［摘 要］隨著油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的開(kāi)展，開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)于提高操作人員的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技能十分必要。文章選取具有代表性的接轉(zhuǎn)站系統(tǒng)作為仿真對(duì)象，滿足流程模擬、操作功能模擬、事故處理模擬、操作評(píng)價(jià)等方面的需要，使用高性價(jià)比的小型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）搭建下位機(jī)系統(tǒng)，使用組態(tài)軟件通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)仿真功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，解決以往仿真系統(tǒng)存在的開(kāi)發(fā)費(fèi)用高、代碼不開(kāi)放、修改維護(hù)不便等問(wèn)題。

［關(guān)鍵詞］接轉(zhuǎn)站；物聯(lián)網(wǎng)；仿真系統(tǒng)；組態(tài)

0" " "引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)各油田正在對(duì)已建油氣站場(chǎng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造，操作人員從傳統(tǒng)的手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控［1］。操作方式的轉(zhuǎn)變帶來(lái)了如何讓操作人員盡快熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)，對(duì)操作人員進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)使用培訓(xùn)顯得十分必要。接轉(zhuǎn)站工藝流程在各油田中基本相同，接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用功能類型基本可以涵蓋其他類型站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能。為此，本文選取具有代表性的接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技能的仿真培訓(xùn)［1］。

1" " "仿真需求

接轉(zhuǎn)站作為油田集輸系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要完成進(jìn)站液氣液分離、加熱、外輸、摻輸?shù)裙ぷ鳌Ｍㄟ^(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，接轉(zhuǎn)站可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)采集、流程展示、報(bào)警、自動(dòng)控制、趨勢(shì)分析等功能。物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)如下需求。

1.1" "流程模擬

流程模擬是接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要應(yīng)用物料平衡方程、能量平衡方程、伯努利方程、理想氣體狀態(tài)方程建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性［2］。重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)如下模擬：進(jìn)站介質(zhì)含水、含氣、溫度、流量變化等的模擬，分離器、空冷凈化裝置等工藝設(shè)備液位、壓力、流量、溫度等變化的模擬，加熱爐、機(jī)泵、控制閥控制特性的模擬。

1.2" "操作功能模擬

接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用組態(tài)軟件作為上位機(jī)系統(tǒng)，使用PLC作為下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制，仿真系統(tǒng)需要使用與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相一致的上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)［3］，同時(shí)還需要配置與現(xiàn)場(chǎng)相似的手動(dòng)控制操作盤，用于模擬事故狀態(tài)下的手工操作。重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)一致的操作功能，主要包括報(bào)警信息的查看、報(bào)警參數(shù)的設(shè)置、趨勢(shì)組及趨勢(shì)分析功能的使用、機(jī)泵啟?？刂?、比例積分微分（Proportional，Integral，Differential;PID）控制的使用、自保連鎖控制的使用、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)日志查看等基礎(chǔ)功能［2］。

1.3" "事故處理模擬

事故處理是實(shí)際生產(chǎn)中操作人員的關(guān)鍵技能，通過(guò)事故處理模擬提高操作人員應(yīng)用參數(shù)報(bào)警和參數(shù)變化情況分析診斷事故和正確處理事故的能力。系統(tǒng)需要按照考核等級(jí)設(shè)置自動(dòng)加載相應(yīng)模擬事故［4］，主要包括PID手自動(dòng)切換、自保停機(jī)原因分析、加熱爐故障判斷、氣體報(bào)警處理、機(jī)泵偷停診斷、系統(tǒng)壓力控制、參數(shù)失效判斷、系統(tǒng)故障診斷、停電事故處理、泄漏事故判斷與處理等。

1.4" "操作評(píng)價(jià)

操作評(píng)價(jià)是客觀評(píng)價(jià)操作人員物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用能力的工具［5］。系統(tǒng)通過(guò)記錄操作人員的操作行為，與考核規(guī)則進(jìn)行符合性比較，定量形成操作人員操作水平評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。

2" " "接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以某接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為仿真對(duì)象，該站采用摻輸工藝，接收4座集油閥組間的來(lái)液，配置三相分離器2套（一開(kāi)一備）、空冷凈化器1套、摻輸水罐1套、加熱爐3臺(tái)、外輸泵2臺(tái)、摻輸泵3臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)配置PLC控制柜1套、操作站1套。該站采集參數(shù)63個(gè)，PID控制回路3個(gè)，遠(yuǎn)程遙控回路3個(gè)。

