（无线电物理专业论文）河南油田三次采油的plc控制.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 随着计算机技术、通信技术、检测技术的迅速发展，特别是微型计算机的日益 普及，越来越多的控制系统采用了计算机进行控制。由于计算机控制具有控制灵活、 实现的功能强和精度高等许多优点，目前计算机控制技术己广泛地应用于冶金、石 油化工、机械加工制造、宇宙航天等诸多领域。 本文首先介绍了计算机控制系统的基本概念与系统组成，计算机参与生产过程 控制的方式以及计算机控制系统的发展趋势，随后对p l c 、d c s 、f c s 三种主流计 算机控制系统进行介绍，并比较了它们的优缺点。接着本文分析了河南油田聚合物 驱三次采油的生产概况、工艺生产流程及计算机控制系统总体要求，随后通过分析 现场控制方式与现场过程控制要求设计了一套计算机控制系统，并进一步讨论了该 计算机控制系统的工作过程和系统组成。本文重点从硬件和软件两方面分析和讨论 了整个计算机控制系统在现场的设计应用和实现情况。在硬件方面通过分析现场 p l c 控制原理图详细讨论了分散溶解单元、熟化外输单元、注入单元和通信单元各 p l c 控制单元的具体设计与实现；在软件方面通过分析现场设备控制逻辑图讨论了 p l c 各控制单元梯形图程序的实现，接着讨论了上位机上具体的监控界面设计、通 信设备和变量的定义以及数据改变命令语言和动画连接命令语言的实现。 关键词：计算机控制系统，可编程逻辑控制器，三次采油，聚合物驱油，自动控制 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n a n dd e t e c t t e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h em i c r o c o m p u t e rw i t he a c hp a s s i n gd a y ， m o r ea n dm o r ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m sa r ei n t r o d u c e dt ot h ef i e l do ft h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m s i n c et h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha si t s f l e x i b l ec o n t r o la b i l i t y ，p o w e r f u lf u n c t i o n s ，h i 曲a c c u r a c ya n ds oo n c o m p u t e rc o n t r o l t e c h n i q u eh a sa l r e a d yb e e na p p l i e dt oaw i d er a n g eo ff i e l d s ，f o ri n s t a n c e ，t h em e t a l l u r g y e n g i n e e r i n g ，t h ep e t r o l e u mc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dh u m a n s p a c e f l i g h t i nt h eb e g i n n i n g ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t s ，c o m p o n e n t s ，c o n t r o l m o d e sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m a n dt h et h r e em a i nk i n d so f c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h ep l c ，d c sa n df c s ，i ne x t e n s i v e l yu s en o w a d a y s ，a r e c o n c e r n e da n dt h e i rd i f f e r e n c e sa l ea l s oi n v o l v e di nt h ef o l l o w i n g p a r t s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep r o d u c t i o no fp o l y m e rd r i v eo i la th e n a n o i l f i e l d ，i t sw o r k i n gp r o c e s sa n dt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t so fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o lm o d e sa n dt h er e q u i r e m e n t so fp r o c e s s ，a c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h e ni t sw o r k i n gp r o c e s sa n ds y s t e ms t r u c t u r ea r e f u r t h e rd i s c u s s e d t h e n ，t h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m a r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eh a r d w a r ed e s i g no f d i s s o l v i n gu n i t ，m a t u r eu n i ta n d i n j e c t i o nu n i ta n da l lp l cc o n t r o lu n i t sa l ed i s c u s s e di nd e t a i lb yt h ea n a l y s i so fp l c c o n t r o lf l o wc h a r to nt h es p o t f o rt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h el a d d e rp r o g r a m so fa l lp l c c o n t r o lu n i t sa l ed i s c u s s e db yt h ea n a l y s i so fc o n t r o ll o g i cc h a r to fe q u i p m e n t s a tl a s ti t t a k e si n t oa c c o u n tt h ea p p l i c a t i o no fs u p e r v i s o r yi n t e r f a c ea n dt h ed e f i n i t i o no fv a r i a b l e s a n dc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n dt h es t r u c t u r eo fc o m m a n dl a n g u a g eo nh o s tc o m p u t e r k e yw o r d s ：c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，一 e n h a n c e do i lr e c o v e r y ( e o r ) ，p o l y m e rd r i v eo i l ，a u t o m a t i cc o n t r o l 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 素冠j 蒌 日期：2 0 n s 年f2 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 泰专i 蕉 日期：2 舾s 年l2 月 5 日 导师签名：7 日期：矿辱 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。圃童诠塞埕童卮溢卮! 旦堂生；旦二生；坚三生筮鱼! 作者签名：泰谊蕉 e l 期2 畸年f 2 月f 6e l 瑗士学饺论文 m a s t e r st i - i e s i s 第一章绪论 在国民经济各部门中，因为普遍应用了自动控制技术，所以在改善劳动条件、 提高产品质量和劳动生产率、实现企业管理自动化等各个方面取德了显著效果l l j 。 但是传统的控制系统( 模拟量控制系统) 在控制精度以及对复杂系统的设计和复杂 控制规律的实现上却存在着明显的局限性，很难满足更高的要求和标准。然而近三 十年来随着计算枫技术的迅速发震，越来越多的控制系统采用了计算机进行控制， 由于计算机是采用数字信号进行计算和赴戤它不仅可以实现各种复杂的控制算 法，两且处理数据量大、运算速度快、精度高，因此它能很好地满足那些实时控制 要求高、数据采集及处理量大、控制精度要求高的控制系统1 2 j 。目前在航空航天、 精密机械仪器制造等行业已离不开计算机控制系统。 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术的基础上产生并随着它们的 快速发展而向前发展的。自动控制技术的高性能和高要求为计算机技术的发展提出 了更高的标准和应用前景，推进了计算机技术向前发展；同时计算机技术的发展大 大促进了现代控制理论的应用，加快了智能控制方法的研究，特别是一些智能算法 如模糊控制、神经网络控制、专家控制等的实现p l 。 根据计算机在控制系统中所完成的控制功能和控制目的不同，可以将计算机控 制系统分为操作指导控制系统、直接数字控制系统( d d c ) 、监督计算机控制系统 ( s c c ) 、分级( 或分布式) 计算机控制系统等几种类型l 稍。