基于PLC控制的油田自动化计量系统设计.docx

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基于PLC控制的油田自动化计量系统设计

现

场

总

线

论

文

基于PLC控制的油田自动化计量系统设计

摘要

在分析了低产油井常用的玻璃管人工量液技术与装置中所存在的问题的基础上，介绍了如何将PLC用于一种新型的油井自动计量装置的设计思路和实施方案等。

对于从站应用S7-200型可编程控制器，通过自动切换模块、检测模块、控制模块和报警处理模块，解决了油井生产过程中低产间歇出油情况下的计量问题，并用S7-300作为主站通过PROFIBUS-DP总线实时采集各个油井的计量信息并将这些信息经过工业以太网传给上位机，经过上位机的处理把相关信息在WinCC组态画面中显示出来。

实现了对各个油井计量信息的实时监控，并在实际生产中获得了成功的试用。

实现了油井计量自动化，提高了计量精度。

关键词检测模块低产油井自动计量PROFIBUS总线技术工业以太网

1绪论

1.1选题背景

油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况、制定生产方案，具有重要的指导意义。

目前国内各油田采用的计量方法多种多样，基本实现了自动计量。

但油井计量结果差别很大，含水率变化从0到100%变化，油气比变化从不含气到气油比达到80%甚至更高，准确的计量油井产量一直是工程技术人员面临的一个难题。

现场自动计量装置虽然形式各异，但很难有一种计量方式能够满足油田全部油井计量的需要，所以对各种计量形式进行对比，找出各种计量方式各自的适应性及适用范围，将为油田自动计量装置的现场使用提供可靠的技术保证。

目前国内油田计量站普遍采用玻璃管人工量液，这种计量方式存在以下主要问题：

（1）工作量大，效率低。

（2）低产油井存在产液间歇现象，间歇时间长短不一．短时计量很难得出真实的产量。

（3）油井产液含水率高，人工取样随机性很强，很难取准，无法得到真实、稳定、准确的含水率值。

在某些油田，玻璃管人工量液的计量方法已使一些油区的产量计量误差达到20％的程度。

尽管国内很多油田在油井计量方面做了大量研究，实现了油井自动计量。

但仍存在以下问题：

（1）由于采用单罐计量，不能真正实现24h连续计量。

（2）所用检测液位仪表易发生挂料、卡死现象，造成电动阀误动作，计算结果不准确。

（3）在线含水分析仪现场使用效果不理想。

（4）分离器压油比较困难。

1.2国内外相关技术发展概述

国外油田油井产量的计量自动化程度高，前端采用多通阀或三通阀自动选井，计量设备多采用卧式分离器或不分离式多相流量计计量。

计量设备一次到位，后期改造很少，设备造价较高，很难直接引进。

国外油田生产管理中对检测结果要求不高，油井产量稳定，测量周期长，与国内生产组织方式存在较大差别。

一般是国内产品借鉴国外技术，改造后在现场应用，相比而言国内油井计量技术分类更加繁多。

图1-1系统结构图

国内油田油井自动化水平参差不齐，一个油田内部各采油厂之间从自动化实施程度和具体的技术应用差别较大，总体上讲还是向自动化水平逐步提高的方向发展，以不分离三相流量仪、两相分离撬装计量站、旋流分离质量流撬装设备以及功图量油为代表的各种量油技术在现场得到了一定成都的应用。

作为生产配套技术，油井自动化实施水平主要取决于生产管理需求，但油井自动化计量技术的提高也能反过来优化工艺，比如近期大量实施的功图法量油，采用环形工艺，不再建设计量间。

1.3系统设计概要

本系统为油井的自动计量系统，它采用S7-200作为从站的核心控制器对单个油井的采油量信息进行实时采集，并将采集到的信息传给主站，经过主站的处理再传给上位机。

通过WinCC组态画面将各个油井的计量信息实时显示出来。

整个系统的结构图见图1-1.

