三次采油调剖控制管理系统
日期：2008-8-8 1:01:25 来源：中国自动化网
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摘 要 重点介绍了可编程控制器（PLC）、变频器、工业计算机等在油田三次采油调剖控制管理系统中的应用。详细分析了该系统的工艺流程、控制方式、结构组成及软件实现等问题。该系统在中国大庆油田得到了具体应用。
关键词 可编程控制器 变频器 工业计算机 调剖
Abstract The application of programmable controller (PLC), transducer and industry Computer in Oil Field thrice Tiaopou control manage system is introduced emphatically. The article analyses systemic craftwork flow , control mode, construct constitute and software realization and so on. The system is applied in Daqing oil field of china.
Key words Programmable controller Transducer Industry Computer Tiaopou
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1.前言
在大庆油田三次采油过程中，地质结构相对复杂，油层含油量相对较低，而且石油分子附着力较强。为使石油分子能够很好的从岩隙中游离出来，将一定浓度的聚合物和交联剂进行混合，混合液被注入水稀释，稀释液作为催化剂与地下油层发生化学反应，实现石油分子与地质结构的游离，从而达到油田增产、稳产的目标，提高经济效益。在这一过程中必须严格控制聚合物、交联剂、注入水的控制参数，如：混合比例、温度、压力、流量等，并按生产状况适时进行精确的系统调节及控制。本系统就是针对三次采油严格的工艺流程而专门设计的。
2.调剖工艺流程
将来自高压清水间的高压清水送入调剖站减压装置，经减压阀减压后，自动调节阀按要求控制输入量，送入干粉投加装置；在投加装置上设定符合工艺要求的投加浓度，将高分子聚合物按控制要求调配成一定比例浓度的溶液；在熟化系统内进行聚合物母液浓度调配和熟化，按地质分析结果和工艺要求进行投加和温度调节；在出口处进行比例稀释；由控制计量泵输出满足工艺要求的交联剂量，与稀释液进行均匀混合，从而达到合理配注。
3.系统的控制方式和结构组成
3.1控制方式
控制方案采用的是一泵多井、一泵一井的综合控制。一泵多井的控制方法是根据井口地质要求注入压力的情况，将注入压力接近的油井由一个大功率注入泵进行打压，泵出口压力由变频器进行跟踪控制，每口井配注量通过采集对应注水阀组出口流量和调剖注聚出口流量，由PLC运算对流量调节阀进行PID控制；一泵一井的注入流量由PLC采集对应注水阀组出口流量和调剖注聚出口流量，由PLC进行PID参数调整，并由变频器进行变频控制。
3.2系统组成
本控制系统的结构框图如图1所示。其控制核心采用欧姆龙的SYSMAC CS1系列PLC，基本配置包括CPU板1块、数字量输入和输出板各2块、模拟量输入板6块和模拟量输出板2块。模拟量输入由温度传感器、液位传感器、流量变送器、压力变送器等提供；数字量输入由变频器状态信号、流量变送器超限节点、压力变送器超限节点和手动自动转换节点等提供；模拟量输出信号用来控制现场的变频器、自动调节阀、电动控制阀等执行机构；数字量输出信号用来控制远端报警电铃、手动/自动转换中间继电器和变频器起/停等。
电机控制器采用TOSHIBA系列变频器，其内部设有防干扰滤波器，从而使得变频器输出的干扰谐波大幅度降低。由新型的无传感器矢量控制得到了高精度控制、高转矩输出，以及灵活多变的可扩展性。它的滑差控制功能确保了最佳的负载效果，远程变量的设定功能可实现对生产线速度的微调整。
上位工控机和组态软件通过RS-485总线，实现了它与PLC和智能电磁流量计的通讯，实现了在线监测电磁流量计的累计流量，并完成了数据存储、数据分析和报表打印等功能。
素， 因此采用的都是质量较好的产品。其模拟量传输信号均采用 4～2 0 m A标准电流信号形式，以提高系统的抗干扰能力；各种压力变送器选用美国西特公司进口产品，其精度可达 1‰；温度和液位变送器采用的是北京埃希尔公司代理的进口产品；流量计采用的是浙江求精仪表厂生产的电磁流量计，性能稳定，精度高，输出信号光电隔离，便于和PLC连接，而且累计流量可通过RS-485上传；流量调节控制应该使用油田注聚专用的DJQ系列调节阀。
4.PLC的程序设计
SYSMAC CS1系列可编程控制器采用模块式结构，模块式控制器使用户在组成系统时具有更高灵活性，使其本身具有更强的数据处理能力和更多的Ｉ/Ｏ容量，从而可以设计和建立专门的控制器系统。模块单元可根据不同Ｉ/Ｏ点数增加和选择。输出、输入模块和存储器的精细分级，使其具备较强的配置适应力。CS1系列的编程软件为CX-Programmer，它运用梯形图语言来完成程序设计。梯形图语言是一种常用的PLC编程语言，它通过各级逻辑的组合来实现系统工艺要求，并根据生产工艺流程及操作规范来设计各部分联锁程序。编制程序时要注意：程序开始时需检测PLC是否在第一个扫描周期，之后才可以运行初始化程序，对PLC进行初始化设置，接着按编程顺序启动各设备。另外按现场要求，设备集中信号在联停或故障后，需人为处理后才可重新启动设备，以确保安全。
