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基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 基于d g s 的海洋平台水处理计算机控制系统 摘要 海洋石油生产平台担负着该平台所处油田的注水任务，是海洋石油生产中的 重要环节，而平台的注海水处理工艺是确保海上石油开采的关键。但目的该平台 所存在的问题是：由于油田所处海域海水水质特殊，使得处理后的海水难以达到 入注指标；再者，目前的油田注水供大于需，经水处理工艺处理后的海水，其多 余部分采取回流措施排海，造成水源、能源和水处理药剂的浪费；此外，由于海 上注水无配水问分水，造成注水泵机组不能实现平稳增压注水。 因此，针对该平台水处理工艺所存在的以上问题，本文提出了以下解决方案： 为平台的整个水处理工艺构建基于d c s 的计算机控制系统，其系统下位采用工业 可编程控制器p l c 实现对过程现场的分散控制，并开发相应的上位实时计算机监 控系统实现对整个水处理工艺的全局监控与实时动态模拟，且创建相应的数据管 理系统实现对过程现场的工控数据进行有效管理，为平台水处理工艺的静态最优 化生产获取资料依据。此外，为平台注水泵机组的优化运行构建了基于专家整定 p i d 控制的变频调速恒压注水控制子系统，并开发了相应的软件模块，完全省却 了p i d 控制器的硬件设备，使得注水泵机组可以根据油田注水量的配注方案优化 运行，自动控制注水泵的转速和运转台数，既能实现平稳增压注水，又能在很大 程度上节能降耗。 长期的运行结果表明，该计算机控制系统的实施切实有效，既成功实现了对 被检测参数的数据采集与处理、远传以及注水泵机组的变频调速恒压注水控制， 又提高了系统的自动化程序，真正实现了无人值班作业，在很大程度上降低了工 作人员的劳动强度，极大的改善了现场的管理状况，提高了生产管理水平，且有 效避免了设备损耗，提高了水处理效率，降低了生产成本。 关键词：d g s ；监控系统；专家整定pj d ；变频调速 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo fo f f s h o r ep l a t f o r ms e a w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s sb a s e do nd c s a b s t r a c t o n ec e r t a i no f f s h o r ep l a t f o r mt a k e st h ed u t yo fs e a w a t e r i n j e c t i o n i nt h e o i l f i e l d ，a n dt h e s e a w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s so ft h eo f f s h o r e p l a t f o r mi s t h ek e yt oe n s u r ep e t r o l e u me x p l o i t a t i o ni nt h es e a b u tt h e p l a t f o r mh a s s o m ep r o b l e m sa sf o l l o w s ： f if s t ，t h es e a w a t e rq u a l i t yo ft h es e aw h e r et h eo i lf i e l di s1 0 c a t e d iss os p e c i a lt h a ti t i sd i f f i c u l tt om a k et h et r e a t e ds e a w a t e ra c h ie v e t h ei n j e c t i o ni n d e x s e c o n d ，t h es u p p yo fs e a w a t e ri n j e c t i o r lo ft h eo il f i e l di sm o r et h a nt h ed e m a n d ，a n dt h es u r p l u si sd r a i n e dd i r e c t l yt ot h e s e ab yc i r c u m f l u e n c et h a tm a k e ss e a w a t e rr e s o u r c e s ，e n e r g yr e s o u r c e sa n d m e d i c a m e n tf o rs e a w a t e rt r e a t m e n tw a s t e a n dt h i r d ，i tisv e r yd i f f i c u l t f o rt h ep u m p st or e a l i z ec o n s r a n tp r e s s u r ei n j e c t i o nb e c a u s et h e r eisn o d i s t r i b u t i n g r o o mf o rs e a w a t e ri n j e c t i o ni nt h es e a s o ，i no r d e rt or e s o l v et h o s ep r o b e m