1.4系统设计思想

对于每个从站，整个装置采用两个相同的分离器，高6000mm、直径400mm的分离器由调节阀分成缓冲室和量油室。

量油室安装有上下位两个射频导纳液位控制器，水包上装有磁伸缩液位计。

一个进油计量，一个压油（利用进油分离器分离出的气及自身高度），实现连续生产和计量；利用连通器原理，根据油、水密度差间接计算含水，从而实现液量和含水的准确计量。

当油水混合液的液位到达下位控制器探头时，计时器开始计时，记下磁伸缩液位计的液位L1；当混合液液位上升到上位控制器探头时，计时结束，记录时间T1，记下磁伸缩液位计的液位L2。

上下位射频导纳液位控制器探头之间的距离为S，容积为标准计量容积Q，油水混合液从下位射频导纳液位控制器到上位射频导纳液位控制器的时间为T1，磁伸缩液位计计量的水的高度为L（L=L2-L1）。

设：

水的密度为X水；油水混合物的密度为X混合物；含水比率为P。

则：

（1）

得：

（2）

（3）

（4）

（5）

代入

（6）

得

（7）

两台分离器依次循环计量N次，最终得出产量

（8）

含水比率

（9）

主站实时采集从站的计量信息，并将采集到信息传给上位机，通过上位机的处理在WinCC组态画面中将各个从站的信息显示出来。

2硬件系统设计

2.1从站PLC系统的硬件组成

整个从站系统共有9点开关量输入，16点开关量输出，4点模拟量输人。

选用S7-200型可编程控制器作为本系统控制的核心。

由一块CPU226、一块EM235模拟量扩展模块、一块EM222数字量扩展模块。

整个从站的硬件组成如图2-1所示：

图2-1从站的硬件组成

在从站系统中：

自动切换模块用于手/自动计量方式的切换，系统操作方式分为2种：

手动操作方式，自动操作方式。

操作方式的设定由安装在电控柜面板上的“手动/自动”选择开关确定，触摸屏画面设计“本地/远程”选择开关确定参数选择方式。

（1）手动控制方式

手动控制方式通过触摸屏来完成，一般用于系统检修状态下的“单步操作”；阀件的阀位状态；特定功能的管路通路阀位选择，如回料、清洗、吹干管路等环节，可以遵守原有生产习惯选择手动进行；控制电机启停等。

（2）自动控制方式

自动方式能够保证设备自动、连续生产。

自动化生产可以保证产品质量的稳定性，并且操作方便，可基本不需要人工干预。

检测模块由温度传感器、压力传感器、液位传感器等构成，对计量装置的温度、压力、液位等进行实时检测；报警处理模块用于显示装置中报警的量及通过按钮对报警信息复位等；显示模块由TD200中文文本显示器构成，TD200显示产量、含水，可设定计量时间、计量次数和纯油密度等相关参数。

2.2主站PLC的硬件组态

2.2.1主站PLC的硬件组态过程

双击桌面上的

图标打开STEP7，单击FileNew，在Name一栏中输入工程名如“主站PLC硬件组态”，Storage一栏为存储路径，可自行改动如“G:

\我的设计\plc设计”，点击OK按钮。

在主站PLC硬件组态栏的空白处右击然后点击InsertNewObject选择SIMATIC300Station。

双击

然后双击

进入硬件组态画面，我们先选择SIMATIC300中的机架RACK-300然后双击Rail进入。

在1号机架中放入电源PS30710A，选中2号机架然后双击CPU315-2DP。

点击New按钮进入PROFIBUSDP属性对话框，设置如图所示参数然后点击OK按钮，进入。

其中新建DP网络的站地址为2，此地址可根据需要进行设置。

点击OK按钮进入图2-1所示画面，然后根据系统设置进行其他设备的组态。

图2-1组态信息

2.3.2主站PLC组态图

主站系统采用S7-300型可编程控制器作为控制系统的核心，由一块CPU315-2DP、一块电源PS30710A、一块DI16xDC24V、一块DO16xDC24V/0.5A、一块AI8x12Bit、一块AO2x12Bit和一块CP343-1构成，具体如图2-11所示：

其中PS30710A为电源模块，它将AC120/230电压转换为DC24V电压，为主站控制器S7-300、输入/输出模块、执行器等供电；CPU315-2DP具有大中规模的程序容量和数据结构，对二进制和浮点数有较高的处理能力，有DP主站/从站接口或PROFINET接口，可以用于建立大规模的分布式I/O结构；CP343-1是用于S7-300的全双工以太网通信处理器，传输速率为10Mbit/s或100Mbit/s。

