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油田井站輸油溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文檔作者：薛啟龍黃蕾蕾武文濤葉華興文檔來(lái)源：中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院遼河油田分公司高升采油廠(chǎng)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月12日
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· 324 ·
石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)) 2009年6月第31卷第3期
Journal of Oil and Gas Technology(J．JPI) Jun．2009 Vo1．31 No．3
油田井站輸油溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
薛啟龍，黃蕾蕾 (中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266555)
武文濤，葉華興 (遼河油田分公司高升采油廠(chǎng)，遼寧，盤(pán)錦1 241 25)
[摘要]采用DS18B20溫度傳感器、VB軟件編程、PID和模糊控制相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于油田
計(jì)量站原油出口溫度自動(dòng)監(jiān)控裝置，提高了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性， 避開(kāi)了輸油過(guò)程中眾多中間環(huán)節(jié)影響因
素的分析。能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況，并及時(shí)在站內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)．簡(jiǎn)單實(shí)用， 提高了油田自動(dòng)化生產(chǎn)和安全
管理能力，具有一定的推廣價(jià)值。
[關(guān)鍵詞]監(jiān)控；加熱爐；DS18B20；VB6．0
[中圖分類(lèi)號(hào)]TE863 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1000—9752(2009)03—0324—03
在采油廠(chǎng)管道輸油的過(guò)程中，當(dāng)石油管道發(fā)生泄露時(shí)，隨著管道內(nèi)液體的迅速流失，管道內(nèi)的溫度
和壓力會(huì)驟然下降。由于油井產(chǎn)的原油中，水所占的比例不同時(shí)，管道的溫度也是不同的，隨著常年的
開(kāi)采，石油含量會(huì)減少，管道的溫度會(huì)明顯的變化，故通過(guò)單井管道的溫度變化趨勢(shì)可以判斷出油井的
產(chǎn)油情況。不同的油井產(chǎn)出的原油質(zhì)量不同，管道的溫度也不同。此外，季節(jié)的變化，也會(huì)影響輸油管
道的溫度值。如果發(fā)生停井故障，輸油管路內(nèi)原油因沒(méi)有新采集的原油補(bǔ)充而不再流動(dòng)，隨著時(shí)間的推
移溫度也會(huì)降低。因此對(duì)輸油管路溫度的檢測(cè)控制對(duì)于及時(shí)判斷油田生產(chǎn)狀況也是非常必要的。
1 設(shè)計(jì)方案
溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)DS18B20溫度傳感器對(duì)每個(gè)管道出油溫度進(jìn)行測(cè)量，采用計(jì)算機(jī)串口
傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)后，通過(guò)軟件進(jìn)行記錄存儲(chǔ)并分析，當(dāng)溫度不在要求范圍內(nèi)時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)
出控制信號(hào)，控制電磁閥調(diào)節(jié)天然氣供給量，從而調(diào)節(jié)加熱爐原油出口溫度。
數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有獨(dú)特的單總線(xiàn)接口，僅需要占用一個(gè)通用I／O端口即可完成與微
處理器的通信；在一1O～+85℃溫度范圍內(nèi)具有4-0．5℃精度；用戶(hù)可編程設(shè)定9～12位的分辨率[¨。
以上特性使得DS18B20非常適用于構(gòu)建高精度、多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，硬件電路連接簡(jiǎn)單，測(cè)溫準(zhǔn)確，
可以較好的滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。
控制系統(tǒng)采用PID和模糊控制相結(jié)合的方
式，提高了控制的精確性和可靠性，當(dāng)系統(tǒng)硬件
部分發(fā)生故障或者由于特殊生產(chǎn)狀況致使控制過(guò)
程無(wú)法進(jìn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警顯示電路。
在數(shù)據(jù)處理上，除了顯示歷史曲線(xiàn)，記錄控
制軌跡等本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的一些常用功能外，還設(shè)計(jì)
了數(shù)據(jù)上傳和網(wǎng)絡(luò)共享功能。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
如圖1所示。
l溫度傳感器r-— __ 天然氣電磁閥I
站內(nèi)PC __ 油田總數(shù)據(jù)庫(kù)
力傳感器卜_◆ __ 報(bào)警顯示電路
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
[收稿日期]2009—02一z2
[作者簡(jiǎn)介]薛啟龍(1983一)，男。2002年大學(xué)畢業(yè)，助理工程師，碩士生，現(xiàn)從事油氣井信息與控制方面的研究工作。
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第3l卷第3期 薛啟龍等：油田井站輸油溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 系統(tǒng)主要功能及硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 測(cè)溫部分
靈活的軟件編程可使計(jì)算機(jī)并口與DS18B20的連接方法多種多樣，該設(shè)計(jì)采用并口的三端口連接
DS18B20溫度傳感器。通過(guò)對(duì)并口的一線(xiàn)置l和并口地作為DS18B20的供給電源，這樣可以省去)HJn
