摘 要：在基于對(duì)石油平臺(tái)海水處理的工藝復(fù)雜性和海上石油生產(chǎn)環(huán)境惡劣性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合 DCS系統(tǒng)的優(yōu)越性，運(yùn)用Rockwell RSView32組態(tài)軟件研究并實(shí)現(xiàn)了石油平臺(tái)水處理DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)水處理工藝各子過(guò)程的分散控制和被采集信息的集中管理。該系統(tǒng)是DCS技術(shù)在海上石油生產(chǎn)中的重要應(yīng)用，其長(zhǎng)期運(yùn)行，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，提高了海上石油生產(chǎn)效率，確保了海上工作人員的安全。

關(guān)鍵詞：DCS;石油平臺(tái);RSView32;海水處理;過(guò)程監(jiān)控;數(shù)據(jù)管理

Abstract: On the base of research on the complexities of platform seawater treatment process and the difficulties of petroleum production on the sea, this paper integrates Distributed Control System （DCS） technology to construct the DCS of Platform Seawater Treatment （PSTDCS） with the help of the configuration software-Rockwell RSView32. The system, as one important application of DCS technology in petroleum production on the sea, realizes to control platform seawater treatment process and manage all collected information data. Its application enhances the productivity of petroleum production and insures worker’s personal safety on the sea.

Key words: DCS; Platform; RSView32; Seawater Treatment; Process Monitoring and Control; Data Management

一、引言

集散控制系統(tǒng)（DCS）是七十年代中期出現(xiàn)的，它是計(jì)算機(jī)（Computer）技術(shù)、控制（Control）技術(shù)、通訊（Communication）技術(shù)和CRT顯示技術(shù)（簡(jiǎn)稱四C技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)物。它以微處理機(jī)為核心，把微機(jī)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、顯示操作裝置、過(guò)程通道、模擬儀表等有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，采用組合裝式組成系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件，所以，以PLC為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)已成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流。在海洋平臺(tái)石油生產(chǎn)中，由于海上作業(yè)條件艱苦、工作環(huán)境惡劣，且隨著海上石油開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大化，海上平臺(tái)石油生產(chǎn)的生產(chǎn)與管理越來(lái)越迫切的要求能迅速、準(zhǔn)確、全面的掌握生產(chǎn)設(shè)備的工作運(yùn)行狀況，因此集散控制在海上石油開(kāi)采中得到了日趨廣泛的應(yīng)用。

二、平臺(tái)水處理DCS系統(tǒng)架構(gòu)

2.1平臺(tái)水處理工藝

海水經(jīng)提升泵提升至粗濾器，濾去98%以上粒徑大于100μm懸浮固體，再按比例加入混凝劑和絮凝劑，進(jìn)入壓力斜管沉降罐渦流中和反應(yīng)區(qū)，靠渦流作用充分混合反應(yīng)，使微小顆粒絮凝聚結(jié)成為較大顆粒，而非溶性化合物經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，再進(jìn)入斜管沉降區(qū)進(jìn)行重力分離，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。經(jīng)沉降后的海水進(jìn)入細(xì)濾器，海水中的懸浮物被細(xì)濾器的雙介質(zhì)濾層攔截，濾后海水排至超重力脫氧裝置實(shí)現(xiàn)部分脫氧，從而降低海水中氧的含量。脫氧處理后的海水經(jīng)U 型管進(jìn)入一級(jí)氣水分離器，分離出海水中攜帶的游離天然氣并排放到放空火炬，再進(jìn)入二級(jí)氣水分離器分離出溶解在海水中的天然氣，以保護(hù)注水罐免受天然氣的沖擊。經(jīng)氣水分離后的海水進(jìn)注至注水罐，再經(jīng)注水泵加壓后通過(guò)海底注水管線分別輸送到各井組平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)注水井的注水。平臺(tái)水處理的工藝流程如圖1所示。