sa b o v e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d s o m ep r o p o s a l sa sf o l l o w s ：t oe s t a b l i s ht h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo f o f f s h o r ep l a t f o r ms e a w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sb a s e do nd c s ，t h ei n d u s t r i a l 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 s ( p l c ) a s t h el o c a lc o n t r o ll a y e r so ft h e s y s t e ma r ea p p l i e d t oc o n t r o ld i s t r i b u t i n gu n i t so ft h es e a w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s ，a n dt od e v e l o pt h er e l e v a n t r e a l t i m ec o m p u t e rm o n i t o r i n ga n d c o n t r 0 11i n g s y s t e ma p p l i e d t ot h ec e n t r a lc o n t r o l l a y e r t or e a li z e a l l s id e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 1 i n gf o rt h es e a w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ， a n dt or e a li z ed y n a m i cs i m u l a t i o i 3 a n dr e l e v a n td a t am a n a g e m e n l s y s t e m i sd e v e l o p e dt or e a l i z ee f f e c t i v ed a t am a n a g e m e n t i na d d i t i o n ，i no r d e r t om a k et h ep u m p sr e a l i z ec o n s t a n ti n j e c t i o np r e s s u r e ，t h ee x p e r tt u n in g p i dv f v sc o n s t a n t i n j e c t i o np r e s s u r ec o n t r o l s u bs y s t e mf o r p u m p s is e s t a b l is h e da n dr e l e v a n ts o f t w a r em o d u l eisd e v e l o p e d t h es u b s y s t e mc a n 2 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 c o n t r o la u t o m a t i c a l l yt h eq u a n t i t ya n dr o t a t es p e e do ft h ep u m p st u r n i n g t or e a li z et h ep u m p so p t i m u mf u na c c o r d i n gt ot h es e a w a t e ri n j e c t i o np l a n o ft h e o i l f i e l d ，w h i c hr e a l j z e sc o n s t a n t i n j e c t i o np r e s s u r e ，e n e r g y s a v i n ga n dd e c r e a s e st h ec o n s u m p t i o nt oa1 a r g ed e g r e e t h er e s u i to fl o n g t e r mo p e r a t i o ns h o w st h a tt h ec o m p u t e rc o d t r o l s y s t e mi sp r a c t i c a la n de f f e c t i v e ，i tc a nr u ni nt h eo p t i m a ls t a t ew it h i n a 】o n gd u r s t jo nt of u 1 yr e a l i z ed a t ac o l l e c t j o na n dp r o c e s s r e m o t ed a t a t r a n s m is s i o na n dv f v sc o n s t a n ti n j e c t i o nc o n