摘 要：在基于對石油平臺海水處理的工藝復雜性和海上石油生產環境惡劣性研究的基礎上，結合 DCS系統的優越性，運用Rockwell RSView32組態軟件研究并實現了石油平臺水處理DCS系統，實現了對平臺水處理工藝各子過程的分散控制和被采集信息的集中管理。該系統是DCS技術在海上石油生產中的重要應用，其長期運行，證明了系統的穩定性與可靠性，提高了海上石油生產效率，確保了海上工作人員的安全。

關鍵詞：DCS;石油平臺;RSView32;海水處理;過程監控;數據管理

Abstract: On the base of research on the complexities of platform seawater treatment process and the difficulties of petroleum production on the sea, this paper integrates Distributed Control System （DCS） technology to construct the DCS of Platform Seawater Treatment （PSTDCS） with the help of the configuration software-Rockwell RSView32. The system, as one important application of DCS technology in petroleum production on the sea, realizes to control platform seawater treatment process and manage all collected information data. Its application enhances the productivity of petroleum production and insures worker’s personal safety on the sea.

Key words: DCS; Platform; RSView32; Seawater Treatment; Process Monitoring and Control; Data Management

一、引言

集散控制系統（DCS）是七十年代中期出現的，它是計算機（Computer）技術、控制（Control）技術、通訊（Communication）技術和CRT顯示技術（簡稱四C技術）相結合的產物。它以微處理機為核心，把微機算機、工業控制機、數據通訊系統、顯示操作裝置、過程通道、模擬儀表等有機的結合起來，采用組合裝式組成系統，為實現工程大系統的綜合自動化創造了條件，所以，以PLC為基礎的集散控制系統已成為工業自動化系統的主流。在海洋平臺石油生產中，由于海上作業條件艱苦、工作環境惡劣，且隨著海上石油開采規模的不斷擴大化，海上平臺石油生產的生產與管理越來越迫切的要求能迅速、準確、全面的掌握生產設備的工作運行狀況，因此集散控制在海上石油開采中得到了日趨廣泛的應用。

二、平臺水處理DCS系統架構

2.1平臺水處理工藝

海水經提升泵提升至粗濾器，濾去98%以上粒徑大于100μm懸浮固體，再按比例加入混凝劑和絮凝劑，進入壓力斜管沉降罐渦流中和反應區，靠渦流作用充分混合反應，使微小顆粒絮凝聚結成為較大顆粒，而非溶性化合物經過化學反應生成沉淀，再進入斜管沉降區進行重力分離，達到水質凈化的目的。經沉降后的海水進入細濾器，海水中的懸浮物被細濾器的雙介質濾層攔截，濾后海水排至超重力脫氧裝置實現部分脫氧，從而降低海水中氧的含量。脫氧處理后的海水經U 型管進入一級氣水分離器，分離出海水中攜帶的游離天然氣并排放到放空火炬，再進入二級氣水分離器分離出溶解在海水中的天然氣，以保護注水罐免受天然氣的沖擊。經氣水分離后的海水進注至注水罐，再經注水泵加壓后通過海底注水管線分別輸送到各井組平臺，最終實現對注水井的注水。平臺水處理的工藝流程如圖1所示。

圖1 海上平臺海水處理工藝流程圖

2.2平臺水處理DCS系統架構

針對水處理工藝的復雜性，采用基于三級復合型拓撲結構（總線/總線邏輯環/總線）的DCS系統架構，其高層為信息管理層，實現平臺水處理監控數據的管理功能;其最低一層為遠程I/O鏈路，實現現場控制功能;中間一層為DH+網，實現水處理各工藝過程的實時監控功能。其網絡拓撲架構如圖2所示。

圖2 DCS系統拓撲結構圖

監控計算機通過DH+網與具有微處理器的PLC、數據采集器等部件進行實時通信，對工控現場分散的數據進行存取和改變操作。監控計算機既能及時掌握整個水處理過程的全部狀態，又可以直接給出各控制回路的設定值，并通過PLC直接向控制回路發送控制信號，并利用CRT顯示技術動態顯示整個水處理過程的各種畫面，監視整個平臺海水處理過程。管理計算機采用MS SQL Server2000關系型數據庫來管理水處理工藝的數據信息。它通過Ethernet信息管理網從監控計算機獲取水處理過程的所有在線信息，因此，除了直接在線控制外，還具有與監控計算機相同的監控功能。