圖1 海上平臺(tái)海水處理工藝流程圖

2.2平臺(tái)水處理DCS系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)水處理工藝的復(fù)雜性，采用基于三級(jí)復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線/總線邏輯環(huán)/總線）的DCS系統(tǒng)架構(gòu)，其高層為信息管理層，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)水處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的管理功能;其最低一層為遠(yuǎn)程I/O鏈路，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制功能;中間一層為DH+網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水處理各工藝過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)DH+網(wǎng)與具有微處理器的PLC、數(shù)據(jù)采集器等部件進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取和改變操作。監(jiān)控計(jì)算機(jī)既能及時(shí)掌握整個(gè)水處理過(guò)程的全部狀態(tài)，又可以直接給出各控制回路的設(shè)定值，并通過(guò)PLC直接向控制回路發(fā)送控制信號(hào)，并利用CRT顯示技術(shù)動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)水處理過(guò)程的各種畫(huà)面，監(jiān)視整個(gè)平臺(tái)海水處理過(guò)程。管理計(jì)算機(jī)采用MS SQL Server2000關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理水處理工藝的數(shù)據(jù)信息。它通過(guò)Ethernet信息管理網(wǎng)從監(jiān)控計(jì)算機(jī)獲取水處理過(guò)程的所有在線信息，因此，除了直接在線控制外，還具有與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相同的監(jiān)控功能。

系統(tǒng)下位采用了A-B公司的SLC500可編程控制器組成的兩套PLC擴(kuò)展機(jī)架PLC1和PLC2，每套擴(kuò)展機(jī)架均具有9塊SLC500。其中PLC2用于細(xì)濾器反沖洗工藝的過(guò)程控制，其被控制量總數(shù)147個(gè)，PLC1則主要用于對(duì)注水工藝流程中海水提升、超重力脫氧、加藥、U型管氣水分離以及注水泵機(jī)組等子工藝流程的過(guò)程監(jiān)控，被檢測(cè)參數(shù)為溫度、壓力、液位、流量、海水濁度、海水含氧量以及調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，共143個(gè)。

三、平臺(tái)水處理DCS系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)下位控制功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)下位PLC對(duì)水處理現(xiàn)場(chǎng)的控制實(shí)現(xiàn)，采用了RSLinx500梯形圖邏輯編程軟件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備以及過(guò)程裝置（如限位開(kāi)關(guān)、按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)等）的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視，根據(jù)監(jiān)視到的狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，并準(zhǔn)確地控制在設(shè)備上或流程中的輸出裝置（如電磁線圈、閥、信號(hào)器等），同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了定時(shí)和計(jì)算功能。此外，在繼電器指令、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了傳送和轉(zhuǎn)換指令、通訊指令以及模擬量輸入指令和PID調(diào)節(jié)指令等，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制，并負(fù)責(zé)完成對(duì)工藝過(guò)程中連續(xù)量的采集，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法運(yùn)算，并輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)。其實(shí)現(xiàn)的控制功能具體如下：

1）海水提升：以壓力斜管沉降罐的出口濁度為基準(zhǔn)，控制壓力斜管沉降罐的排泥次數(shù)以及緩蝕劑、混凝劑和絮凝劑的藥劑投加量;以注水罐液位的設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)海水提升泵實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水提升泵供水量的控制：當(dāng)注水罐液位低于設(shè)定值時(shí)，控制器向變頻器輸出提高轉(zhuǎn)速的信號(hào)，變頻器提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加海水提升泵的排量;反之，則降低海水提升泵的排量。其被監(jiān)測(cè)參數(shù)有海水提升泵的出口壓力、出口流量、出口濁度;粗濾器的濾后壓力、濾后流量、濾后濁度;1#和2#壓力斜管沉降罐的出口濁度。

2）過(guò)濾反沖洗：以細(xì)濾器出口濁度為依據(jù)，控制細(xì)濾器的反沖洗次數(shù)以及反洗過(guò)程中反洗間隔、加水、過(guò)濾、排水、氣沖洗、排氣、水沖洗、靜置以及排空工藝過(guò)程的時(shí)間間隔，并控制殺菌劑的藥劑量。其被監(jiān)測(cè)參數(shù)有：反沖洗罐液位、細(xì)濾器進(jìn)口匯管壓力、細(xì)濾器出口排液壓力、儀表風(fēng)壓、反洗水壓、細(xì)濾器濾后濁度。