CP343-1的15针D形插座用于连接工业以太网，允许AUI和双绞线接口之间的自动转换。

RJ-45插座用于工业以太网的快速链接，可以使用电话线通过ISDN连接互联网。

CP343-1在工业以太网上独立处理数据通信，有自己的处理器。

通过它们S7-300可以与编程器、计算机、人机界面装置和其他S7和S5PLC进行通信。

图2-2主站系统硬件组态图

2.4整个系统硬件的上位机组态图

由于石油为易燃易爆行业，对安全性的要求很高，故在设计系统时应考虑足够的冗余。

在本系统中设置了S7-300冗余主站，通常情况下它处于非工作状态，只有当主站PLC处于故障状态时它才进入工作状态，从而提高了系统的可靠性。

在整个系统中工程师站用于监控各个油井的计量信息并拥有对各个从站进行远程操控的权限。

整个系统的硬件组态如图2-3：

图2-3整个系统的硬件组态图

3系统软件设计

3.1从站的PLC控制程序设计

从站系统的计量工艺流程为：

首先将计量装置进行初始化并检测缓冲室内的压力是否达到500KP。

若达到500KP则高气压井压油阀关闭，进油阀、隔离阀打开，根据连通器的原理知：

计量室内的油面将和缓冲室内的油面相平。

当计量室内的油面上升到下射频导纳液位控制器控制器时，记下油面的高度L1同时定时器开始计时,当计量室内的油面上升到上射频导纳液位控制器时，记下油面高度L2同时定时器停止工作,此时出油阀打开同时隔离阀关闭。

当计量室内液面下降到下射频导纳液位控制器时延时20S关闭出油阀同时打开分离阀，如此进行循环计量。

在计量室排油过程中如果缓冲室内的液面上升到上液位控制器时（一般未到出现这种情况时计量室内的油已排尽），缓冲室上液位控制器报警灯亮同时进油阀关闭，直至计量室内油排尽再次进入正常计量状态；如果缓冲室内的压力未达到500KP，则打开高气压井压油阀进行冲压直至达到500KP再关闭，然后进入正常计量状态。

从站系统控制流程图见附录1。

.

3.2主站PLC程序设计

当主站PLC从WinCC接收到它的参数配置后，就开始同从站进行通信了。

主站的参数配置包括参数化/组态数据，以及它所控制和联系的从站地址。

主站PLC正是通过参数化/组态数据这两个报文识别属于它的从站的。

本系统中主站PLC主要用来读取各个从站的数据信息，并将信息经工业以太网传给上位机。

将上位机处理过的信息反馈给从站从而达到控制从站的目的，其中工业以太网实用的通信协议为TCP/IP。

当从站系统有报警信息时，WinCC主画面中相应序号的从站报警指示灯开始闪烁，从而我们可以直观的观察各个从站的计量状况。

其控制流程图见附录2。

3.3系统的WinCC组态

3.3.1WinCC软件的相关介绍及其使用

WinCC组态软件是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。

它提供了是用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。

高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性。

除此WinCC还可以实现信息的查询、曲线拟合、参数设定、故障信息报警等功能。

其使用过程如下：

（1）新建工程项目

双击桌面上的WinCC快捷图标

，打开WinCC界面，在WinCCExplorer界面中单击“文件→新建”或单击工具栏中的按钮

，弹出“项目管理器”对话框，选择“单用户项目”，单击“确定”。

在随后弹出的对话框中的“项目名称”一栏中，输入新建项目的名称，例如“整个系统的WinCC组态图”，在右边的“项目路径”中，设定新建项目的保存路径，单击“创建”按钮，完成新建项目的创建。

（2）建立PROFIBUS-DP的连接通道

在WinCCExplorer界面的左边窗口中右键单击“变量管理”，在弹出的菜单中选择“添加新的驱动程序”，进入对话框中，单击“SIMATICS7ProtocolSuite.chn”，并单击“打开”按钮，完成驱动程序的添加。

在WinCCExplorer界面的左边窗口中的“变量管理”文件夹下会显示刚才所添加的驱动程序，右键单击“MPI”通道的图标。

单击“新驱动程序的连接”，进入“连接属性”对话框，可以在“名字”框中为新建的连接重新命名，单击“属性”按钮，进入“连接参数”对话框，根据CPU315-2DP组态的信息，设定“站地址”（CPU315-2DP的站地址）、“段ID”、“机架号”（CPU315-2DP的机架号）、“插槽号”（CPU315-2DP的插槽号），然后单击“确定”按钮。

单击“系统参数”，进入系统参数对话框，在“逻辑设备名称”中选择“CP5611（MPI）”。

在WinCCExplorer界面的左边窗口中的“变量管理→SIMATICS7ProtocolSuite→MPI”文件夹下会显示刚才所添加的驱动连接，右键单击此驱动连接，在弹出的菜单中单击“新建变量”，会弹出对话框，设定变量的名称（例如Var1）和数据类型（浮点数）。