系統下位采用了A-B公司的SLC500可編程控制器組成的兩套PLC擴展機架PLC1和PLC2，每套擴展機架均具有9塊SLC500。其中PLC2用于細濾器反沖洗工藝的過程控制，其被控制量總數147個，PLC1則主要用于對注水工藝流程中海水提升、超重力脫氧、加藥、U型管氣水分離以及注水泵機組等子工藝流程的過程監控，被檢測參數為溫度、壓力、液位、流量、海水濁度、海水含氧量以及調節閥的開度，共143個。

三、平臺水處理DCS系統功能實現

3.1系統下位控制功能實現

系統下位PLC對水處理現場的控制實現，采用了RSLinx500梯形圖邏輯編程軟件，設計實現對各設備以及過程裝置（如限位開關、按鈕、選擇開關、壓力開關等）的狀態實時監視，根據監視到的狀態進行邏輯判斷，并準確地控制在設備上或流程中的輸出裝置（如電磁線圈、閥、信號器等），同時還實現了定時和計算功能。此外，在繼電器指令、算術運算和邏輯運算指令的基礎上，擴充了傳送和轉換指令、通訊指令以及模擬量輸入指令和PID調節指令等，實現邏輯控制和順序控制，并負責完成對工藝過程中連續量的采集，實現復雜控制算法運算，并輸出給執行機構，實現精細調節。其實現的控制功能具體如下：

1）海水提升：以壓力斜管沉降罐的出口濁度為基準，控制壓力斜管沉降罐的排泥次數以及緩蝕劑、混凝劑和絮凝劑的藥劑投加量;以注水罐液位的設定值為標準，對海水提升泵實現變頻調速控制，實現對海水提升泵供水量的控制：當注水罐液位低于設定值時，控制器向變頻器輸出提高轉速的信號，變頻器提高電機轉速，增加海水提升泵的排量;反之，則降低海水提升泵的排量。其被監測參數有海水提升泵的出口壓力、出口流量、出口濁度;粗濾器的濾后壓力、濾后流量、濾后濁度;1#和2#壓力斜管沉降罐的出口濁度。

2）過濾反沖洗：以細濾器出口濁度為依據，控制細濾器的反沖洗次數以及反洗過程中反洗間隔、加水、過濾、排水、氣沖洗、排氣、水沖洗、靜置以及排空工藝過程的時間間隔，并控制殺菌劑的藥劑量。其被監測參數有：反沖洗罐液位、細濾器進口匯管壓力、細濾器出口排液壓力、儀表風壓、反洗水壓、細濾器濾后濁度。

3）加藥：以各加藥罐的液位高低限位為基準，控制各加藥撬塊的加藥啟停狀態。若某加藥罐的液位低于低限設定值，系統自動啟動加藥撬塊對該加藥罐投加藥劑溶液;當該加藥罐的液位到達液位最高限時，系統自動停止加藥撬塊的加藥動作。其被監測參數是：緩蝕1#、混凝2#、絮凝3#、殺菌4#、備用5#以及備用6#加藥罐的液位和各加藥泵的藥劑排量。

4）超重力脫氧：以二級氣水分離器出口海水含氧量為基準，控制超重力脫氧機的進氣量和進水量的比值（即氣液比）。若海水含氧量過高，系統自動增加超重脫氧機的氣液比。其被監測參數是超重力脫氧機的進氣壓力、進氣流量、出氣壓力、進水壓力、進水流量。

5）U型管氣水分離：對氣水分離過程的中的U型管液位、一級氣水分離器液位、一級氣水分離器排氣流量、一級氣水分離器排氣壓力、二級氣水分離器出口含氧量以及注水罐液位進行實時監、檢測。

6）注水泵機組：對注水泵機組采用變頻調速控制。用交流變頻調速器作為啟動和調速裝置，以PLC為控制核心，以滿足注水井的注水壓力和注水量為前提，對注水泵機組的轉速和運轉臺數作自動調整，實現注水泵機組的自動運行。其被監測參數：注水泵進口流量、進口壓力、出口壓力;注水泵前軸瓦溫度、注水泵后軸瓦溫度;電機前軸瓦溫度、電機后軸瓦溫度、電機定子1#鉑熱電阻、電機定子2#鉑熱電阻、電機定子3#鉑熱電阻。