t r o lo fp u m p s i ts p e e d su d t h ea u t o m a tic p r o c e d u r e s o ft h es e a w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s ，t e a 1y t e a iiz e st h eu n m a n n e dw o r k i n g ，d e c r e a s e st h ep h y s i e a li n t e n s i t yt oal a r g e e x t e n t ，i m p r o v e st h em a n a g e m e n t ，e n h a n c e st h em a n a g e m e n t1 e v e l ，a v o d s e q u i p m e n tw e a rd o w na s m u c ha sp u s s i b l e ，m a k e st h es e a w a t e rt r e a t m e n t e f f i c l e n ta n dl e s s e n st h ec o s to fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：d c s ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，e x p e r tt u n i n gp i d ， v a r i a b l ef r e q u e n c ya n dv a r i a b l es p e e d ( v f v s ) 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 第一章前言 1 1 课题的提出 1 1 1 课题来源与背景 该课题来源于某油田一海洋平台的注海水处理系统自动化改造项目。 该油田所处海域的海水深度为1 1 5 m 左右。水质受季风、潮汐、环境温度、 黄河水量等因素的影响，水质变化较大，表现出季节性差异，夏季水质较清，悬 浮物含量低，微生物数量多；冬季海水较浑浊，水质情况与夏季相反。该油田于 2 0 0 0 年7 月份投入注水开发，其注水水源有两种：地层采出水和海水，由于初 期原油含水较低，分离出的污水满足不了油田注水要求，因此初期以海水为注水 水源。海水处理由该油田的某平台完成，设计曰处理海水能力1 0 0 0 0 m 3 d ，净化水 经该平台上的注水泵加压后通过海底注水管网送至各井组平台的注水井。 海水提升泵 一级气水分离器 电解氯化il 加药装置 压力斜板沉降罐 工 一细滤器i 二级气水分离器h 注水罐h 注水泵t - - q 海底管线t - h 注水井 图1 1 注海水处理工艺流程图 平台注海水处理系统工艺流程如图1 】所示。海水经海水提升泵提升后首先 经过粗滤器，滤去9 8 以上粒径大于1 0 0um 悬浮固体，然后再按比例加入混凝 剂和絮凝剂，进入压力斜管沉降罐涡流中和反应区，靠涡流作用充分混合反应， 使微小颗粒絮凝聚结成为较大颗粒，而非溶性化合物经过化学反应生成沉淀，再 进入斜管沉降区进行重力分离，达到水质净化的目的。经沉降后的海水进入细滤 器，海水中的悬浮物被细滤器的双介质滤层拦截，滤后海水从细滤器出水口排出 到超重力脱氧机，实现部分脱氧，从而降低海水中氧的含量。经过脱氧处理的海 水经u 型管进入一级气水分离器，分离出海水中携带的游离天然气并将其排放 到放空火炬，然后再进入二级气水分离器分离出溶解在海水中的天然气，以保护 薰 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 浊水罐免受天然气的冲击。经气水分离后的海水进注注水罐，然后经注水泵加压 后经海底注水管线分别输送到各井组平台，最终实现对注水井的注水。 海水处理中主要的i 艺技术 ( t ) 籽过滤技术 粗过滤装置采用了美国a m i a d m o d e l 2 2 4 型内衬橡胶膜，滤网为3 1 6 不 锈钢编制，孔径1 0 0 _ u n ，过滤能力2 5 0m 3 h 。3 台撬装，两用一备，其主要作用 截留并滤除9 8 以上的粒径大于1 0 0 m 的大颗粒悬浮物，保护下游设备免于固 体浓度太高，提高压力斜管沉降罐及双滤料过滤器的处理效率。采用的反洗方式 有手动反洗、时间自动反洗、差压自动反洗、强制反洗四种。 ( 2 ) 药剂投加工艺 平台加药撬块一座，含6 座加药罐、1 6 台计量掘药泵，目前授掘殴种加药 剂：缓蚀阻垢剂( s l 一2 ) 、混凝剂( s l 一3 ) 、絮凝剂( s l 一4 ) 、杀菌剂( 十二烷基 二甲基氯化苄) ，通过投加一定浓度的化学药剂使处理后水质达到注入标准。 ( 3 ) 细过滤技术 细过滤为第二级过滤，平台采用g l h a 4 6 0 0 6 型双滤料全自动过滤器，过滤 介质为无烟煤和石英砂。该装置主要有滤罐( 5 座) 、罗茨鼓风机、反冲洗泵、 空压机、主管汇、气路系统和电路系统组成，撬块化安装，五罐并联，下流过滤， 上流反洗。 过滤原理：经沉降工艺处理后的海水流过细滤器滤床时，海水中的悬浮物被 不同级配的双介质滤层拦截，滤后海水经过集水系统从装置出水口排除；随着滤 层拦截悬浮物固体的不断增多，海水流动阻力逐渐增大，在程序设定或手动方式 控制下，可自动或因需进行反洗，使滤料再生。 ( 4 ) 超重力脱氧工艺 平台使用2 台f l l 6 0 2 5 0 型超重力脱氧机，其主要由底盘、壳体、旋转床、 喷淋管、主轴、机械密封组件、电机、传动系统和液压站等部分组成，立式装配， 电机与旋转床采取皮带传动，既克服了卧式装置易出现的轴弯曲等故障问题，又 充分利用了平台高度，减少了平台占用面积，单台设计处理量为2 5 0 m 3 1 。 超重力脱氧机是使用数百到数千转的旋转填充床，产生高达数百的离心力 场，使气液流速及填料比大大提高而不泛液。工作过程中，液体由旋转床中心进 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 入，在强大的离心力场作用下向外甩，天然气由外缘进入，在压力梯度作用卜 沿径向向内流动，与破碎后高分散的“液体”逆向接触，完成质量传递与反应，达 到脱氧目的。 1 12 问题的提出 由于平台竣工较早，后来又进行了整体改造扩建，注水设施闲置时i 日j 长，海 上生产环境恶劣，设备腐蚀、老化、损坏较快，故障发生率较高，系统投产后， 暴露出了些问题，有待及时解决。 注衣泵机组不能优化运行： 平台的注水泵机组对平台所处油田的注水工作起到了关键性的作用。该平台 共有7 台注水泵机组，型号为d f p l 2 0 ：1 5 0 * i o ，注水压力为1 5 m p a ，q ：1 2 0 m 3 h ， h = 1 4 6 0 m ，r l = 7 0 ，n = 2 9 8 0 r p m ，配套船用y k k 5 0 0 2 一h - w 型船用电机6 0 0 0 v 8 0 0 k w ， 并连安装，同一汇管吸入，加压后又同汇管集中供水。存在的问题如下： 油田进入注水生产初期，由于投转注水井较少，供水量大于配注量，不能形 成密闭注水系统，供需水不平衡，能力不匹配，多余的水量需要在并组平台注水 管线预留端排海或通过中心二号处理站采取回流措施排海，造成水源、能源和水 处理药剂的浪费。 再者，海上注水无专门的“配水间”分水，各注水井配水量由卫星平台井口 注水流程依靠人工调换地面水嘴来完成，受海况气象及船舶交通等客观条件限 制。海上同一压力源增压供水的工艺设计，决定了海上“井网站”三者之间在实 际生产中相互影响并彼此干扰，系统中任何一点的变动将会波及全油田的水井， 时常性地造成注水量或超或欠，不能按方案配注要求平稳注水，影响开发质量。 此外进行洗井、液力投捞测试、地面开关调水、流程维修等工作时，由于整个 管网为同一压力系统供水，会造成泵压、注水干压大范围波动，尤其是在洗井、 投捞时，干压变化较大，造成注水量不稳定，伤害地层和地面设施 目前，海上油井自动化均已投产，但注水井只是设计了注水量、干压、油压 三个参数采集监测，不能进行注水量的自动控制，成为海上自动化管理的盲区， 更不适应海上井组平台无人值守的要求；此外，注水泵的排量累计值中控室未设 计监控。不方便生产管理。 注水水质不容易这虱入注标准 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 ( 1 ) 水源方面：由于该平台所处海域，水源悬浮物含量受季风、潮汐、海浪、 黄河水量等因素影响，具有季节性差异，变化幅度大。悬浮物含量一般高达数百 m g l ，变化范围为10 0 】l o o m g l ，且随着深度的增d n 干i 季节的不同，呈现一定 的规律性：随着深度的增加，悬浮物含量升高；在黄河丰水季期，悬浮物含量增 高：夏季水质较清，悬浮物含量低( 6 、7 月份最低，一般4 0 2 0 0 m g l ) ；冬季 海水较混浊，1 1 月4 月悬浮物较高，且在秋冬、冬春换季和持续强风、强流时 波动最大、悬浮物含量最高。2 0 0 1 年2 3 月，虽然采取多种特别处理措施，处 理后的海水悬浮物超标仍然很严重，达标率不足5 0 ，曾造成c b 2 5 b5 、c b 2 2 d l 等井井下堵塞和全油田管网污染。 ( 2 ) 加药方面：由于海水处理无先例可循，加药浓度只能根据出站水质指标进 行试验调整，势必在7 k 源水质好的季节造成药剂的浪费：在水源水质不好的季节 药剂投加量又明显不足，难以将海水中的有害物质清除干净，从而造成注水水质 不达标。 ( 3 ) 海水细滤反冲洗方面：细滤器是五座并联下流过滤上流反洗型过滤器，虽 然整套装置的运行为全自动，且各部位阀门的开关由自带空压机来提供，但整个 细滤反冲洗过程中的反冲洗时间、反冲洗次数等相关参数，只能靠人工根据季节 的变化和水源水质的不同来人为的设定并进行修改。由于海水的水质四季变化很 大，人为修改参数很难保证在注水的每个时期注水水质都能达到入注标准。 综上所述，水源水质受海况气象影响变化较大，而气象变坏、药剂投加或设 备运行调整不及时，就会造成处理水质中的悬浮物含量超标；在出奇的季风季节 和恶劣的海况下，个别水处理设施甚至会基本“丧失”作用，给平台原油生产造 成极大的危害。 1 1 3 解决方案初步探索创建基于d o s 的计算机控制系统 针对平台存在的以上问题，必须首先对整个平台的水处理工艺建立全面的计 算机监控，实时采集水处理环节中各设备的运行参数，如温度、压力、流量、液 位、浊度、海水含氧量以及控制阀的开度等，并对这些工控参数建立相应的数据 信息管理系统，实现对这些工控数据的有效处理，再根据数据的处理结果对水处 理系统中的各控制环节进行优化控制，最终实现高质量水质的入注和注水泵机组 的平稳增压注水。 