单击“选择”设定新建变量对应的PLC中的地址（例如MD10），这样Wincc中的变量Var1对应PLC中的地址就是MD10。

（3）建立画面

在WinCCExplorer界面的左边窗口中，右键单击“图形编辑器”，在弹出的菜单中单击“新建画面”，新建一个画面，进入画面编辑界面“GraphicsDesigner”。

（4）通过输入/输出域控制变量

在GraphicsDesigner界面中，找到“对象选项板→智能对象”，打开“智能对象”文件夹，单击“输入/输出域”，在画面区中鼠标会变成

，将鼠标指向放置智能对象的地方，拖动至所需要的大小后释放，会弹出对话框，在“变量”框中输入变量的名称（此名称必须首先在“变量管理”中创建，例如上面建立的外部变量“Var1”）。

在画面窗口中右键单击任意一个对象（例如新建的输入/输出域1），在弹出的菜单中单击“属性”，会弹出属性对话框，可以更改对象的属性。

用同样的方法在画面区添加窗口对象“按钮”，打开属性对话框，选择“事件”窗口，单击左面窗口中的“按钮→鼠标”，选择鼠标对应的动作（例如按左键的动作）右键单击，会弹出提示选择脚本语言的菜单。

例如让变量Var1的值为1.23，在C动作编辑器中可以输入“SetTagFloat（"Var1",1.23）;”，在VBS动作编辑器中可以输入“hmiruntime.Tags（"Var1"）.Write1.23”，在“直接连接”对话框中可以进行设置。

（5）通过按钮控制变量

（6）通过曲线和表格的形式实时显示变量的变化

在“对象选项板”中，找到“WinccOnlineTableControl”控件，将此控件添加到画面区，在弹出的对话框中，在“常规”选项下，设定趋势曲线控件的名称、数据源（在线变量指当前实时显示的变量，归档变量指Wincc历史数据库中的变量数据）、及显示的状态。

同样通过控件“WinccOnlineTrendControl”可以以表格的形式显示变量。

3.3.2整个系统的WinCC组态

整个系统的WinCC组态分为系统主画面（如图3-1）和各个从站的组态画面（如图3-2）。

在系统主画面中集成了整个油田系统的所有从站以及各自的报警指示灯，如果在系统运行过程中某个从站出现了报警信息（如压力、温度或液位超高等）则相应的报警指示灯就会闪烁起来，我们可以根据指示灯点击相应的从站按钮从而进入从站系统，根据相应值及从站报警系统来确定故障源，进而消除故障。

图3-1系统主画面

在从站系统组态画面中我们对计量系统实物进行了图形化模拟并集成了各个变量的报警指示灯，若有变量超出额定范围时相应的报警指示灯将会闪烁，除此之外我们还对缓冲室液位和计量室液位设置了棒图显示系统，实现了对缓冲室和计量室油面高度的实时监控。

通过I/O域将缓冲室和计量室的压力和温度值实时显示出来，以便我们更好的控制计量系统。

按下主画面按钮我们将返回系统主画面。

图3-2从站系统组态画面

4系统网络设计

4.1相关技术简介

4.1.1PROFIBUS概述

（1）PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。

广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。

（2）PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessage

Specification）。

（3）PROFIBUS-DP:

是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。

使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。

（4）PROFIBUS-PA:

专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本征安全规范。

（5）PROFIBUS-FMS:

用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。

（6）PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。

可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

4.1.2PROFIBUS传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型:

（1）用于DP和FMS的RS485传输。

（2）用于PA的IECI158-2传输。

（3）光纤。

用于DP/FMS的RS485传输技术。

由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。

这种技术通常称之为H2。

采用的电缆是屏蔽双绞铜线。

RS-485传输技术基本特征:

4.1.3PROFIBUS网络

在需要快速响应和数据交换量不大的现场级，适宜应用PROFIBBUS-DP现场总线。

PROFIBUS-DP是开放式现场总线系统，符合欧洲标准和国际标准。

这种现场总线也是用于过程自动化现场总线PROFIBUS-DP的基础。

PROFIBUS-DP现场总线有以下特性:

