联合站安全监控系统软件设计.docx

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联合站安全监控系统软件设计

联合站安全监控系统软件设计

摘要：

随着石油工业的发展，传统的人工监控已经远远不能满足石油行业的安全生产需求，因此将计算机监控系统与石油生产联系结合起来已经成为石油行业发展的趋势。

本文完成了对油田集输联合站的安全监控系统进行软件方面的设计。

根据联合站的工艺流程和控制过程初步确定I/O数目和和类型并进行硬件选型，根据需要监测的参数的类型，选择合适的传感器。

然后利用《组态王6.53》编写监控软件、绘制监控画面，对联合站的生产过程进行实时监控。

达到如下目的：

实现对站内工艺过程实时监测，当设备运行出现故障、参数越限时，系统及时产生报警；实现对站内的设备运行状况、压力、流量、温度、液位以及可燃气体浓度的监测。

通过安全监控系统提供的信息及时确定系统中存在的危险，然后采取各种措施使整个联合站达到安全水平。

本系统实现了对联合站的实时监督与动态控制，通过安全监控系统的运用，可以确保设备的安全运行，预防和消除事故隐患，避免事故发生，使联合站达到最低事故率、最少损失和最优的安全投资效益。

关键词：

联合站；安全生产；安全监控系统；软件设计；组态王

SoftwareDesignofSafetyMonitoringSystemforUnionStation

Abstract:

withthedevelopmentofthepetroleumindustry,thetraditionalmanualcontrolhasbeenfarfrommeetingtheoilindustry'ssafetyproductionrequirements.Therefore,thecomputermonitoringsystemcombinedwiththeoilproductionhasbecomeatendencyoftheoilindustry'sdevelopment.

Throughthispaper,wecompletedthesoftwaredesignforthesafetymonitoringsystemoftheoilgatheringandtransportationunionstation.Accordingtotheunionstation'stechnologicalprocessandcontrolprocess,wehavedeterminedtheInput/Outputnumberandtypeasellasthehardware'sselection.Atthesametime,wehavechosentheappropriatesensoraccordingtothetypeoftheparameterswhichwereneedtobemonitored.Thenweusethe"Kingview6.53"towritethemonitoringsoftware,drawmonitoringpicture,sowecanmonitortheunionstation'sproductionprocessatrealtime.Itcanachievetheaimsasfollows:

toachievethepurposeofmonitoringtheprocesswithinthewebsiteatrealtime,whentheequipmentrunningmalfunctionandtheparametersoutofthelimit,thesystemwillproducealarmtimely;tomonitortheequipments'runningstatuswithinthewebsite,pressure,flowrate,temperature,levelandthecombustiblegas'sconcentration.Throughtheinformationthatthemonitoringsystemofferstodeterminethedangerswhichareexistedinthesystem,thenwecantakeallkindsofmeasurestomakesurethatthesystemhasachievedthesafetylevel.

ThissystemmakestheUnionstation'sreal-timesupervisionanddynamiccontrol,throughusingthesafetymonitoringsystem,wecanensuretheequipments'safetyoperation,preventandeliminatethehiddendangers,avoidaccidents,thentheunionstationcanachievetheminimumaccidentrate,leastlossandtheoptimalsafetyinvestmentbenefits.

Keywords：

UnionStation;SafetyProduction;SafetyMonitoringSystem;SoftwareDesign;Kingview

1绪论

1.1课题背景及目的

石油行业是一个高风险产业，油田安全生产具有十分重要的意义。

由于原油和天然气是易燃易爆危险物质，而且站内压力容器密布、油气管道纵横、系统运行状况复杂且过程中流程多变，一旦油田发生火灾、爆炸、泄漏等事故，将会造成重大人员伤亡和财产损失，所以必须及时准确地对各种工艺参数进行实时监控。

长期以来，由操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况，凭经验对生产过程进行人工控制，其工作效率和安全系数都很低。

同时对油田集输作业中安全生产信息获取的实时性、全面性和准确性还不能满足安全生产工作的需要，以往的监管模式使得现场操作人员无法对站区安全动态进行全面了解。

因此，落后的安全监控技术手段严重影响了油田生产的安全保障和管理能力，传统的管理模式已经很难满足现代石油生产企业发展的要求，新的管理模式必将应运而生。

对联合站进行安全监控系统设计，即对原油生产和集输的各个环节实行监测、控制和管理，利用传感器或变送器将被监控对象中的工作参数转换为电信号，再将这些电信号转换为计算机可识别的数据，并且以曲线或图形的方式显示出来，及时准确地对运行设备的参数和状况做出全面监测，不仅使整个联合站的安全运行得到保证，整个石化企业的安全和经济效益也能够得以提升；同时计算机监控系统的使用对消除隐患、预防事故也起到了举足轻重的作用，在很大程度上提高了经济效益和社会效益。