霸前计算机控制系统的主流 发展方向是可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、集散控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s l e m ) 、现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 、 计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ) 。其中现场总线 由于具有全数字化、全分布式控制、双向通信、开放性和互操作性，是今后计算机 控制系统的发展趋势i 副。而p l c 与d c s 在发展过程中始终是互相渗透、互为补充 的。p l c 在数字处理、顺序控制方面具有一定优势，初期主要侧重于开关量顺序控 制方面；d c s 在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要侧重于回路调 节功能1 6 l 。后来随着它们不断地向前飞速发展，两者同时都向对方扩展了自己的技 术功麓。p l c 增加了数值计算、闭环控制、联网通信等功能，配备了各种智能模块， 具有了p i d 调节功能和构成网络系统组成分级控制的功能，以及d c s 所完成的功 能；d c s 把顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表、过程监控装置 有机地结合在一起，形成了既有单回路控制系统，也有多回路控制系统，同时也具 矮士攀饺论文 m a s t e r st h e s i s 有顺序控制功能网。如今，p l c 与d c s 的发展越来越接近，很多王堑生产过程既可 以用p l c ，也可以用d c s 来+ 炙现其控制功能。 p l c 实质上是一种专用予王业控制的计算机，它的硬件结构基本上与微型讨+ 算 机( p c ) 相同，但其工作过程则与p c 有些差异。p l c 早期主要用于顺序控制，只 能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器。后随着微电子技术和计算机技术的迅 速发展，p l c 功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范丽，它不仅具有逻辑运算、 定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有a d 和d a 转换、数值运算和数据处 理、通信联网等功能，因此现改称势可编程序控制器，简称p c ( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) 。但由于p c 容易和个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 混淆，故人们仍习 惯用p l c 作为可编程序控制器的缩写。臣前，p l c 已广泛应用于冶金、石油、化 工、电力、机械制造、汽车、轻纺等行业。 由于p l c 在逻辑控制、顺序控制方面有优势，而且多个p l c 与上位计算机之 间能相互连成网络，构成以p l c 为主要部件的初级控制系统，此外，通过配置 s c a d a 监控软件，上位p c 机通过t c p i p 网络协议可以和多个远程计算机( 即远程 节点) 进行逶信，使用户能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网。 目前国内绝大部分油田己进入原油开采后期，开采难度越来越大，二次采油技 术已远远不熊满足生产的需要。为了提高原油采收率，增加原油产量，国内外一直 在进行三次采油的技术研究，聚合物驱油只是其中的一种三次采油技术。因为聚合 物驱油的特点是高技术、高投入、高采收率，但同时存在投资风险高，所以国外一 般只在少量井进行试验，很少搞规模化推广应用，他们进行试验的设备采用简易的 撬装式或车载式，各个撬装设备单独构成控制单元，虽然也组成了计算机控制系统， 但整个控毒l 系统的自动纯程度不高。在国内除了河南油困外，大庆油田、大港油雕 也早已开展了三次采油的技术研究攻关工作，它们在聚合物驱油自动控制上有较成 熟的技术经验。聚合物驱油的工艺过程并不复杂，它分为分敖溶解、熟化外输、注 入三个过程。根据聚合物驱油生产规模的不同，可以选用不同的聚合物驱工艺设备。 其中聚合物分散溶解装置主要有两种类型：p f i z e r 分散溶解装置和a l l i e dc o l l o i d s 分散溶解装置阍。p f i z e r 装置主要应用在配液畿力不高、配制浓度要求较高的场合， 而a l l i e dc o l l o i d s 装鬻主要适用于大规模工业化推广应用。聚合物驱油中的注入流 程也有不同，哥前国内油曝主要有两种注入流程：单泵单井流程和一泵多井流程。 单泵单井流程的优点是聚合物溶液的浓度和排量易控制，缺点是投资大；泵多井 流程适用于流量或压力差别不大的注入井，其缺点是聚合物溶液的排量不容易控 制。 2 硕士擎馁论文 m a s t e r st h e s i s 在聚合物驱油串，不管采用哪种工艺流程设备，控制好母液浓度和井口注入浓 度是至关重要的，它直接影响着驱油的效果，是三次采油成败的关键，而聚合物溶 液的配制、溶解、熟纯过程对人工操作来滢十分困难，两且手动控制造成聚合物的 粘度、溶解情况很难达到要求，因此，采用自动化控制技术精确控制母液浓度和井 口注入量就显得尤为重要。