2.1" "硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，在滿足相似性要求的基礎(chǔ)上，盡量減少硬件設(shè)施的部署，追求小型化、便攜式，達(dá)到培訓(xùn)場(chǎng)所空間要求。接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體硬件配置如下：管理員站1套、操作員站1套、西門子S7-200 PLC 1套、小型交換機(jī)1套、模擬操作盤1套、小型變頻器1套、電動(dòng)執(zhí)行器1套。模擬操作盤用于模擬現(xiàn)場(chǎng)的各類操作按（旋）鈕，用于考查系統(tǒng)故障時(shí)操作人員的手工操作能力，同時(shí)利用PLC采集模擬操作盤的狀態(tài)變化，用于記錄評(píng)價(jià)操作人員的手工操作行為［3］。

2.2" "軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采取服務(wù)器/客戶端架構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。仿真軟件采用三維力控ForceCon V7.1網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)開(kāi)發(fā)，保持與現(xiàn)場(chǎng)使用的上位機(jī)系統(tǒng)組態(tài)軟件相一致［5］。ForceCon V7.1組態(tài)軟件作為一款服務(wù)器/客戶端架構(gòu)的組態(tài)開(kāi)發(fā)軟件，具有豐富的人機(jī)界面開(kāi)發(fā)功能、數(shù)據(jù)交互功能、輕量級(jí)的計(jì)算功能，該軟件的應(yīng)用程序動(dòng)作功能支持用戶使用編程語(yǔ)言（Visual Basic，VB）腳本開(kāi)發(fā)工藝計(jì)算功能，提供的ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象后臺(tái)組件支持組態(tài)環(huán)境與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。數(shù)據(jù)庫(kù)使用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，部署于服務(wù)器端（管理員站），用于存儲(chǔ)用戶管理、用戶行為記錄、考核項(xiàng)加載配置、操作評(píng)價(jià)打分等數(shù)據(jù)［4］。PLC下位機(jī)軟件使用西門子STEP7 MicroWIN V4.0 SP9開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)變頻器、電動(dòng)執(zhí)行器、模擬操作盤的參數(shù)采集和控制，包括PID控制程序、啟停控制程序等。

2.3" "系統(tǒng)功能框架

仿真系統(tǒng)軟件分為用戶管理、人機(jī)界面、過(guò)程模擬、考核項(xiàng)加載管理、操作評(píng)價(jià)管理5個(gè)功能模塊，具體分為31項(xiàng)子功能（見(jiàn)圖3）。用戶管理部分主要實(shí)現(xiàn)管理員賬戶和培訓(xùn)用戶的注冊(cè)、授權(quán)、注銷等使用權(quán)限的管理。人機(jī)界面部分主要采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，主要培訓(xùn)使用人員熟悉組態(tài)功能，包括流程調(diào)用、報(bào)警上下限設(shè)置、報(bào)警記錄查看、系統(tǒng)狀態(tài)查看、系統(tǒng)日志查詢、PID控制面板使用、趨勢(shì)曲線查看及趨勢(shì)組配置等。過(guò)程模擬功能是系統(tǒng)的核心功能，主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)站液量變化模擬、分離器液位變化模擬、摻輸水罐液位變化模擬、加熱爐運(yùn)行工況模擬、系統(tǒng)壓力平衡模擬、機(jī)泵及控制閥工況模擬等。加載考核部分主要實(shí)現(xiàn)各類典型考核項(xiàng)的加載管理。操作評(píng)價(jià)部分主要實(shí)現(xiàn)操作行為記錄、考核項(xiàng)行為比對(duì)、評(píng)分、成績(jī)管理等［5］。

3" " "接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)上位機(jī)軟件使用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，需要按照生產(chǎn)實(shí)際建立設(shè)備、采集點(diǎn)和仿真計(jì)算需要的中間變量，繪制流程圖和報(bào)警界面，基本工作內(nèi)容與常規(guī)組態(tài)基本一致。

3.1" "流程模擬的軟件實(shí)現(xiàn)

流程模擬部分主要完成以下內(nèi)容：①模擬計(jì)量間來(lái)液的流量、含油量、含水量、含氣量、來(lái)液溫度的隨機(jī)變化，建立摻輸水量和溫度與計(jì)量間來(lái)液溫度的數(shù)學(xué)模型；②建立三相分離器、空冷凈化器、摻輸水罐的容積模型，通過(guò)進(jìn)出物料的變化，計(jì)算得出液位、壓力參數(shù)；③建立機(jī)泵的運(yùn)行特性模型，表征頻率與流量、頻率與電流、頻率與壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系；④建立控制閥門的運(yùn)行特性，表征閥門開(kāi)度與流量的數(shù)學(xué)關(guān)系；⑤建立加熱爐運(yùn)行模型，表征加熱爐運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與物料溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系、燃?xì)夂牧颗c系統(tǒng)壓力（分離器壓力和空冷凈化器壓力）的數(shù)學(xué)關(guān)系。流程模擬計(jì)算使用ForceCon V7.1軟件的應(yīng)用程序動(dòng)作功能開(kāi)發(fā)完成，在進(jìn)入程序中編寫(xiě)系統(tǒng)初始化代碼，完成各變量的初始值賦值；在程序運(yùn)行周期執(zhí)行中輸入工藝計(jì)算代碼，程序執(zhí)行周期設(shè)為1 s；計(jì)量間來(lái)液流量變化主要使用中心值加隨機(jī)數(shù)發(fā)生的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2" "PID控制的實(shí)現(xiàn)