基十d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 根据平台水处理工艺的实际状况，提出以下解决方案： ( 1 ) 整体采用基于d e s 的实时计算机控制系统，实现对整个工控过程的分散控 f 6 i j s r n 生产信息的集中管理，对海水水质实现连锁监控：实现海水提升泵、粗滤器、 细滤器、压力斜板沉降罐、加药撬块、电解氯化装置等设备压力、流量等主要运 行参数的采集、远传和集中监控，由多点控制到本地集中监控；由p l c 负责完成 过程的现场控制任务：自动进行设备反洗、排泥和加药，增加注海水系统对海况 变化反应的快速性，以利于生产管理。 ( 2 ) 对注水泵机组采用p i d 变频调速技术，其变频调速装置主要由交流调速器 及可编程控制器p l c 组成。以交流变频调速器为启动及调速装置，以可编程控制 器p l c 为控制中心，利用变频调速技术启动多台电机带载启动、切换及自动调整， 以上位机监控系统测得的注水井的注水压力、注水流量( 即注水管网压力或流量) 的变化为依据，以保持注水管网注水压力稳定为前提，以满足对注水管网所要求 的注水量为条件，自动调节注水泵的转速和运转台数，达到注水管网干压和泵出 口压力及时稳定的目的，真正实现注水泵机组的平稳增压注水，力求既能减小或 消除注水干压的不稳定给注水管网带来的震动，又能在很大程度上实现节能降耗 的功效。 ( 3 ) 对海水系统反冲洗过程采用模糊控制算法：对一年四季海水水源水质的变 化规律进行总结，得出控制规则，并根据这些规则对细滤器的反洗时间运用模糊 理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理知识，把这些模糊的语言规则上升为数值运 算，利用计算机来完成对这些规则的具体实现，从而使得细滤器的反冲洗过程能 根据水质的变化，自动控制反洗次数和反洗时间。 ( 4 ) 对加药罐采用比例控制：加药泵( 指絮凝剂和混凝剂，其加药泵加装变频) 、 粗滤器、压力斜板沉降罐、细滤器形成自动化连锁。以水源水质的悬浮物( 浊度) 含量检测值和水量为基准参数，控制加药的药剂浓度，主要是絮凝剂、混凝剂。 ( 编程时，根据现场试验结构，可以采用把水源悬浮物浓度分档，如分成5 0 以 下、5 0 1 0 0 、1 0 0 2 0 0 、2 0 0 3 0 0 、3 0 0 4 0 0 、4 0 0 5 0 0 、5 0 0 6 0 0 、6 0 0 7 0 0 、 7 0 0 以上( 单位m g l ) ，按每档对应的絮凝剂、混凝剂需要量进行编程，并由控 制系统控制加药泵的加药。) 12 计算机控制系统及其发展与应用现状 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 12 1 计算机控制系统概述 自动控制技术在工业生产中已获得了广泛的应用。一般的自动控制系统，为 了获取控制信号，要将被控制量y 与给定值r 相比较，以构成误差信号e = r y 。 直接利用误差e 进行控制，使系统趋向减小误差，以至使误差为零，从而达到使 被控制量y 趋于给定值r 的控制目标。这种控制，由于被控制量是控制系统的输 h ，被控制量的变动的值经测量元件测量后，再经变换发送单元变换，成为一定 形式的电信号，再反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减， 所以成为闭环负反馈系统，如图1 2 ( a ) 所示。 ( a ) 丝- 匡正卜也巫丑匦巫卜婴 ( b ) 图1 2 控制系统的一般形式 ( a ) 闭环控制系统框图；( b ) 开环控制系统框图 从图1 2 ( a ) 可知，该系统通过测量单元对被控对象的被控参数进行测量， 由变换发送单元将被测参数变换成一定形式的电信号反馈给控制器。控制器将反 馈回来的信号与给定信号进行比较，如有误差，控制器就产生控制信号驱动执行 机构工作，使被控参数的值与给定值保持一致。这种负反馈形式，就是自动控制 的基本形式。 图1 2 ( b ) 是开环控制系统，它不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根 据给定信号去控制被控对象。这种系统不能自动消除被控参数偏离给定值所带来 的误差。控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上，控制性能较差。 由图1 2 可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、处理和比较。 这些功能是由检测、变换发送装置、控制器和执行装置来完成的。控制器是控制 系统中最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 把1 2 图中的控制器用计算机来代替，就构成了计算机控制系统，示意如图 1 3 所示。计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统，计算 机控制系统和一般自动控制系统一样，也有开环和闭环两种控制形式。 一一一一一一一一一一一一一一一 ；计算机 ： 图1 3计算机控制系统基本框图 控制系统中引进计算机，可充分运用计算机强大的计算、逻辑判断和记忆等 信息加工能力。运用计算机的各种指令，可编出符合某种控制规律的程序。计算 机执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。若系统中某控制规律需要更改， 只需更改与该控制规律相对应的程序即可。 