本次课题设计是对油田集输联合站的安全监控系统进行软件方面的设计。

根据联合站的工艺流程和控制过程初步确定I/O数目和和类型并进行硬件选型，根据需要监测的参数的类型，选择合适的传感器。

然后利用《组态王6.53》编写监控软件、绘制监控画面，对联合站的生产过程进行实时监控。

通过安全监控系统提供的信息及时确定系统中存在的危险，然后采取各种措施使整个联合站达到安全水平。

1.2国内外油田生产安全监控技术研究状况

1.2.1国外油田生产安全监控技术研究状况

美国海湾石油公司于1954年10月，建成世界上第一套自动监控输送系统（LedgeAutomaticControlTransmissionSystem,简称LACT）装置，解决了原油的自动收集、处理、计量和输送问题。

到1967年底，美国陆地石油公司已有75%的原油采用LACT装置。

在LACT应用的同时，一些原有处理站出现了以闭环控制为特点的就地自动化控制系统。

自20世纪60年代末期以后，计算机及PLC技术已开始应用于油田联合站内的部分生产系统中，如Arco油气公司的IatanEastHoward油田将PLC用于注水控制，并很快发展到报警、泵控、橇装试井装置等其他领域。

但此时，联合站集输系统还是处于简单常规仪表控制时期。

国外油田在二十世纪八十年代就达到了分布式监控阶段。

随着集输工艺上计量站的形成和中心处理站（简称联合站）的产生，集散控制系统（DistributeControlSystem，简称DCS）开始应用于联合站集输系统中代替常规仪表。

进入20世纪90年代，DCS的功能越来越强，工作也越来越可靠。

如HONEYWELL公司的TDC3000系统、FISHER-ROSEMOUNT公司的PROVOX系统等数十个厂商的DCS都在油气处理站有所应用。

国外油田DCS的应用已经开始采用一些先进控制策略。

如HONEYWELL公司的非线性液位控制，可以更好的适应进液的波动。

美国通控公司的无模型控制器可以适合大滞后、时变的温度控制。

HONEYWELL公司的气举优化软件和各种多变量控制、适应性控制、模糊控制、神经网络控制也在油气集输处理站的DCS上运行，实现了部分生产过程的优化运行。

21世纪以来，随着通信技术的发展，SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）即监控与数据采集系统越来越多的应用于油田生产控制与管理中。

SCADA系统与在油气开采中的处理设备上的检测仪表和控制设备直接相连，这样连接能够实时和不断的获取检测仪表所检测到的运行信息。

SCADA系统主要是面向操作人员的需要，也可以为多用途，提供操作、计算、管理和运营等功能。

国外有些油田SCADA系统实现了注气、注水的优化控制运行。

SCADA能够把远程独立的单个油田作业变成一个具有许多紧密相关的功能的综合加工过程，SCADA已具有为相互联系的处理作业的最优化提供定时获得操作信息的能力。

目前国外油田更是建立了从原油生产、储存、销售全面监控的自动化系统，将自动化系统上升到了现代管理的高度。

如：

英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据监测到的地质情况自动控制油井的产量，保证地层原油达到最大采收率。

美国LUFKIN公司最近推出的PRC油井自动控制系统功能齐全，完全能够满足对油田抽油机井进行全方位测控的需要。

而且，美国油田甚至将原油销售过程中温度影响体积导致的销售差额都考虑、设置到自动化管理系统中，代表了当前世界的最高水平。

1.2.2国内油田集输联合站安全监控的研究现状

国内油田联合站的自动化建设起步较晚，初期发展较为缓慢。

在1972年世界能源危机以前，对原油集输系统的运行控制大多是注意安全性、可靠性及原油脱水的精度，用大冗余处理各种干扰因素，控制方案简单。

但在越来越重视降低投资和解能的今天，人们开始关注原油集输系统的最佳节能控制，即如何把脱出的污水中的含油量降至最少，原油处理精度最高，使操作更为简单，运行更为安全可靠，这是一个重要的问题；而且，由于原油开采进入后期，原油含水量上升、来液量波动大，在现在的冗余条件下，原来使用的控制规律过于简单已不能保证控制效果。