在河南油田聚合物驱三次采油中，主要是以开关量逻辑 控制为主，只有少量过程参数的闭环控制，正是基于这种实际生产情况，我们才设 计了p l c 和配置有s c a d a 软件的工控机柬组成计算机控制系统，以满足生产需要， 保证河南油溺三次采浊生产过程的正常运行。 本文的主要内容分为六章。第一章为绪论部分，主要说明计算机控制系统的基 本概况，国内外聚合物驱三次采、油技术的基本情况及现状。第二章主要介绍了计算 机控制系统，包括计算机控制系统的基本概念、组成与特点及类型，并从计算机控 制系统的发展趋势对d c s 、p l c 、f c s 的特点作了详细分析。第三章首先分析了聚 合物驱油机理、工艺流程及溺南油团聚合物驱油的生产概况，然后详细分析研究了 聚合物驱油计算机控制系统的规模、技术要求及现场控制过程，最后通过分析，设 计了计算机控制系统总体方案。第图章主要透过详细研究分散溶解单元、熟纯夕 输 单元、注入单元及通信单元的现场控制对象，分析和讨论了计算机控制系统中下位 枫p l c 的具体硬件实现。第五章主要从软件方面分析了p l c 和监控计算机的实现 过程，以及控制软件所实现的功能。第六章为结束语，总结了全文，分析说明了河 南油田三次采油计算机控制系统目前的应用效果，并对今后的计算机控制系统应用 提出了一些问题，最后对今后的工作做出展望。 3 族士学镀论文 m a s t e r st h e s i s 第二章计算机控制系统概述 自从二十世纪七十年代以来，随着大规模集成电路的发展，出现了微型计算机 和单片机。由于计算机的运行速度和工作可靠性不断提高而成本却不断降低1 9 ，同 时嚣为其在数据采集及批量处理、控制精度及实现各种复杂的控制算法上有j 常显 著的优点，所以计算机在自动控制领域得到了越来越广泛的应用。 2 1 计算机控制系统基本概念 凡是利用计算机参与生产过程控制的系统，被称为计算机控制系统l l 小。计算机 控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。在计算机控制 系统中，除了包含有数字信号外，其中也含有连续的信号，因为被控对象是连续的。 不过，蠢前的现场总线控制系统中就不包含有连续信号，它是全数字化计算机控制 系统。所以，计算机控制系统有时也称为数字控制系统。在计算机参与控制以前， 人们都是利用常规的模拟量控涮系统来实现生产过程隆动纯。但随着生产向连续 化、大型化方向发展，对自动化控制系统的要求越来越高，要求系统能实现复杂的 控制规律、有很强的逻辑判断、对批量数据进行快速处理等等，很显然这些功能是 常规的模拟量控制系统所不能完成的l n l 。常见的连续控制系统的典型结构如图2 1 所示，系统中各处的信号均为连续信号。 从图中我们可以看到，模拟式控制器对误差信号e 进彳亍加工处理后，产生控制 信号去驱动执行装置。由于它只能对误差信号进行简单操作处理，而不能完成复杂 的控制规律运算处理，因此後往待不到满意的控制性能。如果将上述连续控制系统 中的比较器和控制器的功能用微型计算机来实现，并配上a d 转换器和功，a 转换 器，就构成了如图2 2 所示的典型计算机控制系统l 。 图2 1连续控制系统的热型结构 4 ，。： i微烈计算机 ； 图2 2计算机控制系统基本框鹭 计算机控制系统的控制过程通常可以归结为以下两步f 1 2 】： ( 1 ) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输入 到计算机进行处理。 ( 2 ) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发 出控制信号。 上述过程将会不断重复进行下去，整个计算机控制系统会按照一定的品质指标 连续工作，并且对被控参数和设备本身所出现的异常状态能及时进行监测并迅速作 出处理。 2 2 计算机控制系统的维成与特点 2 。2 ，l 计算机控制系统的组成 计算机控制系统e l j 计算机系统和被控对象两部分组成，如图2 3 所示【。 外 主过 自 ，r 部 程 动 被 化 控 设概 通仪对 备 道 袭 一 ： 象 1 i ： 幽2 3计算机控制系统的纰成幽 5 计算机系统又由硬件和软件甄部分组成，现分别麓述如下： ( 一) 、硬件 硬件包括主枧、过程通道、外部设备和工业皇动纯仪表p l 。 1 主机 主机是计算机控制系统的核心。其主要任务是：根据过程通道检测出来的生产 过程工况参数和操作人员通过外部设备送来的控制信怠，按照预先确定好的控制算 法，经过运算和处理等工作，通过过程通道向系统的各个部分发比各种命令，以便 完成对生产过程的控制和与操作人员联系。 2 过程通道 过程通道是指计算机控制过程的输入输出通道。它是计算机和被控对象之闻设 置的信息传送和转换的连接通道。输入通道有模拟量输入通道和数字量输入通道。 通过它，把生产过程中的各种参数和执行机构的运行状态转换成计算机能够识别的 二进制码，并输入给计算机，以便计算机进行运算和处理；输出通道有模拟量输出 通道和数字量输出通道。通过它，把计算机运算的结果发出的各种控制命令转换成 操作执行机构的控制信号，以便透过执行机构去控制生产过程。 3 外部设备 外部设备是入机联系设备，通常由视频显示器、打印机、磁盘和键盘等组成。 通过它可以把操作人员的指令送给计算机执行；另一方面，把生产过程的运行状态 和计算机的运行状态显示给操作人员。 4 工业自动化仪表 工业自动化仪表包括有检测仪表、显示仪表和执行器等，过程输入输出设备必 须通过这些仪表才麓与被控对象联系。 ( 二) 、软件 软件是指能够完成各种功戆的计算机控制系统的程序系统。