PLC对采集参数进行判断识别，滤除干扰和异常，并结合自身的PID软指令对输入流量信号进行PID运算，结果作为变频器或现场控制调节阀的输入信号，从而实现最佳流量的控制需求。
该系统中重要的程序段为数据控制指令PID（190）运算执行子程序：当执行条件为ON时，PID（190）按在C中设置的参数在两个自由度上对目标值执行PID控制，从输出字S的内容中得到指定输入范围的二进制数据，并根据设定的参数执行PID动作，计算结果以操作变量的形式存入输出字D。该输出字D作为变频器的调频外部给定模拟信号，控制所属泵电机的运行频率，该程序编写流程图如图2所示：
的有效输出数据位数，8到11位为设置的输入范围，指定16位以内的PV输入（S）的有效输入数据位数。
执行条件控制着PID（190）的执行，在C+9到C+38被初始化后，若下一个周期执行条件仍为ON则执行PID。若使用ON标志（A1）作为PID（190）的执行条件，在操作开始时要有一个单独的C+9到C+38的初始化过程。PID作用对有死区的控制对象也能进行优化控制，比例作用提供无振荡的平滑控制，积分作用校正偏移，微分作用加速干扰响应。
5.系统监视软件的设计
5.1参数监视主界面
监控软件主界面如图3所示。系统软件具有自动巡检、自动报警、多画面多参数屏幕显示、多变量寻优控制、设备运行状态故障诊断等功能。各种压力、温度、流量、液位、PLC、变频器、调节阀等设备的运行状态、故障语音报警、工艺流程图等均在显示器上显示，各工艺参数实时存储，任意时间段的各种工作参数可随时提取。自动打印日常生产报表，其内容包括每天的聚合物、水、交联剂用量、各井的药液注入量及注入压力、各井的水注入量及注入压力, 并可自动按日、月清零；在“历史故障”画面中，则自动记录了最近3 0天内发生过的300条故障报警记录。报警记录和采集数据即时值均可打印输出。
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关键词 可编程控制器 变频器 工业计算机 调剖
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Abstract The application of programmable controller (PLC), transducer and industry Computer in Oil Field thrice Tiaopou control manage system is introduced emphatically. The article analyses systemic craftwork flow , control mode, construct constitute and software realization and so on. The system is applied in Daqing oil field of china.
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1.前言
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
在大庆油田三次采油过程中，地质结构相对复杂，油层含油量相对较低，而且石油分子附着力较强。为使石油分子能够很好的从岩隙中游离出来，将一定浓度的聚合物和交联剂进行混合，混合液被注入水稀释，稀释液作为催化剂与地下油层发生化学反应，实现石油分子与地质结构的游离，从而达到油田增产、稳产的目标，提高经济效益。在这一过程中必须严格控制聚合物、交联剂、注入水的控制参数，如：混合比例、温度、压力、流量等，并按生产状况适时进行精确的系统调节及控制。本系统就是针对三次采油严格的工艺流程而专门设计的。
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2.调剖工艺流程
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将来自高压清水间的高压清水送入调剖站减压装置，经减压阀减压后，自动调节阀按要求控制输入量，送入干粉投加装置；在投加装置上设定符合工艺要求的投加浓度，将高分子聚合物按控制要求调配成一定比例浓度的溶液；在熟化系统内进行聚合物母液浓度调配和熟化，按地质分析结果和工艺要求进行投加和温度调节；在出口处进行比例稀释；由控制计量泵输出满足工艺要求的交联剂量，与稀释液进行均匀混合，从而达到合理配注。
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3.系统的控制方式和结构组成
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3.1控制方式
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控制方案采用的是一泵多井、一泵一井的综合控制。一泵多井的控制方法是根据井口地质要求注入压力的情况，将注入压力接近的油井由一个大功率注入泵进行打压，泵出口压力由变频器进行跟踪控制，每口井配注量通过采集对应注水阀组出口流量和调剖注聚出口流量，由PLC运算对流量调节阀进行PID控制；一泵一井的注入流量由PLC采集对应注水阀组出口流量和调剖注聚出口流量，由PLC进行PID参数调整，并由变频器进行变频控制。
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3.2系统组成
