張旭芬 淄博職業(yè)學院

基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)

張旭芬 淄博職業(yè)學院

PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。對于油田計量的具體工作來說，系統(tǒng)會根據預先設定好的順序進行自動地循環(huán)、計算和控制，也可以人為地中斷機器的工作并進行適時調整。計量的控制主要分為自動、指定、停止3個過程。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作成本，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術更具有可持續(xù)發(fā)展性，測量精度也得到進一步的提升，提高了油田各項指標資料的準確性。

PLC；油田自動化；計量系統(tǒng)；總線技術

產量計量是油田生產中很重要的一個環(huán)節(jié)，PLC控制技術在新型的油田自動化計量裝置系統(tǒng)中應用非常廣泛。為了解決油井生產過程中低產問題和間歇性出油的計量問題，使用S7200可編程控制器，通過構架不同的處理模塊（如警報處理、控制、檢測、切換等），最終完成各個油井的計量信息采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)對油井計量系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

1 關鍵支持技術

1.1 PLC技術簡述

PLC（Programmable Logic Controller）是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置[1]。它采用可以編制程序的存儲器，包括電源、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出接口電路、通信模塊和功能模塊等，主要用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。一旦投入使用，即可完成輸入采樣→用戶程序執(zhí)行→輸出刷新的過程周期，在運行期間，一般這樣的周期是重復執(zhí)行的。

1.2 在油田自動化計量中的應用

在硬件設計上，通過CPU224—XP和EM231模擬量擴展模塊的有機結合，可以組成必要的硬件系統(tǒng)，也就是工控機加PLC。設計使用8個模擬點輸出和12個開關點輸出，運用報警檢測、實時監(jiān)控、有效檢測、數(shù)據切換四個主要模塊進行工作。點擊進入Start模式后，油井的具體選井信號會通過多通閥反饋給PLC系統(tǒng)，計算機將記錄下液位開關處的液體位置數(shù)據，并且進行實時更新，一旦計量次數(shù)與原有設定的次數(shù)數(shù)值相吻合，就開始計算液量。同時為了保證安全生產，對于一些故障也有特殊說明：比如液體的位置高于某個警戒值時系統(tǒng)自動將切換到報警模塊，進行應急處理；或者系統(tǒng)突遇緊急停電，也會觸發(fā)報警設置，保護生產安全。

通過計量流程圖可以看出，PLC系統(tǒng)可以同時對溫度、壓強、液位等傳感器的具體數(shù)據進行實時監(jiān)測。通過PLC和工控機的信號交換，可以進行數(shù)據的傳輸并對儀器中液量進行計量。此外，PLC還可以實現(xiàn)對加熱源、加熱泵的控制，以自動化方式來維持箱內體液位和內部溫度。工控機主要負擔著計算的功能，結合采集到的相關數(shù)據，工控機根據設定的算法進行計算，得到高精度的油井累積產量值和順勢采集的流量值，這些都有利于工作人員實時掌握一線最新信息。

2 自動化計量系統(tǒng)設計

2.1 基本結構解析

圖1為PLC計量系統(tǒng)結構?？删幊炭刂破鱌LC主要選取的是OMRON下位機，這種PLC不僅性能穩(wěn)定可靠，并且抗干擾能力很強，易于做現(xiàn)場的維護和管理，具有很強的使用性。它的主要功能是控制、檢測溫度變化，感受壓力躍動幅度并對液位進行監(jiān)測，同時可以控制電動閥的狀態(tài)?，F(xiàn)場數(shù)據采集以及控制最終要與主機就是工控機相連接，利用TCP/IP協(xié)議和無線微波網絡進行數(shù)據連通，完成數(shù)據交換[2]。

對于油田計量的具體工作來說，系統(tǒng)會根據預先設定好的順序進行自動地循環(huán)、計算和控制，當然也可以人為地中斷機器的工作并進行適時調整。計量的控制主要分為自動、指定、停止3個過程。

圖1 PLC計量系統(tǒng)結構

自動計量就是初始化程序設定，在系統(tǒng)中輸入希望達成的數(shù)值，如單井的選擇和觸發(fā)的時間，一旦液體位置達到設定的液位數(shù)值時，就進行自動的倒閥門排液；若液體位置已經低于設定的最低限度值時，就停止自動排液。將此次排液過程的出油時間和出油口徑數(shù)值返回到中控機，進行數(shù)值的統(tǒng)計和測算，最終就可以獲得當日的油液產量。這種計算是快速且循環(huán)的，按照油井的編號，一旦一口井完成之后將會自動轉入下一個編號單位。