它是计算机系统的 神经中枢，整个系统的动作，都是在软件的指挥下进行协调工作的1 1 3 j 。它由系统软 件和应用软件组成。系统软件通常包括操作系统、语言加工系统和诊断系统等，它 具有一定的通用性，一般随硬件一起由计算机生产厂家提供。应糟软 每楚为了实现 生_ 产过程的应用控制，用户根据需要，按着一定的控制算法和数学模型而编制的程 序。在计算机控制系统中刚是指完成系统内各种任务的程序，如控制程序、数据采 集及处理程序、巡回检测及报警程序等。 2 2 。2 计算枧控制系统的特点 6 矮士擎谯论文 m a s t e r st h e s i s 计算机控制系统与连续挖制系统相毙，具有以下特点： 1 、在连续控制系统中，各处的信号均是连续模拟信号。而在计算机控制系 统中，可以是模拟和数字捆混合的信号，也可以是全数字化的信号。 2 、在连续控制系统中，控制规律是由模拟电路实现的，控制规律越复杂， 所需要的模拟电路往往越多。如果要修改控制规律，一般必须改变原有的电路 结构。而在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的，修改一 个控制规律，只需修改程序，一般不对硬件电路进行改动，因此具有很大的灵 活性和适应性。 3 、计算机有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不 能实现的复杂控制艇律。 4 、在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产 生的偏差也是连续调节的。两在计算机控制系统中，计算机每隔一定时间间隔， 向a d 转换器发出起动转换信号，并对连续信号进行采样，经过计算机处理詹， 产生控制信号通过d a 输出，将离散时间信号转换成连续时间信号，作用于被 控对象。嚣此，计算机控制系统并不是连续控制的，丽是离散控制的。 5 、在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。而在计算机控制 系统中，由于计算枧具有高速的运算处理能力，一个数字控制器经鬻可以采羯 分时控制的方式，同时控制多个回路。 6 、采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等， 便于实现控制与管理一体化，使企业的自动化程度进一步提高l l l 。 2 。3 计算祝控制系统的类型 根据计算枧在控制系统中的控制功能和控制譬的，可将计算机控制系统分为以 下几种类型。 一、操俸指导控制系统 所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被控对象，只是每隔定时间 对现场参数进行一次采集焉送入到计算机进 亍计算与处理，然蜃进行撮警、打印和 显承。操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。操作指 导控制系统是一种开环控制结构。浚系统的优点是结构篱单，控制灵活和安全。缺 点是要人工操作，速度受到限制，故不适合用于快速过程的控制和多个对象的控制。 7 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 二、直接数字控制系统 直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统是计算机用于工业过程控制最 普遍的一。种方式。计算机通过检测装置对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经 过输入通道送入计算机。计算机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号 直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。d d c 系统中的计算机参 与闭坏控制过程，它不仅取代模拟控制器，实现多回路的p i d 调节，而且只通过改 变程序就能有效地实现较复杂的控制。 三、监督计算机控制系统 监督计算机控制( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) 系统简称s c c 系统。在d d c 系统中，是用计算机代替模拟控制器进行控制的。而在s c c 系统中，则是由计算机 按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟控制器或者d d c 计算 机，最后由模拟控制器或者d d c 计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于 最佳工作状态【1 】。监督计算机控制系统有两种不同的结构形式。一种是s c c + 模拟 控制器系统，在该系统中当s c c 计算机出现故障时，可由模拟控制器独立完成操作； 另一种是s c c + d d c 系统，在该系统中当d d c 计算机出现故障时，可由s c c 级 计算机代替，因此系统的可靠性可大大提高。 四、分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在 不同的区域，其中各工序、各设备同时并行地工作，基本相互独立。过去由于计算 机价格高，复杂的生产过程控制系统往往采取集中控制方式，但这种控制方式有着 致命的弱点，即危险集中，一旦计算机发生故障，将会导致整个生产过程的全面瘫 痪。