计算机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤： ( 1 ) 实时数据采集对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。 ( 2 ) 实时决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制 规律，决定进步的控制过程。 ( 3 ) 实时控制根据决策，适时地对控制机构发出控制信号 上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并 且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并作出迅速处理。因此，计算 机控制系统实际上只是执行算术、逻辑操作和输入、输出操作，计算机控制系统 也因强调计算机作为控制系统的一个重要组成部分而闻名，得到广泛应用。 计巽机控翩系统的硬件组成 计算机控制系统要实时的在线完成数据采集、j j n s - 、处理、计算，并把结果 迅速输出到被控对象的任务。控制系统硬件由以下五个部分组成： ( 1 ) 完成信号检测、隔离和转换的数据采集装置。它用来接受现场测量到的各 种温度、压力、流量、电压、电流等不同类型的信号，并将其转变为计算 机能够接受的标准信号。 ( 2 ) 完成驱动被控对象按控制性能指标要求动作的执行机构。它用来把计算机 输出的标准信号转变为控制不同类型设备和生产过程的执行信号。 y 基于9 c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 完成计算机输入信号a d 转换和输出信号d a 转换的模板。它用来将计算 机与外部设备和工作环境联系起来，实现被控系统与计算机的数据转换和 信息交流。 完成数据加工、处理、计算和调度程序运行的中央处理机。它用来对检测 到的信号、录入的信息进行分析、判断、推理、计算，得出系统正常工作 所必需的指令和参数，然后输出给其他有关设备。 操作、显示、记录系统工作状态的专用控制设备和键盘、显示器、打印机 等通用设备。它用来作为人一机对话的交互界面，实现控制系统的在线监 测、控制方案和参数的在线修改整定。 图l ，4 计算机控制系统结构与配置 一个完整的计算机控制系统的结构和配置如图l ，4 所示。各种现场工作信号 通过不同类型的传感器检测，经信号变换器变换为标准电压或电流信号，由信号 隔离装置输入到与计算机总线适配连接的模入模出接口板。模入部分做a d 转 换，把模拟信号变为数字量供计算机处理。模出部分做d a 转换，把计算机处理 得到的结果变为模拟信号，供执行机构去控制系统中的外部设备和现场工作过 程。计算机接收到的信号和处理结果同时也由某些专用或通用设备进行系统数据 的打印、显示、记录、分析；或通过网络传输给相关的或上一级计算机系统，组 成集控制和决策管理一体化的系统。 诗算机控翩系统的软件结构 除了硬件结构和配置外，计算机控制系统最重要的是软件开发环境和程序设 计技术。图1 5 表示了一股实时控制系统的软件结构。图中最靠近硬件的一层是 实时操作系统，其次是用于开发应用程序的支持软件，它包括编辑工具、作图l 具、编译程序、汇编程序、连接程序积装配程序等，这些工具和程序与操作系统 ) ) ) 3 4 5 ( ( ( 基于d c $ 的海洋平台水处理计算机控制系统 一起统称为系统软件。与系统软件对应的是应用软件，每个实时控制系统郁肯自 己专门的应用软件。目前世界上已销售了许多用于工程控制的商用实时软件产 品。如用于集散控制系统的h o n e y w e l lt d c3 0 0 0 ；西屋公司的w d p f ：用于可编 程控制器的m e d o c ：用于开放式系统的c i t e c t 、s i m a n t ；用于数据采集系统的 g e n i e 等等。在软件结构最外层的是用户程序，用户程序直接完成对控制系统的 操作执行。 图1 5 控制系统软件结构 1 2 2 计算机控制系统的发展历程与发展趋势 用计算机来控制生产过程也经历了曲折的发展过程。就国外情况看，大体上 经历了三个阶段。1 9 6 5 年以前是试验阶段。5 0 年代初，首先在化工生产中实现 了自动测量和数据处理。1 9 5 4 年开始用计算机构成开环系统。1 9 5 9 年工业上第 一台闭环计算机控制装置在美国的一个炼油厂建成。1 9 6 0 年美国孟山都公司的 氨厂用r w - 3 0 0 型计算机实现了监督控制。1 9 6 2 年3 月盂山都公司的乙烯工厂实 现了工业装置中的第一个直接数字控制( d d c ) 系统。同年7 月，英国帝国化学 公司( i c i ) 制碱厂也实现了一个d d c 系统。d d c 的出现是计算机技术发展过程 中的一个重要阶段，虽然当时d d c 系统的成本比较高，但是人们已经看到了d d c 技术发展的广阔前景。 1 9 6 5 - - 1 9 6 9 年是计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段。由于小型计 算机的出现，使其可靠性不断提高，成本逐年下降，计算机在生产控制中的应用 得到了很大的发展。但这个阶段主要是集中型的计算机控制系统。在高度集中控 制时，若计算机出现故障，将对整个生产装置和整个生产系统带来严重影响。虽 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 然采用多机并用方案可以提高集中控制的可靠性，但会增加成本。 1 9 7 0 年以后计算机控制进入了大量推广和分级控制阶段。