因此，需要研究一套适合现状的油田联合站集输自动控制系统。

在我国，原油集输控制系统最先采用的是DDZ-Ⅱ型仪表，取得了一定的经济效益。

新疆彩南油田是我国投入开发的第一个百万吨级自动化沙漠整装油田，它位于新疆准噶尔盆地东部，自然条件极为恶劣。

该油田建成一个两级SCADA计算机监控系统。

系统硬件全部采用贝克公司（美国BAKERCAC）的产品。

实现了采油井、采注计量站定时巡检、自动倒井计量、集中处理站数据监控、油气采集、信息采集及处理的全面自动化。

被誉为“世界一流，国内领先”，是陆上油田开发的典范，效益好、成本低的“高效开发油气田”。

自1992年以来，国内已有一些油田将计算机控制系统应用于油田联合站集输系统，但这些计算机控制系统没有很好的解决油田联合站集输系统控制上的问题。

其主要原因是：

油田随着开采时间的延长，采出油中的含水越来越高，而且近年来新井的投产较多，日产量不稳，使各中转站到联合站的来液量波动很大，造成脱水系统压力经常超出工艺允许范围，原来的计算机控制系统大都采用的是单回路给定点的PID控制算法，这种算法适用于原油含水低、来液量少且波动小的情况。

吐哈油田从1992年开始相继建立了鄯善、温吉桑、丘陵三大主力油田的自动化监控系统。

该系统配套油藏工程、采油工程、油气集输工程、轻烃回收工程和水、电、通信、公路、消防等工程，系统复杂，功能齐全，在国内陆上油田尚无先例。

2000年以后，针对延长油田定边采油厂集输联合站工艺流程和安全生产要求，开发了基于智能网络化的联合站安全生产监视监控系统。

该系统采用工业以太网与现场总线技术，构成联合站生产工艺参数与设备状态监控和生产过程实时视频监视系统，实现联合站生产过程安全监视监控和生产事故预警预报。

运行表明，系统大大提高了联合站生产过程自动化、安全生产保障能力与安全管理水平，具有典型的应用示范作用。

与此同时考虑到陕北油田的特点，在研制了联合站原油计量监控系统，该系统由工控计算机、分布式数据采集控制系统和RS485总线构成，实现联合站原油准确计量，定量稳定外输，工艺过程与生产安全在线实时监控。

之后的研究中又结合延长油田靖边采油厂联合站工艺流程和安全要求，于2007年开发了基于双机冗余的高可靠性联合站监控系统。

该系统采用IPC工控机和S7—300PLC，构成了IPC4-PLC＋Profibus的双机冗余系统。

系统既有双机冗余热机备份，又具有工程师站和操作员站功能，大大提高了联合站监控系统的可靠性和稳定性。

虽然全国各地联合站已不同程度的进行了油气生产自动监控系统的试点工作，但水平参差不齐，也暴露出很多问题，主要表现在现场设备可靠性差，可维护性差，不能承受现场恶劣的工作环境（包括高温、低温、潮湿和沙尘）。

因此在很多情况下，不能对数据进行局部细微的分析，难以让工程师技术人员掌握第一手资料。

从国内油田监控系统的发展过程和今后的发展趋势来看，自动化监控技术将越来越多的应用到油田联合站、油井的监控系统中，而且必将数字化和网络化方向发展。

1.3论文的主要内容及结构

本课题针对油田集输联合站进行分析设计，通过对联合站生产工艺和控制要求的分析，提出了系统的监控内容；根据计算机监控系统的分类及设计原则。

采用组态软件Kingview6.53，完成外部设备与外部设备变量的定义及工艺流程模块、登录模块、报表模块、报警模块、曲线图模块、实时参数模块、报警指示模块、按钮模块等组态模块的设计。

第一章绪论。

首先阐述了本课题的背景与目的，然后介绍了联合站监控系统的国内外研究和发展现状，分析了目前联合站自动化技术的不足，最后介绍了本课题的主要内容及其结构。

第二章需求分析。

首先通过对联合站生产工艺流程进行分析，讨论计算机监控系统的基本分类、系统的要求及系统的设计原则等内容。

提出本课题的需求内容并为下一步软件设计提供具体数据依据。

第三章联合站监控系统分析。

对联合站监控系统进行分析，得出具体的设计方案。

第四章联合站监控系统的硬件设计。

根据系统控制要求与监控系统的方案，设计了监控硬件系统，包括控制主机，现场采集模块，无线传输模块等。

第五章联合站监控系统的软件设计。

通过对联合站需求分析完成具体的软件设计。

首先介绍了系统软件设计要求及组态王6.53的基本情况，最后阐述了采用组态王6.53进行系统组态软件的开发设计全过程，并由此研究了组态监控模块的功能构成。

第六章联合站监控系统软件测试与运行。

首先分别从组态王的软件仿真调试、硬件调试、软硬件联动调试三个步骤介绍了系统的调试，并对系统的运行状况和液位、压力等控制量的控制效果进行了分析和讨论，介绍了系统的调试过程。