后来随着价格低廉而功能完善的微型计算机的出现，则可以由若干台微处理器 或微型计算机分别承担部分任务i 。这种分级( 或分布式) 计算机控制系统的特点 是将控制任务分散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能进行管 理。典型的分级计算机控制系统如图2 4 所示。图中的计算机控制系统分为三级： d d c 级是最下级，称为装置级，它用于直接控制生产过程；s c c 级是中间级，它 主要负责集中生产过程信息，对生产过程进行优化，实现自适应或最优控制等，指 挥d d c ，接受m i s 级命令并向m i s 级反馈信息；m i s 级作为管理级，它负责制定 生产汁划、生产调度和指挥s c c 级计算机j 上：作。如今大中型工业过程控制系统一般 8 项士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 都采用分级( 或分稚式) 计算机控制系统，即由多台计算机组成计算机控带u 系统， 共同完成各种生产任务。此外，有时生产过程控制系统还需要与其它计算机系统( 例 如全厂的综合信息管理系统) 之间进行数据通信。 i 过程 l 图2 4 分级计算机控制系统 2 4 计算机控制系统的发展趋势 随着生产力的发展和生产规模的扩大，计算机控制系统在不断满足人们新的发 展要求。目前，计算机控制系统的发展趋势是集散控制系统d c s 、可编程逻辑控制 器p l c 、现场总线控制系统f c s 以及计算机集成制造系统c l m s 。下面仅对d c s 、 p l c 、f c s 三种计算机控制系统分别予以简单介绍。 一、集散控制系统( d c s ) 集散控制系统又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行 集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处 理技术、测量控制技术、通信网络技术、c r t 技术、图形显示技术及人机接口技术 相互渗透发展而产生的【1 4 】。d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机 控制系统，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组 念灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单 规范化、调试方便、运行安全可靠的特点，适用于石油、化丁：、冶会、轻工、造纸 等各种，卜产过程，能提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消 9 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产的安全，促进工业技术发展，创造最 佳的经济效益和社会效益i 巧j 。 当今d c s 向综合化、开放化等几方面发展：各制造厂商都在“丌放性”上下功夫， 力求使自己的d c s 与其他厂商的产品很容易地联网；大力发展和完善d c s 的通信 功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品； 高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；在控制功能中，不断引进 各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制 等；在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求。 二、可编程逻辑控制器( p l c ) p l c 是可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的英文缩写。它是于 7 0 年代发展起来的一种新型控制系统。当初它主要应用于需要进行顺序控制的生产 过程，由于它采用了模块化插件，扩展方便，可灵活地配置系统，同时它还采用了 梯形图编程逻辑，编程非常容易，因此它广泛地应用于化工、冶金等行业。近年来 随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，p l c 在 技术和功能上发生了飞跃。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数 等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通信、自诊断等功能。在硬件 方面，通过提升微处理器的档次，进一步提高了p l c 的处理速度。此外，在模块方 面除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程模块、p i d 模 块、通信模块等各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，提供了一定数量的数 据寄存器。如今p l c 随着其编程指令的丰富和功能模块的不断增加，它所实现的控 制功能也越来越多，特别是个人计算机被吸收到p l c 系统中后，它能通过网络链实 现远程监控和多级控制，因而也可构成为一个集散系统。 