3）加藥：以各加藥罐的液位高低限位為基準(zhǔn)，控制各加藥撬塊的加藥啟停狀態(tài)。若某加藥罐的液位低于低限設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加藥撬塊對(duì)該加藥罐投加藥劑溶液;當(dāng)該加藥罐的液位到達(dá)液位最高限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止加藥撬塊的加藥動(dòng)作。其被監(jiān)測(cè)參數(shù)是：緩蝕1#、混凝2#、絮凝3#、殺菌4#、備用5#以及備用6#加藥罐的液位和各加藥泵的藥劑排量。

4）超重力脫氧：以二級(jí)氣水分離器出口海水含氧量為基準(zhǔn)，控制超重力脫氧機(jī)的進(jìn)氣量和進(jìn)水量的比值（即氣液比）。若海水含氧量過(guò)高，系統(tǒng)自動(dòng)增加超重脫氧機(jī)的氣液比。其被監(jiān)測(cè)參數(shù)是超重力脫氧機(jī)的進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣流量、出氣壓力、進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量。

5）U型管氣水分離：對(duì)氣水分離過(guò)程的中的U型管液位、一級(jí)氣水分離器液位、一級(jí)氣水分離器排氣流量、一級(jí)氣水分離器排氣壓力、二級(jí)氣水分離器出口含氧量以及注水罐液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)、檢測(cè)。

6）注水泵機(jī)組：對(duì)注水泵機(jī)組采用變頻調(diào)速控制。用交流變頻調(diào)速器作為啟動(dòng)和調(diào)速裝置，以PLC為控制核心，以滿足注水井的注水壓力和注水量為前提，對(duì)注水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)作自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)注水泵機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行。其被監(jiān)測(cè)參數(shù)：注水泵進(jìn)口流量、進(jìn)口壓力、出口壓力;注水泵前軸瓦溫度、注水泵后軸瓦溫度;電機(jī)前軸瓦溫度、電機(jī)后軸瓦溫度、電機(jī)定子1#鉑熱電阻、電機(jī)定子2#鉑熱電阻、電機(jī)定子3#鉑熱電阻。

3.2系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

圖3 石油平臺(tái)水處理監(jiān)控系統(tǒng)總界面

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用RSView32組態(tài)軟件按照水處理工藝流程開(kāi)發(fā)而成，共分為六個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)，系統(tǒng)主界面如圖3所示。海水提升子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控3臺(tái)海水提升泵、3個(gè)海水粗濾器和2個(gè)壓力斜管沉降罐的相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)作情況;過(guò)濾反沖洗子系統(tǒng)包括5個(gè)細(xì)濾器、一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)、一個(gè)反沖洗水罐和一臺(tái)反沖洗水泵，負(fù)責(zé)整個(gè)反沖洗過(guò)程的自動(dòng)控制以及狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè);超重力脫氧子系統(tǒng)對(duì)2臺(tái)超重力脫氧機(jī)的使用與備用狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬顯示，并同時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù);加藥子系統(tǒng)監(jiān)控各加藥罐的液位與流量，并負(fù)責(zé)對(duì)每天使用的藥劑量進(jìn)行累加匯總;U型管氣水分離監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控U型管液位以及氣水分離器的氣水分離情況;注水泵機(jī)組子系統(tǒng)監(jiān)控各注水泵的使用與備用狀態(tài)，并負(fù)責(zé)對(duì)注水泵各重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其功能實(shí)現(xiàn)具體如下：

1）對(duì)水處理工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)模擬;通過(guò)實(shí)時(shí)采集和記錄的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，對(duì)水處理工藝中所有控制回路和檢測(cè)點(diǎn)的各參數(shù)、狀態(tài)、趨勢(shì)等使用動(dòng)態(tài)方式顯示和模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬與全局監(jiān)控。