3.2系統上位監控系統功能實現

圖3 石油平臺水處理監控系統總界面

上位監控系統采用RSView32組態軟件按照水處理工藝流程開發而成，共分為六個監控子系統，系統主界面如圖3所示。海水提升子系統負責監控3臺海水提升泵、3個海水粗濾器和2個壓力斜管沉降罐的相關參數和現場運作情況;過濾反沖洗子系統包括5個細濾器、一臺鼓風機、一個反沖洗水罐和一臺反沖洗水泵，負責整個反沖洗過程的自動控制以及狀態參數的監測;超重力脫氧子系統對2臺超重力脫氧機的使用與備用狀態進行動態模擬顯示，并同時監測相關參數;加藥子系統監控各加藥罐的液位與流量，并負責對每天使用的藥劑量進行累加匯總;U型管氣水分離監控子系統負責監控U型管液位以及氣水分離器的氣水分離情況;注水泵機組子系統監控各注水泵的使用與備用狀態，并負責對注水泵各重要參數的實時監測。其功能實現具體如下：

1）對水處理工藝的實時監控與動態模擬;通過實時采集和記錄的系統數據信息，對水處理工藝中所有控制回路和檢測點的各參數、狀態、趨勢等使用動態方式顯示和模擬，實現對整個工控現場的實時動態模擬與全局監控。

2）被監測數據的實時采集與存儲：監控計算機與PLC之間的數據通信采用DH+工業局域網實現;被檢測數據的實時采集，采用RSVIEW32的內部設置實現，且在RSView32的內部將前臺數據掃描設置為1s，后臺數據掃描設置為5s，并利用 ADO技術和SQL SERVER2000數據庫管理技術對RSView32組態軟件的功能擴展來實現對所采集數據的存儲。即：首先在監控系統內部設置定時器1，其時鐘周期為1秒，每秒向監測值存儲數據庫MonitValueDB存儲一次所采集到的被檢測參數的瞬時值。MonitValueDB數據庫只存儲30天的監測值，主要用于對水處理過程的歷史趨勢描繪若超過30天，則自動把最前一天的數據刪除而將當前采集數據再存入。另，在監控系統內部創建EVENT事件，并設置定時器2，將其ENVENT啟動時間定制為00:00，00:20，00:40，01:00，01:20，01:40，…， 23:00，23:20，23:40，。若定時器時間到，該EVENT事件立即啟動，從MonitValueDB中獲取將該EVENT事件發生前20分鐘內系統所采集工控參數的瞬時值并求平均，作為該被檢測參數的有效值，再將其全部存入平均值數據庫AveValueDB，用于報表打印以及歷史資料查詢，以作為生產決策的依據。其被監測參數的實時采集與存儲功能實現如圖4所示。

圖4 被監測參數實時采集與存儲示意圖

3）歷史趨勢描繪：根據監測值存儲數據庫MonitValueDB中的存儲數據，對各被檢測參數的歷史數據進行動態展示，以歷史曲線的形式動態描繪水處理工藝的歷史運作過程。

4）設備的啟停操作與與備用狀態判別：根據水處理系統的實際運作情況，對3臺海水提升泵、2臺超重力脫氧機和7臺注水泵的啟用與備用狀態進行正確判別，并成功實現備用狀態下的設備不發生報警。

5）報警信息顯示與處理：在監控系統的主界面和各子系統的子畫面上均設有報警信息條，用于顯示最近發生的報警信息，包括發出報警信息的標識（Tag）所代表的儀器儀表工位號、發生報警的日期與時間、報警時的瞬時值以及高低限位報警狀態;利用報警匯總表，操作人員可隨時查看、備份并打印輸出。當有報警發生時，監控系統會根據報警的嚴重程度發出不同的提示聲音，用以提醒工作人員進行定位查看與檢修，實現定位故障排除。

對系統顯示的報警信息以及為水處理工藝的改進而考慮的報警限值的管理，也借助于RSView32的嵌入式語言VBA，以及ADO遠程數據訪問和數據庫管理技術來擴展實現，其程序類似被檢測數據的實時采集與周期性存儲。報警信息以及報警限值存入用數據庫為AlertingDB。

6）數據管理與維護：以ADO技術、數據庫管理技術和網絡技術為技術支持，采用VB 6.0軟件編制了工控信息管理系統，實現了對工控數據的添加、刪除、修改、查詢等數據管理與維護操作，實現了有條件操作下的日報表、月報表以及年報表的自動生成與打印。

四、結論

對海洋平臺水處理工藝實行DCS自動化集散控制，成功實現了被監測參數的數據采集、遠程傳輸以及過程控制，真正實現了無人值班作業，在很大程度上降低了工作人員的勞動強度，改善了工控現場的管理狀況，有效避免了藥劑浪費與設備損耗，提高了水處理效率，降低了生產成本。根據油田生產年鑒的數據統計對比顯示，該DCS系統的使用可節約年生產成本190多萬元，項目經濟效益達470多萬元。

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