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本控制系统的结构框图如图1所示。其控制核心采用欧姆龙的SYSMAC CS1系列PLC，基本配置包括CPU板1块、数字量输入和输出板各2块、模拟量输入板6块和模拟量输出板2块。模拟量输入由温度传感器、液位传感器、流量变送器、压力变送器等提供；数字量输入由变频器状态信号、流量变送器超限节点、压力变送器超限节点和手动自动转换节点等提供；模拟量输出信号用来控制现场的变频器、自动调节阀、电动控制阀等执行机构；数字量输出信号用来控制远端报警电铃、手动/自动转换中间继电器和变频器起/停等。
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电机控制器采用TOSHIBA系列变频器，其内部设有防干扰滤波器，从而使得变频器输出的干扰谐波大幅度降低。由新型的无传感器矢量控制得到了高精度控制、高转矩输出，以及灵活多变的可扩展性。它的滑差控制功能确保了最佳的负载效果，远程变量的设定功能可实现对生产线速度的微调整。
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上位工控机和组态软件通过RS-485总线，实现了它与PLC和智能电磁流量计的通讯，实现了在线监测电磁流量计的累计流量，并完成了数据存储、数据分析和报表打印等功能。
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素， 因此采用的都是质量较好的产品。其模拟量传输信号均采用 4～2 0 m A标准电流信号形式，以提高系统的抗干扰能力；各种压力变送器选用美国西特公司进口产品，其精度可达 1‰；温度和液位变送器采用的是北京埃希尔公司代理的进口产品；流量计采用的是浙江求精仪表厂生产的电磁流量计，性能稳定，精度高，输出信号光电隔离，便于和PLC连接，而且累计流量可通过RS-485上传；流量调节控制应该使用油田注聚专用的DJQ系列调节阀。
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4.PLC的程序设计
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SYSMAC CS1系列可编程控制器采用模块式结构，模块式控制器使用户在组成系统时具有更高灵活性，使其本身具有更强的数据处理能力和更多的Ｉ/Ｏ容量，从而可以设计和建立专门的控制器系统。模块单元可根据不同Ｉ/Ｏ点数增加和选择。输出、输入模块和存储器的精细分级，使其具备较强的配置适应力。CS1系列的编程软件为CX-Programmer，它运用梯形图语言来完成程序设计。梯形图语言是一种常用的PLC编程语言，它通过各级逻辑的组合来实现系统工艺要求，并根据生产工艺流程及操作规范来设计各部分联锁程序。编制程序时要注意：程序开始时需检测PLC是否在第一个扫描周期，之后才可以运行初始化程序，对PLC进行初始化设置，接着按编程顺序启动各设备。另外按现场要求，设备集中信号在联停或故障后，需人为处理后才可重新启动设备，以确保安全。
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PLC对采集参数进行判断识别，滤除干扰和异常，并结合自身的PID软指令对输入流量信号进行PID运算，结果作为变频器或现场控制调节阀的输入信号，从而实现最佳流量的控制需求。
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该系统中重要的程序段为数据控制指令PID（190）运算执行子程序：当执行条件为ON时，PID（190）按在C中设置的参数在两个自由度上对目标值执行PID控制，从输出字S的内容中得到指定输入范围的二进制数据，并根据设定的参数执行PID动作，计算结果以操作变量的形式存入输出字D。该输出字D作为变频器的调频外部给定模拟信号，控制所属泵电机的运行频率，该程序编写流程图如图2所示：
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的有效输出数据位数，8到11位为设置的输入范围，指定16位以内的PV输入（S）的有效输入数据位数。
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执行条件控制着PID（190）的执行，在C+9到C+38被初始化后，若下一个周期执行条件仍为ON则执行PID。若使用ON标志（A1）作为PID（190）的执行条件，在操作开始时要有一个单独的C+9到C+38的初始化过程。PID作用对有死区的控制对象也能进行优化控制，比例作用提供无振荡的平滑控制，积分作用校正偏移，微分作用加速干扰响应。
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5.系统监视软件的设计
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5.1参数监视主界面
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监控软件主界面如图3所示。系统软件具有自动巡检、自动报警、多画面多参数屏幕显示、多变量寻优控制、设备运行状态故障诊断等功能。各种压力、温度、流量、液位、PLC、变频器、调节阀等设备的运行状态、故障语音报警、工艺流程图等均在显示器上显示，各工艺参数实时存储，任意时间段的各种工作参数可随时提取。自动打印日常生产报表，其内容包括每天的聚合物、水、交联剂用量、各井的药液注入量及注入压力、各井的水注入量及注入压力, 并可自动按日、月清零；在“历史故障”画面中，则自动记录了最近3 0天内发生过的300条故障报警记录。报警记录和采集数据即时值均可打印输出。
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