從手工操作到自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，操作工人能否熟練掌握PID控制使用是關(guān)鍵。需要通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，表征正、反作用的控制特征，模擬不同比例、積分、微分參數(shù)下的控制品質(zhì)。模擬PID控制重點(diǎn)解決過(guò)程測(cè)量值（Process Value，PV）源和輸出值（Output Value，OP）源的問(wèn)題，PID控制回路的OP至變頻器頻率給定或電動(dòng)執(zhí)行器的開(kāi)度給定，PID回路的PV源需要通過(guò)上位機(jī)的計(jì)算值寫(xiě)入PLC的PID控制回路的PV源寄存器。PID運(yùn)算在PLC上完成，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本相同。

3.3" "事故數(shù)據(jù)加載的實(shí)現(xiàn)

事故數(shù)據(jù)加載主要使用觸敏動(dòng)作功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)編寫(xiě)程序代碼按照事故數(shù)據(jù)特征改變運(yùn)行參數(shù)的值。對(duì)于硬件故障，如通信中斷、信號(hào)線故障等，輔助繼電器切斷相關(guān)線路的方式實(shí)現(xiàn)［6］。

3.4" "考核評(píng)價(jià)的實(shí)現(xiàn)

考核時(shí)，由管理員站通過(guò)管理員界面點(diǎn)擊加載事故選項(xiàng)，被考核操作員使用操作員站進(jìn)行事故處理操作，管理員站程序執(zhí)行將事故處理關(guān)鍵標(biāo)志數(shù)據(jù)寫(xiě)入Access數(shù)據(jù)庫(kù)，事故處理時(shí)間到即進(jìn)行標(biāo)志數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志數(shù)據(jù)的比較，得出事故處理得分，并存儲(chǔ)考核結(jié)果。Access數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交互使用后臺(tái)組件中的ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象組件完成，通過(guò)觸敏動(dòng)作功能中代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增加、刪除、改變、存儲(chǔ)操作。

4" " "結(jié)束語(yǔ)

使用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)效率高、源代碼開(kāi)放、程序修改便捷快速、開(kāi)發(fā)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。使用小型化、低成本的PLC模擬關(guān)鍵控制功能解決了仿真系統(tǒng)硬件費(fèi)用過(guò)高的問(wèn)題。掌握系統(tǒng)的工藝特征，建立基于機(jī)理模型的過(guò)程數(shù)學(xué)描述，是實(shí)現(xiàn)過(guò)程仿真與實(shí)際過(guò)程特性一致的關(guān)鍵。通過(guò)接轉(zhuǎn)站物聯(lián)網(wǎng)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，參培的操作人員有了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致的操作體驗(yàn)，有效提升了操作人員的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技能，保障了物聯(lián)網(wǎng)效能的充分發(fā)揮。

主要參考文獻(xiàn)

［1］栗繼鵬.油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)用解析［J］.信息系統(tǒng)工程，2022（4）：31-34.

［2］顧利民，朱英如，穆劍，等.稠油油田生產(chǎn)能耗指標(biāo)計(jì)算方法研究［J］.中外能源，2012（1）：92-95.

［3］江遠(yuǎn)懷，王曉剛.基于虛擬串口的上位機(jī)與下位機(jī)仿真系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法：CN202210704842.X［P］.2022-06-21.

［4］陳杰，周濤，劉亮，等.AP1000機(jī)組小破口失水事故模擬分析［J］.華電技術(shù)，2016（1）：68-71，75，79.

［5］于翔.基于TIA Portal與組態(tài)軟件聯(lián)合仿真調(diào)試研究［J］.今日制造與升級(jí)，2023（3）：120-122.

［6］王勇.仿真培訓(xùn)中學(xué)員操作技能評(píng)價(jià)模型與自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2002.

［收稿日期］2023-12-20

［作者簡(jiǎn)介］滕奇剛（1972— ），男，吉林松原人，高級(jí)工程師，主要研究方向：油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)。