第七章结论。

对本系统的设计工作进行了总结，指出了本监控系统的优点与不足。

通过对系统的不足作出分析并提出未来系统升级和系统的发展方向。

2监控软件需求分析

2.1联合站工艺流程分析

联合站的功能是对单井来油和汽车拉油进行油、气、水三相分离的处理，并对从原油中脱出的污水进行处理，处理完成后把清水再注入地层当中，以便保持地层的压力。

站内的工艺流程分为原油集输和污水处理二大部分。

1．原油集输

原油集输过程中的设备一般由翻斗计量分离器、管道、阀门、三相分离器、换热器、沉降罐、净化油罐等组成。

从各个单井或是汽车输送过来的油（液）首先进入联合站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离，油（液）从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进入除油器进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入换热器；从换热器出来的油水混合液体输入沉降罐，沉降罐分离出大部分的原油，而将水输到污水区，进行污水处理。

经过沉降罐的二次油水分离后，原油已经几乎不含水了。

在这之后基本上不含水的原油进入净化油罐，等待外输。

进入净化油罐的原油，由装车泵加温加压后，由汽车外运。

联合站原油集输工艺流程示意如图2-1所示。

图2-1油气集输系统工艺流程图

2．污水处理

油田污水主要指含油污水，油田污水经处理后回注地层，此时要对水中的悬浮固体、分散油及浮油、胶体和乳化油的含量等多项指标进行严格监控，防止其对地层产生破坏。

联合站通常采用把物理除油、混凝除油和过滤这3种方法，分别除去悬浮固体、乳化油和胶体、分散油及浮油。

在我国一些干旱地区，水资源严重缺乏，把经过污水处理后的水重新注入地层，这样就能够合理有效利用净化水，对水资源紧缺干旱地区具有很好的缓解作用。

联合站污水处理工艺流程示意如图2-2所示。

图2-2污水处理流程图

2.2联合站监控系统的监测内容

通过对联合站工艺流程的分析，联合站生产工艺大概分为原油集输、污水处理二大部分。

联合站对这二大部分的控制要求为：

1．原油集输

（1）装车总管含水率检测；由于在汽车外运的原油中都含有一定的水分。

在外运之前，必须对其含水率进行检测，这样就便于分析经过联合站处理后的原油油品质量。

如果含水超过规定值，说明这批原油含水率过多，还需进行再处理。

（2）计量分离器液位检测、控制；为了进行翻斗计量，控制进入三相分离器的原油量，必须对其液位进行检测控制。

（3）三相分离器气相出口压力检测；从三相分离器上部放出天燃气要进入燃气管道进行外输，为了避免压力过大对管道造成伤害，必须对气相出口压力进行监视。

（4）换热器原油出口温度检测；利用换热器对三相分离器来油进行加热，掌握了换热器的加热温度，就能避免原油凝结在管线中，造成大面积停产的情况。

（5）两个净化油罐的液位检测、控制；三个净化油罐里面分别存放的是从沉降罐里过来的已经净化好的原油，以便经过装车泵加温加压后外输。

为了合理利用净化油罐体积和控制装车泵速率，必须对净化油罐液位进行检测控制。

（6）卸、装车流量瞬时检测，控制室中显示累计流量；防止汽车卸油或拉油过程中流量过大而发生溢出，用于联合站进液或出液计量。

（7）原油罐区、三相分离器操作间、三相分离器区、换热器区、零位罐区、装车泵房可燃气体浓度检测；对于联合站来说，可燃气体浓度是一个非常重要状态参数，因为它关乎到联合站生产的安全。