對于產量較低的井可以進行特殊標記，進行特殊計量，避免由于數(shù)值冗雜產生計算錯誤。

另外還可以隨時停止計量，一旦工作人員利用中控機發(fā)出停止命令的時候，一切計量過程可以被立即終止，此時若進行設備初始化，則一切設備處于待命狀態(tài)，可以隨時從頭開始。

2.2 具體計量算法

在這一套裝置中，主要的計量算法是利用傳感器拉力數(shù)值與料斗加原油重量總值的等量換算。假設一半的料斗在開始計量時，另一半的料斗處于空閑狀態(tài)，那么在前一半不斷積累容量的同時，平衡狀態(tài)也在發(fā)生改變[3]。兩個部分的料斗一旦發(fā)生翻轉，在翻轉的瞬間就可以讀出不同感壓器上的數(shù)值。這種測量值將會記錄在中控機上，與事先確定好的進行數(shù)值進行比較，排除掉料斗本身的重量，剩下的就是在前一部分料斗中剛剛累積的油量。同樣，另一部分的算法也如此。這兩部分的差值就是一次計量的重量。這種算法的優(yōu)勢在于對一些不可避免的誤差進行最大程度的回避，比如液體掛壁凝結的部分重量以及氣液混合部分不純凈的原油的重量，都進行了最大可能的誤差消除。只是在設定持續(xù)時間之內的單次承壓數(shù)值才會被相加，由此推斷出這段時間內的液油產量，這種疊加方式避免了重復計算帶來的誤差，進一步提高了計算的精度和準確度。

2.3 系統(tǒng)技術特點

相比老式的計量系統(tǒng)，基于PLC控制的油田自動化計量系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)勢：首先完成了長時間的自動計量，工作時限可達到24 h以上；其次是功能豐富，不再是單一的單井計量方式或者定次計量方式，排序計量和定時計量的誕生標志著工作方式的豐富；新增了計量指標，利用水和原油的密度差，可以計算出不同產油地的原油含水量；PLC有完善的報警機制，對于緊急停電或者機器故障、液壓過高等事故可以進行緊急報警，并將啟動相應的應急機制，保障安全生產；最重要的是系統(tǒng)設有冗余主站，一旦現(xiàn)在正在運行的主站發(fā)生了系統(tǒng)故障就可以馬上轉接冗余主站，隨時保證工作流程的暢通[4]?？傮w上看，新的PLC控制技術的加入減輕了以往的高強度人力勞動，提高了系統(tǒng)的自動化性能，不僅提高了工作效率，還減少了發(fā)生故障的可能性。事實證明，運用PLC控制的自動化油田計量系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有重要的推廣價值。

3 結語

新時期技術的革新為整個油田井下作業(yè)行業(yè)都帶來了新鮮的活力，對提高工作效率，降低工作成本都具有重要的意義。如今PLC在油田自動化計量系統(tǒng)中有著廣泛的應用，不僅能夠提高油田的自動化程度，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據采集和實時監(jiān)控，還能進行數(shù)據分析，進行操作預判和操作決斷。采用這種裝置不僅提高了作業(yè)的連續(xù)性，降低了工作成本，提高了作業(yè)效率，并且比以前的傳統(tǒng)技術更具有可持續(xù)發(fā)展性，測量精度也進一步得到了提升，大大提高了油田各項指標資料的準確性。

[1]張曉峰，陳勇殿，白友國，等．PLC在一種新型油井自動計量裝置上的應用[J]．自動化儀表，2006，27（2）：225-226.

[2]王順華，賈建民．油井氣液兩相流全自動計量技術[J]．沈陽工業(yè)大學學報，2010，32（4）：423-426.

[3]馬強．稱重式油井自控計量器研制與應用[J]．石油礦場機械，2010，39（2）：52-54.

[4]劉紅廣．PLC在污水泵站自動控制系統(tǒng)中的應用[J]．油氣田地面工程，2013，32（1）：72-73.

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.036