现代p l c 的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和 价格更低的微小型方面发展：其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功 能方面发展1 5 1 。大型网络化主要是朝d c s 方向发展，使其具有d c s 系统的一些功 能。网络化和通信能力强是p l c 发展的一个重要方面，向下可将多个p l c 、i o 框 架相连；向上与工业计算机、以太网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。多功 能化方面，随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使p l c 控制领域更加宽广。 三、现场总线控制系统( f c s ) l o 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 现场总线控制系统f c s 被定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之f b j 实现双向串行数字通信的系统l l n 。f c s 系统可以将p i d 控制彻底分散到现场设备 ( f i e l dd e v i c e ) 中。基于现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全开放和可互 操作的新一代生产过程自动化系统，它取代了现场对一的4 2 0 m a 模拟信号线， 给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化1 1 8 】。现场总线控带h 系统通 常由以下部分组成：现场总线仪表、控制器、现场总线线路、监控组态计算机。f c s 具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、开放性、互 操作性、智能化与自治性等优点。 四、三种系统比较 p l c 与d c s 在发展过程中始终是互相渗透、互为补充的【”j 。p l c 在数字处理、 顺序控制方面具有一定优势，初期主要侧重于开关量顺序控制方面；d c s 在模拟量 处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要侧重于回路调节功能。后来随着它们 不断地向前飞速发展，两者同时都向对方扩展了自己的技术功能。p l c 增加了数值 计算、闭环控制、联网通信等功能，配备了各种智能模块，具有了p i d 调节功能和 构成网络系统组成分级控制的功能，以及d c s 所完成的功能；d c s 把顺序控制装置、 数据采集装置、过程控制的模拟量仪表、过程监控装置有机地结合在一起，既有单 回路控制系统，也有多回路控制系统，同时也具有顺序控制功能。如今，p l c 与d c s 的发展越来越接近，很多工业生产过程既可以用p l c ，也可以用d c s 来实现其控制 功能。目前在河南油田原油集输站( 联合站) 多回路计算机控制系统中，有的站应 用了和利时的h s 2 0 0 0d c s 系统，有的站应用了西门子的s 7 3 0 0p l c 系统，两 种系统应用效果都非常好，很难说孰优孰劣。 伴随着数字化时代的来临，f c s 必将成为工业自动化领域中计算机控制系统的 主流。d c s 将会朝着f c s 的方向发展1 7 0 】。虽然以现场总线为基础的f c s 发展很快， 但f c s 发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统 的维护和改造还需要d c s ，因此f c s 完全取代传统的d c s 还需要一个较长的过程， 同时d c s 本身也在不断的发展与完善1 2 。可以肯定的是，结合d c s 、工业以太网、 先进控制等新技术的f c s 将具有强大的生命力。 第三章油田三次采油计算机控制系统方案设计 一个新的计算机控制系统的方案设计，不仅要研究了解计算机控制技术，而且 要清楚生产过程控制工艺流程，熟悉各种过程控制参数，只有这样设计出来的计算 机控制系统才能满足生产实际需要，运行稳定可靠。 3 1 河南油田三次采油生产概况 油田原油开采进入后期，综合含水越来越高。随着采出程度增高，可采储量降 低，原油开采越来越困难，以前靠往地下注水采油( 二次采油) 的方法显然已不能 满足生产的需要。当二次采油末期油田含水上升到经济极限后，为了提高采收率， 增加原油产量，必须要用注水以外的新技术继续进行开采，这就是三次采油，简称 e o r ( e n h a n c e do i lr e c o v e r y ) ，亦称强化开采技术。与二次采油方式相比，三次采 油的特点是高技术、高投入、高采收率，应用该方法可以获得很高的经济效益。目 前三次采油技术的研究很多，主要有热力采油技术、气体混相驱采油技术、化学驱 采油、微生物驱纠8 1 。其中在河南油田应用较成熟并已进行工业化规模推广的三次 采油技术有蒸汽吞吐采油和聚合物驱采油。本文只介绍其中的一种三次采油技术一 聚合物驱油。 一、聚合物驱油机理 水驱是一种简单、经济和应用广泛的二次采油方法，但由于受到油层的非均质 性和不利的流度比等重要因素的影响，一般水驱的采收率较低。而聚合物是作为一 种添加剂加入到水中，使增稠、粘度增高，以增加注入油层中溶液的阻力系数，提 高注入液的波及体积和驱替效犁8 1 。