一旦可燃气体浓度超过规定上限位，只要在这个区域内有一点点火源，就会发生爆炸或引起火灾。

因此，从生产安全性角度考虑，必须对可燃气体浓度进行检测。

2．污水处理

（1）清水罐液位检测；清水罐中存放着可以稀释含油污水的清水，它进入储油罐的质量决定着对含油污水稀释的程度，所以必须对其液位进行检测。

（2）缓冲罐液位检测；由于在污水处理过程中给缓冲罐添加了凝聚剂和絮聚剂，也就是说在缓冲罐中存在有化学反应。

这个化学反应要得以顺利进行，就必须对缓冲罐液位进行检测。

（3）注水罐液位检测；注水罐中存放着要注回地层清水质量，所以必须其液位进行检测。

（4）污水池液位检测；由于污水是过程中各个阶段都会排出的被污染的水，所以一定要检测其液位，以防溢出污染环境。

综上所述，为了有效控制污水处理的质量，必须严格控制污水处理工艺过程中各个容器的液位。

通过上述对监控内容分析，可以得到联合站需要监控的变量有：

1）监测液位高度：

清水罐、缓冲罐、注水罐、污水池、沉降罐、净化油罐、计量分离器、零位罐、除油器；

2）监测可燃气体浓度：

三相分离器操作间、三相分离器区、油罐区、装车泵房、零位罐区；

3）监测温度：

换热器原油出口温度；

4）监测含水浓度：

装车总管；

5）监测气相出口压力：

三相分离器；

6）监测流量：

装车、卸车流量。

2.3联合站监控系统的控制内容

根据对联合站的工艺控制流程图以及监控内容的分析，可以得出联合站监控系统的控制内容为：

两个净化油罐液位控制，使其维持在最优值（设定值可变）。

联合站中最重要的是净化油罐液位的控制，也是论文的一个重点内容。

净化油罐的液位系统控制内容分析：

虽然净化油罐中需要控制的变量只有液位，但是影响其液位的扰动变量有压力、进油量、出油量。

液位和这些变量之间相互制约：

液位、压力都受进油量的影响，进油量大则液位升高，压力增大，液位和压力两者之间又相互影响；出油量也与液位和压力相互影响，出油量大，则液位降低，压力减小。

液位的最优控制是保证原油安全生产的决定性因素。

如果液位的高度控制的不合理：

控制值高于最优值，液位容易溢出，导致生产不安全。

若液位的高度控制低于最优值时，又导致不能够合理的利用净化油罐的体积。

所以，必须以最优方式的控制液位。

在液位经过控制达到最优值以后，还必须在各种干扰的情况下，将液位稳定控制在工艺允许的误差范围内。

3联合站监控系统分析

3.1控制方案论证与分析

3.1.1联合站监控系统的要求

对于不同的应用对象有不同的具体要求，但对大多数监测控制系统的设计来说，运行上可靠、技术上先进、使用上方便、应用上灵活、时间上节省、经济上合理是共同的基本要求。

1.运行可靠

工业计算机监测控制系统的运行环境相对恶劣，能否适应这种环境是系统不可避免要面临的考验。

而且计算机监测控制系统往往负担着重要的任务，一旦出现故障，将造成整个被监控过程的混乱，引起严重的后果，由此造成的经济损失往往远非计算机监测控制系统本身的造价所能比拟。

所以，能否确保长期可靠地运行成为计算机监测控制系统中首要考虑的问题。

特别是对一些影响面大的重要应用系统，如连续生产过程的控制、电力系统的监控等，均不允许故障率高的系统存在。

2.技术先进

计算机监测控制综合了计算机技术、自动控制、信息处理和通信、检测技术和仪表以及生产过程和管理方面的知识，是一个综合性很强的技术领域，其技术先进性概括来说体现在硬件设备、软件平台和工具、信息处理和控制策略这三方面。

计算机监测控制系统设计的一个原则：

不是盲目追求新技术，而是在技术成熟的前提下尽量采用先进的技术，其原因如下：

①先进的技术可以获得更好的监测控制效果，从而可能获得更高的经济效益，因此在保证可靠性和经济上允许的前提下，应尽可能采用先进的技术。

②计算机技术发展十分迅速，硬件和软件更新换代的周期越来越短，采用进的技术意味着延长系统的生命期限。

③计算机监测控制系统大多作为整套生产设备的一部分出现，而高技术含量往往又体现在控制系统上，先进技术的采用可以大提高整套设备的附加值，带来可观的经济和社会效益。

3.使用方便

①操作方便：

系统应尽可能降低对操作人员的专业技术知识的要求，操作的内容尽可能简单明了，操作的顺序清晰简明，便于记忆。

②排错方便：

系统中硬件的排列和安装合理，配有明显的指示或信号，并有