2）被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)：監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)通信采用DH+工業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn);被檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，采用RSVIEW32的內(nèi)部設(shè)置實(shí)現(xiàn)，且在RSView32的內(nèi)部將前臺(tái)數(shù)據(jù)掃描設(shè)置為1s，后臺(tái)數(shù)據(jù)掃描設(shè)置為5s，并利用 ADO技術(shù)和SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)對(duì)RSView32組態(tài)軟件的功能擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。即：首先在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器1，其時(shí)鐘周期為1秒，每秒向監(jiān)測(cè)值存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)MonitValueDB存儲(chǔ)一次所采集到的被檢測(cè)參數(shù)的瞬時(shí)值。MonitValueDB數(shù)據(jù)庫(kù)只存儲(chǔ)30天的監(jiān)測(cè)值，主要用于對(duì)水處理過(guò)程的歷史趨勢(shì)描繪若超過(guò)30天，則自動(dòng)把最前一天的數(shù)據(jù)刪除而將當(dāng)前采集數(shù)據(jù)再存入。另，在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部創(chuàng)建EVENT事件，并設(shè)置定時(shí)器2，將其ENVENT啟動(dòng)時(shí)間定制為00:00，00:20，00:40，01:00，01:20，01:40，…， 23:00，23:20，23:40，。若定時(shí)器時(shí)間到，該EVENT事件立即啟動(dòng)，從MonitValueDB中獲取將該EVENT事件發(fā)生前20分鐘內(nèi)系統(tǒng)所采集工控參數(shù)的瞬時(shí)值并求平均，作為該被檢測(cè)參數(shù)的有效值，再將其全部存入平均值數(shù)據(jù)庫(kù)AveValueDB，用于報(bào)表打印以及歷史資料查詢，以作為生產(chǎn)決策的依據(jù)。其被監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 被監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)示意圖

3）歷史趨勢(shì)描繪：根據(jù)監(jiān)測(cè)值存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)MonitValueDB中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)各被檢測(cè)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，以歷史曲線的形式動(dòng)態(tài)描繪水處理工藝的歷史運(yùn)作過(guò)程。

4）設(shè)備的啟停操作與與備用狀態(tài)判別：根據(jù)水處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)作情況，對(duì)3臺(tái)海水提升泵、2臺(tái)超重力脫氧機(jī)和7臺(tái)注水泵的啟用與備用狀態(tài)進(jìn)行正確判別，并成功實(shí)現(xiàn)備用狀態(tài)下的設(shè)備不發(fā)生報(bào)警。

5）報(bào)警信息顯示與處理：在監(jiān)控系統(tǒng)的主界面和各子系統(tǒng)的子畫(huà)面上均設(shè)有報(bào)警信息條，用于顯示最近發(fā)生的報(bào)警信息，包括發(fā)出報(bào)警信息的標(biāo)識(shí)（Tag）所代表的儀器儀表工位號(hào)、發(fā)生報(bào)警的日期與時(shí)間、報(bào)警時(shí)的瞬時(shí)值以及高低限位報(bào)警狀態(tài);利用報(bào)警匯總表，操作人員可隨時(shí)查看、備份并打印輸出。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)報(bào)警的嚴(yán)重程度發(fā)出不同的提示聲音，用以提醒工作人員進(jìn)行定位查看與檢修，實(shí)現(xiàn)定位故障排除。

對(duì)系統(tǒng)顯示的報(bào)警信息以及為水處理工藝的改進(jìn)而考慮的報(bào)警限值的管理，也借助于RSView32的嵌入式語(yǔ)言VBA，以及ADO遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)來(lái)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，其程序類似被檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與周期性存儲(chǔ)。報(bào)警信息以及報(bào)警限值存入用數(shù)據(jù)庫(kù)為AlertingDB。

6）數(shù)據(jù)管理與維護(hù)：以ADO技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為技術(shù)支持，采用VB 6.0軟件編制了工控信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工控?cái)?shù)據(jù)的添加、刪除、修改、查詢等數(shù)據(jù)管理與維護(hù)操作，實(shí)現(xiàn)了有條件操作下的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表以及年報(bào)表的自動(dòng)生成與打印。

四、結(jié)論

對(duì)海洋平臺(tái)水處理工藝實(shí)行DCS自動(dòng)化集散控制，成功實(shí)現(xiàn)了被監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸以及過(guò)程控制，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值班作業(yè)，在很大程度上降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工控現(xiàn)場(chǎng)的管理狀況，有效避免了藥劑浪費(fèi)與設(shè)備損耗，提高了水處理效率，降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)油田生產(chǎn)年鑒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比顯示，該DCS系統(tǒng)的使用可節(jié)約年生產(chǎn)成本190多萬(wàn)元，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益達(dá)470多萬(wàn)元。

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