关于聚合物的驱油机理，目前普遍认为，聚合 物通过增加注入水的粘度和降低油层的水相渗透率，而改善水油流度比、调整注入 剖面而扩大波及体积，进而提高原油采收率。 二、聚合物驱工艺流程 概括起来讲，所谓聚合物驱油就是将聚合物干粉和水混合配制成高浓度的母 液，然后加压和高压水混合稀释成低浓度的聚合物溶液，注入井中。聚合物溶液配 制及注入的工艺流程为： 1 2 配毖分数熟化- 泵输过滤储存罐升压诗量配比 稀释混合注入 即将聚合物千粉霜水按所需浓度配割进入分敖装置润湿，通过转滚泵输送到熟化罐 搅拌一定时间，完全溶解后经输送泵进入储罐配成母液，然后再经过电磁流量计计 量后进入高压柱塞泵增压，最矮进入高压注水管线孛，与注入的低矿化度水一起经 静态混合器混合稀释后注入井中。至此，聚合物溶液的配制过程和注入过程全部完 成。河南油田聚合物驱工艺流程简图如图3 1 所示。 霾3 1涎南油田聚会钧驱工艺漉程霭图 由于聚合物驱油对聚合物溶液的粘度有非常特殊的要求，必须保证注入到井口 的溶液满足一定的粘度，因此保护聚合物的粘凄是整个系统的核心。在工艺生产流 程中首先要考虑的是粘度的机械降解，为了避免机械剪切降解，在分散、熟化、注 入生产过程中的管线均采用了不锈钢管线，各种手动阙和电动阀均采用球阙或蝶 阀，各种泵采用容积式柱塞泵和螺杆泵，流量计采用电磁流量计，聚合物溶液熟化 过程的搅拌器采用低转速【8 1 8 。其次，为了保证配制过程中聚合物母液的粘度和注入 过程中向井口注入的粘度，采用自动化控制代替人工手动操作也是十分重要的。最 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 后，聚合物干粉的选用也很关键。聚合物分子量要高，一般超过一千力，水溶性好， 有的还要求耐高温。目前河南油田所使用的聚合物为聚丙烯酰胺，大部分是从国外 进口的。 3 2 计算机控制系统总体要求 3 2 1 设计目的及规模 由于聚合物溶液的配制、溶解、熟化过程对人工操作来说十分困难，而且手动 控制造成聚合物的粘度、溶解情况很难达到要求，因此为了提高聚合物的配制粘度， 同时为了减轻工人的劳动强度，方便操作人员对整个生产流程、各工艺参数进行实 时监控，有利于日常管理维护，非常有必要采用计算机控制系统对整个系统实现监 控。 从控制的角度来划分，整个聚合物驱过程控制系统可分为分散控制单元、熟化 外输控制单元、注入控制单元、数据采集与监控单元共四个控制单元。其中分散控 制单元、熟化外输控制单元、注入控制单元分布在现场，而数据采集与监控单元可 安置在监控中心。 在河南油田聚合物驱三次采油生产中，现场要监控的装置设备总共有两套分散 装置，四个熟化罐和一个储罐，七台螺杆泵，八台注入泵，二台清水离心泵，两台 鼓风机，两台下料器，五台搅拌器。现场的电气仪表设备主要有十台电动阀，两台 变频器，两台调节阀，十三台电磁流量计，八台涡轮流量计，九台超声波液位计， 十三台压力变送器，两台物流检测仪，两台低料位开关，八个浮球液位开关。 3 2 2 控制系统技术要求 1 、整个控制系统主要包括以下控制设备：两套分散溶解装置采用各自独立的 控制柜进行控制，熟化外输( 包括供水和转输) 控制系统采用一台控制柜和一 台开关柜进行控制，站内注入监测控制系统采用一台控制柜进行监测，中心控 制系统采用两套工控机同时工作、互为热备份的形式进行控制。 2 、整个控制系统实行三级控制：即远程监控、现场单元自动控制、手动操作 控制。整个系统可以对任何设备单元进行任何级别的控制操作。第一级( 手动 控制) ：每一设备单元均有完备的独立手动控制，无须经过现场控制单元及控制 中心即可完成手动启动弓停止，不过应注意按照工艺生产流程操作顺利进行； 1 4 顽士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第：级( 现场单元自动控制) ：各系统均具备独立自动逻辑控制功能，即不需经 中心控制系统，由本现场控制单元束实现装置或系统其它各部件自动连续运行； 第三级( 远程监控) ：系统操作台在中心控制室内，各控制操作在操作台上进行。 在系统操作台上可进行相应的控制参数、指令的输入与操作运行参数的监控。 如果设备单元是处于第一级或第二级控制状态下，则控制指令不能从系统操作 台输入，但可对相应工艺参数进行监测。同时，中心控制室还可进行数据记录、 故障点、故障内容、故障时间报警显示，并具有声光报警。 3 2 3 现场控制过程 现场控制过程是整个计算机控制系统设计中的最关键部分之一，它实际上就是 控制软件设计中的用户需求部分。只有了解了需求，弄清楚了控制系统中受控设备 的逻辑次序关系，才能准确设计出控制软件，满足生产过程控制需要。三次采油聚 合物驱现场控制过程主要有分散溶解装置的自动控制、熟化外输系统和注入系统的 自动控制，下面分别予以详述。 1 、分散溶解装置的自动控制过程 1 ) 启动清水泵5 秒钟后，打开上水电动球阀； 2 ) 启动鼓风机； 3 ) 当分散溶解罐的液位淹没搅拌器的低层叶片时，启动搅拌器； 4 ) 启动螺旋下料器，并按进水量及设定的配比浓度，调节聚合物干粉下料量； 5 ) 当分散溶解罐的液位不断升高，达到设定高度时开启输送泵，而当液位达 到设定的上限时，控制系统应按比例减少进水量及下料量； 6 ) 当分散溶解罐的液位不断下降，达到设定的下限时，控制系统应按比例增 加进水量及下料量； 7 ) 当因某种原因需要停止工作时，分散系统应首先停止