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 張智芳

1  引言
聯合站是油田生產的一個重要部門，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備外輸。為保證水質，在外輸前還要經過精細過濾處理。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  生產工藝流程圖

油田各聯合站目前采用的污水處理系統大都設計的比較早，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，可以較好地解決上述問題。
2  系統構成
為保證系統的穩定性和可靠性，采用兩級控制方案對整套污水處理流程進行監控。上位機選用工業控制計算機（IPC），下位機選用GE公司的PLC，系統構成如圖2所示。

圖2  系統構成框圖

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場各工藝參數，根據生產需要發出相應的控制指令。另外還可以使用大容量存儲器記錄歷史數據，管理人員據此了解一段時間內的生產狀況，為提高生產效率制定新的生產方案提供可靠的依據。為實現以上功能，組態軟件是最優的選擇。這里使用的是目前國內組態軟件市場占有量第一的“組態王”作為開發平臺，它集控制技術、數據庫技術、網絡技術、人機界面技術、圖形技術于一身，包含動態顯示、報警、控件、趨勢、網絡通信等組件，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量的控制系統。
PLC以其體積小、功能多、可靠性高等優點，在自控行業中得到了廣泛的使用。整套污水處理流程共有120多個監控點，包括壓力、流量、溫度、液位、頻率、泵運行狀態等。各物理參數通過相應的變送器得到4～20mA的標準信號，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，而且具有較好的抗干擾能力。控制信號通過PLC的AO或DO模塊發出，控制現場的執行機構動作。由于現場有大量的油、氣，因此所有設備均采用防爆產品。
由于現場監控點多，為降低成本，減輕維護工作量，在模塊選擇上應注意以下幾點：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發出相應的控制指令后，由PLC對現場進行直接控制，這種方案有效的降低了風險。例如操作人員可在上位機修改定時排泥時間，發送給PLC后，由PLC進行控制，此時即便上位機出現故障（如死機、掉電等），也不會影響系統的正常運行。PLC及所有的接線端子放在一個機柜內，與上位機的通訊采用RS485方式，這種方式傳輸距離遠，可將上位機放置在另外一房間內，大大改善工人的操作環境。
3  測控方案
3.1  排泥閥控制
現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、反轉、停止，分別對應閥門的開、關、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個按鈕開關并聯或串聯，達到遠程控制的目的。為保證自控系統斷開時現場仍能手動操作，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
當罐內液位較低時，系統發出聲光報警，提醒操作人員注意檢查，如液位繼續降低，則自動發出連鎖停泵信號，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與控制柜之間增設一中間繼電器，其常閉觸點串聯在電機控制回路中，當PLC發出停機信號后，電機控制回路斷電停機。為保證操作人員與設備的安全性，自控系統不設遠程啟動功能，當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的開關量測量模塊。為使現場與PLC完全隔離，中間需加輔助繼電器。
4  軟件設計
由于上位機監控軟件采用組態王作為開發平臺，因此大大縮短了開發周期。在設計中，首先要把實時數據庫建好，它是整套監控系統的核心，然后把各功能模塊進行恰當的組合。監控系統的大部分功能都可由組態王直接完成，以下是在軟件設計中幾個比較典型的應用。

圖3  實時監控（總貌）圖

4.1  流量的累計
系統中共有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，而站內要求計量每天的污水處理總量。為實現此功能，在組態王的變量定義轉換方式中，提供直接累計和差值累計兩種計算方法，對流量的累計應采用直接累計法（參見組態王使用說明）。為保證累計精度，采樣周期應設置的盡量小。
4.2  實時監視
整套系統共有6幅實時顯示畫面，包括系統總貌（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。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，所有設備的放置與現場完全一致，罐體上用棒狀圖表示液位的高低，其它參數（如流量、壓力等）在相應位置用數值表示。
組態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，可以設定時間顯示的格式、時間跨度和更新頻率等。Ｙ軸為數值軸，為使同一畫面顯示多條曲線，Y軸單位以百分數表示，即以變量值與變量范圍的比值來表示。測量參數不在正常值范圍內時，報警窗口顯示越限時間、變量名(對應于溫度或液位)、當前值及界限值等。當新報警出現時，報警窗口自動滾動，窗口總是顯示最后出現的報警事件。畫面中的閥門和泵可手動操作改變其狀態。由組態王提供的功能，可為各個實時顯示的參數設置顏色，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，記錄可設定為不記錄、數據變化時記錄和定時記錄。要根據實際情況選擇相應的設置，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“數據變化時記錄”，這樣有利于節省存儲空間。對于歷史數據的查詢，組態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創建報告的模板，然后借助組態王提供的相關函數，把當前的參數值顯示于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據庫中讀取相關變量，添入表格。
5  系統功能
(1)  具有污水處理生產工況動態顯示功能。
(2)  各檢測參數均有實時及歷史趨勢顯示功能。
(3)  具有生產預警和狀態報警提示等功能，有效監視生產運行狀態，可設置參數報警優先級和報警上下限。
(4)  具有生產運行參數修改功能，對系統內所有可變參數，如儀表量程、上下限報警值、控制器參數等均可根據調整需要加以修正。
(5)  具有生產運行參數報表打印功能，可隨時打印各種實時報表和歷史數據報表。
(6)  通過PID調節功能，可實現污水加藥量的自動控制。
(7)  實時監測各泵的運行狀態（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)  系統設置多級安全密碼，可有效的避免重要參數被隨意修改。
6  結語
綜上所述，系統采用組態王作為開發平臺，實現了實時監控、故障報警、歷史數據的存儲和查詢，報表的顯示和打印等功能，且用戶界面操作方便、易于學習，深受用戶好評。該系統具有較好的通用性、擴展性和可維護性，投入使用以來，運行穩定、可靠，數據采集準確，大大降低了工人的勞動強度，提高了管理水平。