（1）符合于欧洲标准EN50170

（2）符合于IEC61158-3标准

品种齐全的现场总线部件经过双绞线或光缆的数据传输能进行自动化系统的柔性和模块化设计并能与执行器传感器接口相连节省接线费用，最多可连接125个节点，没个总线段最多32个节点；传输速率最大为12Mbit/s，响应时间短；传输距离可达23.8km；通过各种专用集成电路（ASIC）和接口模块，简化设备的连接。

PROFIBUS-DP区分主动和被动两种总线节点。

其各自的特点如下：

主动节点：

（1）主设备，可编程序控制器，如S7-300/S7-400，M7-300/M7-400

（2）基于PC的控制系统，例如WinAC

（3）SIMATIC编程设备和PC

（4）HMI设备

（5）机器控制器，例如SINOMERIK

（6）控制系统，例如SIMADYN

（7）第三方PLC

被动节点（从设备）：

（1）分布式I/OSIMATICET200

（2）控制器，例如S7-200/S5-300和S5-95U/DP；

（3）驱动器或人-机界面等现场设备；

（4）过程技术的现场设备，例如SITRANS

（5）第三方现场设备；

PROFIBUS-DP现场总线可用双绞线电缆，光缆或混合配置方式安装。

网络中的节点共享传输介质。

因此，系统需要控制对网络的访问。

PROFIBUS-DP按“主/从令牌通行”访问网络，只有主动节点才能接受访问网络的权利。

通过从一个主站将令牌传送给下一个主站来传递访问网络的权利。

如果不需要发送，令牌就传给下一个主站。

被动的总线节点是直接通过主模块的轮询来分配的。

最大的电缆长度取决波特率（传输速度）,最大的电缆长度可以通过使用中继器来增加，但是串联起来联结的中继器最多不能超过3个。

最大的电缆长度在下表中被给出，它仅保证在使用PROFIBUS电缆的前提下有效。

（例如，西门子PROFIBUS电缆MRPD6XVIB3O-OAHIO）电缆长度一览表如表4-1所示:

表4-1电缆长度一览表

波特率

在一段中最大的电缆长度（m）

在两个站之间的最大距离（m）

9.6K-187.5K

1000

10000

500K

400

4000

1.5K

200

2000

3到12M

100

1000

PROFIBUS接口模块：

总线连接器。

西门子提供了两种网络连接器，一种连接器仅提供连接到CPU的接口，而另一种增加了一个编程接口。

利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易的连接到网络中。

两种连接器都有两组螺制丝端子，可以连接网络的输入和输出。

4.1.4系统工业以太网设计

工业以太网是基于IEEE802.3的强大的区域和单元网络。

利用工业以太网，SIMATICNET提供了个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。

各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。

通过接入WAN（广域网）可实现公司之间的通讯，例如，ISDN或Intemet的接入。

SIMATICNET基于经过现场应用验证的技术，SIMATICNET已供应多于400，000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。

4.1.5工业以太网的构成

一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件：

（1）网络部件

（2）连接部件:

FC快速连接插座；ELS（工业以太网电气交换机）；ESM（工业以太网电气交换机）；SM（工业以太网光纤交换机）；MCTPII（工业以太网光纤电气转换模块）。

（3）通信介质:

普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤

SIMATICPLC控制器上的工业以太网通讯外理器。

用于将SIMATICPLC连接到工业以太网。

PG/PC上的工业以太网通讯外理器。

用于将PG/PC连接到工业以太网。

4.1.6工业以太网的重要性能

为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATICNET为以太网技术补充了不少重要的性能，工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP通讯协议。

通过带有RJ45技术、工业级的Sub-D连接技术和安装专用屏蔽电缆的FastConnect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行；简单高效的信号装置不断地监视网络元件；符合SNMP（简单的网络管理协议）；可使用基于web的网络管理。

使用VB/VC或组态软件即可监控管理网络。

工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及，现在已经有大量的配套产品在使用中。

如工业以太网HUB，工业以太网防火墙产，工业以太网关，以太网转RS232/RS485设备，以太网A/D模块，以太网D/A模块，以太网AI模块，以太网AO模块，以太网DI模块，以太网DO模块及复合功能模块。

4.2主站与从站系统间的网络通信设计

PROFIBUS-DP从站模块EM277用于将S7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络中，波特率为9.6Kbit/s~12Mbit/s。

EM277是智能模块，能适应通信速率，其RS-485接口是隔离型的。

作为DP从站，EM277接收来自主站的I/O组态，向主站发送和接收数据。

主站可以