将计算机分散剑 生产装置中去，实现小范围的局部控制和某些特殊的控制规律，在一定条件下实 现最优化等，取得较显著的控制效果。这种控制方式称之为“分散型计算机控制 系统”，即集敏控制系统d c s 。特别是，微机具有可靠性高、价格便宜、使用方 便灵活等特点，为分散型计算机控制系统的发展创造了良好的条件。 所以，e 前的计算机控制系统，其发展趋势有如下两个方面： l 、工业可编程控制器( p r o g r m m n a b l el o g i ec o n t r o ll e f p l c ) 的应用：工业用 可编程控制器，是采用微型机芯片，根据工业生产特点而发展起来的一种控制， 它具有如下特点：可靠性高，有较强的抗干扰能力，便于工业现场使用，一旦出 现故障，具有停电保护、自诊断等功能：采用了功能模块化结构，可根据要求， 进行组合和扩充；具有独特的编程器，结构简单、易于掌握。 近年开发的具有智能i o 模块的p l c ，可将顺序控制和过程控制结合在一起， 实现对生产过程的控制，因此，进一步完善和系列化的p l c 作为下一代通用控制 设备，大量地应用在工业生产自动化系统中。 2 、提高控制性能、采用新型的控制系统：采用集散控制系统是计算机控制系统 的发展趋势之一。集散控制系统是分散性综合控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m s ) 或分散型微处理器控制系统( d i s t r i b u t e dm i c r o p r o c e s s o r c o n t r o ls y s t e m s ) 的简称。 现代工业过程对控制通的要求已不局限于能实现自动控制，还要求工业过程 能长期在最佳状态下运行。对一个规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的 工程大系统，要解决生产过程自动化的问题。 集散控镪系统概述 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是七十年代中期出现的它是 计算机( c o m p u t e r ) 技术、控制( c o n t r 0 1 ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术和 c r t 显示技术( 简称四c 技术) 相结合的产物。集散控制系统以位处理机为核心， 把计算机、工业控制机、数据通讯系统、显示操作装置、过程通道、模拟仪表等 育机的结合起来，采用组合组装式组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创 造了条件。集散控制系统在过程控制领域已得到广泛的应用。由于其特有的结构 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 形式与智能控制的分级递阶相吻合，因此，直接将分级递阶智能控制理论应用十 集散控制系统，形成集散递阶智能控制系统，这是集散控制系统的发展趋势。 ( 1 ) 集散控制系统组成 典型的集散控制系统的组成框图如图1 6 所示。 图1 6 集散控制系统组成框图 这是一种典型的分级分布式控制结构，基本控制器完成过程的现场控制任 务。数据采集器用于收集现场控制信息和过程变化信息，以保证现场的控制任务 不但可以由基本控制器完成，而且可以由一般仪表和逻辑箱完成。基本控制器和 数据采集器在过程现场对信号进行预处理后经数据高速通道送到上级计算机和 c r t 操作站。c r t 操作站是显示操作装置，完成操作者一控制系统一过程的接口任 务。监控计算机通过协调各基本控制器的工作，达到过程的动态( 在线) 最优化。 管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财务管理、人员管理以及工艺流程管 理等功能，以实现生产过程的静态最优化。 基本控制器 基本控制器采用总线结构，所有部件都直接挂在总线上，c p u 单元和存储器 是基本控制器的核心部件，此外，基本控制器还包括：数据输入通道、操作员接 口单元、通讯接口单元以及终端板等。 基本控制器具有控制和接口的双重功能。它的控制功能：p i d 控制和超前 补偿控制、远程本地设定值功能、数字逻辑功能、顺序控制功能、远程调整参 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 数功能、远程本地手动控制功能、多种报警功能、多种数字滤波功能和算术运 算功能。它的接口功能是将采集数据进行预处理后向上级计算机传送。它的工作 存储器还可作上级计算机的分散存储器，供上级计算机直接查询和调用。 数据通信系统 集散控制系统采用多处理机结构，这就使各处理机之汹的联系，特别是上级 计算机与各基本控制器处理机之间的数据传送十分重要。只有通过数据通信传送 信息，才能实现上级计算机监控与管理功能，以及c r t 操作站的集中显示和操作 功能。因此，数据通信系统是集散控制系统的支柱。 集散控制系统通常采用高速数据通道( 又称高速数据总线) 的通信方式。高 速数据通道连接的计算机通信方式采用二进制串行高速传送方式。该方式通过高 速数据通道指挥器的控制，对通信的计算机内存进行d m a 操作。这种通讯方式对 c p u 运行干扰少，传送速率高，传送距离远，且配线简单、通用性强、易扩展。 c r t 操作站 c r t 操作站是由若干个c r t 操作台组成的分级式监控机构。