǒng)斷開時現(xiàn)場仍能手動操作，在使用小繼電器的觸點時，要注意常開、常閉的選擇。
3.2  連鎖停泵
當(dāng)罐內(nèi)液位較低時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，提醒操作人員注意檢查，如液位繼續(xù)降低，則自動發(fā)出連鎖停泵信號，停止外輸泵的運行。原外輸泵電機由一控制柜控制，工作電壓為380V，在PLC與控制柜之間增設(shè)一中間繼電器，其常閉觸點串聯(lián)在電機控制回路中，當(dāng)PLC發(fā)出停機信號后，電機控制回路斷電停機。為保證操作人員與設(shè)備的安全性，自控系統(tǒng)不設(shè)遠(yuǎn)程啟動功能，當(dāng)需要再次開啟外輸泵時，由操作人員手動控制。
3.3  泵運行狀態(tài)的檢測
由于泵需要定期維護，因此需要累計泵的運行時間，這就要求對泵的運行狀態(tài)進行檢測。檢測方法為從泵的控制回路的輔助觸點取信號，送入PLC的開關(guān)量測量模塊。為使現(xiàn)場與PLC完全隔離，中間需加輔助繼電器。
4  軟件設(shè)計
由于上位機監(jiān)控軟件采用組態(tài)王作為開發(fā)平臺，因此大大縮短了開發(fā)周期。在設(shè)計中，首先要把實時數(shù)據(jù)庫建好，它是整套監(jiān)控系統(tǒng)的核心，然后把各功能模塊進行恰當(dāng)?shù)慕M合。監(jiān)控系統(tǒng)的大部分功能都可由組態(tài)王直接完成，以下是在軟件設(shè)計中幾個比較典型的應(yīng)用。

圖3  實時監(jiān)控（總貌）圖

4.1  流量的累計
系統(tǒng)中共有6條水管線需要檢測流量，所配備的流量計輸出信號為瞬時流量，而站內(nèi)要求計量每天的污水處理總量。為實現(xiàn)此功能，在組態(tài)王的變量定義轉(zhuǎn)換方式中，提供直接累計和差值累計兩種計算方法，對流量的累計應(yīng)采用直接累計法（參見組態(tài)王使用說明）。為保證累計精度，采樣周期應(yīng)設(shè)置的盡量小。
4.2  實時監(jiān)視
整套系統(tǒng)共有6幅實時顯示畫面，包括系統(tǒng)總貌（如圖3所示）、沉降罐、外輸罐、反沖洗流程、外輸泵組、加藥流程。每個畫面均可實時顯示各工藝參數(shù)。為保證操作人員可一目了然的觀察全站運行狀況，在工藝流程畫面中，所有設(shè)備的放置與現(xiàn)場完全一致，罐體上用棒狀圖表示液位的高低，其它參數(shù)（如流量、壓力等）在相應(yīng)位置用數(shù)值表示。
組態(tài)王提供了實時趨勢曲線組件，它可以自動滾動。其中Ｘ軸為時間軸，可以設(shè)定時間顯示的格式、時間跨度和更新頻率等。Ｙ軸為數(shù)值軸，為使同一畫面顯示多條曲線，Y軸單位以百分?jǐn)?shù)表示，即以變量值與變量范圍的比值來表示。測量參數(shù)不在正常值范圍內(nèi)時，報警窗口顯示越限時間、變量名(對應(yīng)于溫度或液位)、當(dāng)前值及界限值等。當(dāng)新報警出現(xiàn)時，報警窗口自動滾動，窗口總是顯示最后出現(xiàn)的報警事件。畫面中的閥門和泵可手動操作改變其狀態(tài)。由組態(tài)王提供的功能，可為各個實時顯示的參數(shù)設(shè)置顏色，如高報為紅色，低報為黃色，正常值為綠色。
4.3  歷史記錄的存儲和查詢
在定義變量時，記錄可設(shè)定為不記錄、數(shù)據(jù)變化時記錄和定時記錄。要根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的設(shè)置，如流量變化較快，可選擇“定時記錄”；大罐液位變化較慢，可選擇“數(shù)據(jù)變化時記錄”，這樣有利于節(jié)省存儲空間。對于歷史數(shù)據(jù)的查詢，組態(tài)王提供了歷史趨勢曲線，該曲線的使用和實時趨勢曲線相似，但不能自動滾動，只能通過設(shè)定查詢的起始、終止時間來顯示曲線的走向。
4.4  報表的顯示和打印
報表有實時報表和歷史報表2種。實時報表的制作比較簡單，可用WORD創(chuàng)建報告的模板，然后借助組態(tài)王提供的相關(guān)函數(shù)，把當(dāng)前的參數(shù)值顯示于RichText控件中。歷史報表有日報、月報和年報，由于報表格式復(fù)雜，中間還有大量的公式計算，因此使用Excel電子表格，自行編寫程序從歷史數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)變量，添入表格。
5  系統(tǒng)功能
(1)  具有污水處理生產(chǎn)工況動態(tài)顯示功能。
(2)  各檢測參數(shù)均有實時及歷史趨勢顯示功能。
(3)  具有生產(chǎn)預(yù)警和狀態(tài)報警提示等功能，有效監(jiān)視生產(chǎn)運行狀態(tài)，可設(shè)置參數(shù)報警優(yōu)先級和報警上下限。
(4)  具有生產(chǎn)運行參數(shù)修改功能，對系統(tǒng)內(nèi)所有可變參數(shù)，如儀表量程、上下限報警值、控制器參數(shù)等均可根據(jù)調(diào)整需要加以修正。
(5)  具有生產(chǎn)運行參數(shù)報表打印功能，可隨時打印各種實時報表和歷史數(shù)據(jù)報表。
(6)  通過PID調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)污水加藥量的自動控制。
(7)  實時監(jiān)測各泵的運行狀態(tài)（啟、停、故障）。
(8)  一次、二次沉降罐定時收油，定時排泥。
(9)  液位高、低限報警連鎖停泵。
(10)  具有檢測信號的故障自診斷功能。
(11)  系統(tǒng)設(shè)置多級安全密碼，可有效的避免重要參數(shù)被隨意修改。
6  結(jié)語
綜上所述，系統(tǒng)采用組態(tài)王作為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了實時監(jiān)控、故障報警、歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢，報表的顯示和打印等功能，且用戶界面操作方便、易于學(xué)習(xí)，深受用戶好評。該系統(tǒng)具有較好的通用性、擴展性和可維護性，投入使用以來，運行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，大大降低了工人的勞動強度，提高了管理水平。