c r t 操作台具有 。套标准画面，主要实现对工业过程的集中监视与控制，还具有输出打印功能， 包括打印趋势记录、各种报表、报警表以及c r t 屏幕拷贝等。操作台的信息采用 集中数据库和分散数据库相结合的方法存储。少量重要信息( 回路组态字、控制 参数、过程设定值等) 存储在操作台的集中数据库，其余大量过程数据均分散在 各基本控制器和数据采集器的数据库中。需要时，操作台通过高速数据通道，采 用d m a 方式直接从各分散数据库中调用。 监控与管理计算机 监控计算机可以通过高速数据通道与具有微处理器的基本控制器、数据采集 器等部件进行通信，存取和改变分散的数据库的数据。因此监控计算机不仅能够 及时掌握整个生产过程的全部状态，而且可以直接给出控制回路的设定值或取代 基本控制器直接给出控制回路的控制信号。这样，监控计算机可以利用c r t 显示 器显示各种画面，监视生产过程；同时，可以运行各种高级控制程序和协调优化 程序，实现过程的动态最优化。 管理计算机通过监控计算机获取过程的在线信息。因此，除直接在线控制外， 管理计算机具有监控计算机所有的监控功能。管理计算机的主要功能是管理。它 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 拥有非常丰富的信息资源，能够对生产过程进行监控，对生产计划进行制定，对 产品和工艺流程进行调度，对成本进行核算，对人员和设备进行管理等，以实现 生产过程的静态最优化和综合自动化。 ( 2 ) 集散控制系统的发展趋势 分级递阶智能控制人为地把一个复杂的综合控制系统划分为执行级、协调级 和组织级。它的分级递阶结构与集散控制系统非常相似，因此，将分级递阶智能 控制体系与集散控制系统的自然结构相结合，以基本控制器作为执行级，以监控 计算机作为协调级，以管理计算机作为组织级，这样就形成了集散递阶智能控制 系统。集散递阶智能控制系统中，作为执行级的基本控制器，它追求的主要目标 是控制精度，通过自编程序可实现某些智能控制方案，如模糊控制、专家整定 p 1 d 控制等，而集散控制系统中复杂的智能控制算法可直接由监控计算机实现。 集散控制系统的监控计算机具有掌握生产过程全部状态、设定各控制回路的 设定值、运行各种高级控制算法等监控功能。集散递阶智能控制系统中，作为协 调级的监控计算机，通过智能化将其协调优化功能进一步加强。它对于来自管理 计算机( 组织级) 控制指令和控制任务，进j 亍规划、重新设计控制结构和算法； 对于来自基本控制器和数据采集器的过程信息，通过对过程特性辨识、对系统性 能评价、对有关任务调度、对各基本控制器进行协调( 包括设定值的设定、参数 整定、算法和结构调整等) ，以实现系统的全局动态最优化。 大规模的集散控制系统拥有管理计算机，而且管理计算机通常通过信息通讯 网连接多台监控系统，同时对多个控制过程进行管理。从集散控制系统的管理计 算机的功能看，它己具有计划、调度等决策能力、接受过程信息的监控能力、以 及各种管理能力。这些功能和分级递阶智能控制的组织级的功能相类似。但是， 它们基本上是建立在传统控制理论基础上，即强烈的依赖数学模型。即使是大系 统理论也不例外，它虽然采用了“分解”与“协调”的设计原则，但仍未摆脱对 数学模型的依赖。然而，客观事实表明，在这一级的不确定性是很难用精确数学 模型描述的。在集散递阶智能控制系统中，作为组织级的管理计算机可以采用智 能决策方法，这一级的控制目标为静态最优化，它的智能程度最高，通常由高级 管理专家直接决策。智能化就是采用人工智能方法，由管理计算机模仿专家们的 决策技巧，通过综合、推理、规划、记忆交换、以及反馈等智能行为进行决策、 基于d c s 的海洋平台水处理计算机控制系统 监控和管理，以实现综合自动化和全局静态最优化。 因此，集散递阶智能控制系统是集散控制系统的一个重要发展趋势，是分级 递阶智能控制实现的一种自然方案，其应用也越来越广泛。 1 2 3 计算机控制系统在海上石油开采行业中的应用 随着计算机技术的飞速发展，计算机控制系统在石油化工等流程行业得到了 越来越广泛的应用。在石油行业中，生产装置一般规模庞大，生产工艺过程复杂， 生产过程的持点是连续性强、过程控制分散，而需要监测、操作、控制的参数又 多，对控制的精度要求高、难度大、方法复杂，而对工控数据的管理也有着较高 的要求，所以，必须依靠计算机控制系统来实现生产过程的自动化，因此，基于 分级分布式递阶结构d c s 系统，以其对工业过程的分散控制和生产信息的集中管 理、可靠性高等优点，在石油化工行业有着广泛的应用。但就目前的资料所示， 基于d c s 结构的计算机控制系统在石油生产方面的应用，主要以陆地采油注水为 主要领域，且大多数d c s 控制系统仅用于单个装置的集中控制，联合装置的集中 控制则较少，而在海上石油生产领域注海水处理工艺中的应用则更为少见。现就 国内外海上石油生产注海水处理工艺中d c s 系统的应用现状分析如下： 国内海i 石油生产注海水处理# c s 】立甬概况 大港油田于1 9 8 2 年在板桥油田( 陆上) 建成了一个注海水试验站，累计运行 一年，进行了两次试注，总共处理和回注海水2 1 0 v 。其处理工艺流程采用了 传统的处理手段，对陆上建站有一定的适应性，但海水在处理站内停留时间长， 处理效率低，没有在以后的工程实践中得到应用。渤海油田通过与国外公司合作 进行海上油旺1 开发已有二十多年的历史，但其在海水处理及注入工艺技术、处理 设旎等方面仍主要依靠国外技术和进口设备。 国内一般注海水系统多为分散单元控制管理，目前大型注海水集散控制