電源，達(dá)到安裝簡(jiǎn)易、控制靈活的目的。另一根線(xiàn)則作為對(duì)DS18B20數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，此單
線(xiàn)將在軟件的控制下模擬單線(xiàn)協(xié)議機(jī)制的時(shí)序[2]。
2．2 控制部分
由于加熱爐安裝位置的不同，原油經(jīng)加熱以后還須經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)距離的輸送過(guò)程才能進(jìn)人油田井站，
精確控制加熱爐出口油溫并不能保證穩(wěn)定的進(jìn)站溫度。該系統(tǒng)主要以油田計(jì)量井站為監(jiān)測(cè)控制主體，通
過(guò)控制出站天然氣量來(lái)控制進(jìn)站原油溫度，從而在保證穩(wěn)定的原油進(jìn)站溫度的基礎(chǔ)上最大限度地降低能
耗。
該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了2個(gè)反饋閉環(huán)控制，一是根據(jù)出油溫度自動(dòng)校正單井天然氣管輸壓力；二是單井天
然氣輸送管道壓力自動(dòng)穩(wěn)定反饋。整個(gè)控制過(guò)程考慮使用模糊控制[3]和PID控制相結(jié)合的方式。控制
流程如圖2所示。
在自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)有了準(zhǔn)確地控制信號(hào)反饋量后，必須還要有精確的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在本系統(tǒng)中
精確的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制進(jìn)入加熱爐的天然氣量，它在該控制系統(tǒng)中起主要作用。
3 軟件設(shè)計(jì)
圖2 綜合控制流程框圈
3．1 測(cè)量記錄模塊
測(cè)量模塊部分先在DOS環(huán)境下設(shè)計(jì)，通過(guò)并行口驅(qū)動(dòng)DS18B20。由于單總線(xiàn)器件DS18B20通信功
能是分時(shí)完成的，有著自己獨(dú)特的時(shí)序和操作命令[4]，所以必須按協(xié)議進(jìn)行， 即：初始化DS18B20
(發(fā)復(fù)位脈沖)一發(fā)ROM 功能命令一發(fā)存儲(chǔ)器操作命令一處理數(shù)據(jù)。VB程序的最終可靠執(zhí)行需要對(duì)其
有良好的控制。每一次VB界面的操作都是上層應(yīng)用程序通過(guò)接口函數(shù)對(duì)硬件電路的訪(fǎng)問(wèn)。設(shè)計(jì)中包含
3大主要部分：序列號(hào)的測(cè)定、溫度閥值設(shè)定、觀測(cè)點(diǎn)溫度顯示。
3．2 控制模塊
程序開(kāi)始首先進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)的初始化。接著檢查特殊功能模塊安裝位置是否正確。．當(dāng)安裝位置正確
時(shí)，設(shè)定目標(biāo)溫度值和壓力值，當(dāng)用戶(hù)未設(shè)定時(shí)， 自動(dòng)默認(rèn)為系統(tǒng)初始測(cè)試值。整個(gè)控制模塊可以分為
2部分，一是天然氣壓力的PID控制，二是輸油溫度的模糊控制。
當(dāng)原油進(jìn)站溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，監(jiān)測(cè)天然氣單井管線(xiàn)壓力值，采用PID控制，當(dāng)測(cè)量壓力值和目標(biāo)
壓力值相差一定范圍時(shí)，且這種狀態(tài)持續(xù)60s，PID調(diào)節(jié)輸出數(shù)字量，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作。其中PID
的參數(shù)設(shè)置參考PID控制器的參數(shù)整定方法的原則及經(jīng)驗(yàn)[5]：PID采樣周期(T)為25s，輸入濾波常
數(shù)(q)為52 ，比例增益(KP)為85 ，積分時(shí)間(TI)為250s，微分增益(KD)為52 ，微分
時(shí)間(TD)為45s。
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·326· 石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)) 2009年6月
對(duì)原油輸油管道進(jìn)站溫度的控制采用模糊控制，編寫(xiě)模糊控制器控制算法。實(shí)際運(yùn)行中，在選定輸
入、輸出域、確定了模糊子集、建立了模糊控制規(guī)則后，就可計(jì)算出輸入、輸出間的模糊關(guān)系。對(duì)于輸
入域的每一點(diǎn)，可以選定一種模糊化方法轉(zhuǎn)化為一個(gè)模糊子集，并根據(jù)推理合成規(guī)則得出輸出的模糊子
集。再選定一種判決方法，可以得出對(duì)應(yīng)輸出域上的每個(gè)點(diǎn)的輸出值。由它們組成一個(gè)輸入域和輸出域
的對(duì)應(yīng)表，稱(chēng)之為查詢(xún)表。查詢(xún)表用計(jì)算機(jī)事先計(jì)算好，存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，根據(jù)模
糊量化后的溫度誤差及誤差變化，直接查找查詢(xún)表以獲得控制量的變化值，再乘以比例因子，即可作為
輸出去控制被控對(duì)象[33。
3．3 數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊主要完成采集數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)連接[6]、報(bào)表及歷史趨勢(shì)圖形的生成等功能。主要包括
以下幾點(diǎn)：①通信協(xié)議采用TIP協(xié)議，每一計(jì)量站從機(jī)均有唯一的IP地址。② 生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中
報(bào)表包括瞬時(shí)、日、月、年的分項(xiàng)分類(lèi)報(bào)表，生成的圖形有趨勢(shì)圖、柱狀圖。在進(jìn)行圖表瀏覽時(shí)，可同
時(shí)打開(kāi)多個(gè)窗口，操作十分方便。③報(bào)警功能，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)變化過(guò)大，超出自動(dòng)控制能
力范圍時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警。其他網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶(hù)可以用實(shí)時(shí)瀏覽軟件通過(guò)局域網(wǎng)隨時(shí)查看檢測(cè)系統(tǒng)生成
的報(bào)表、圖形、數(shù)據(jù)，及時(shí)了解檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況。
4 結(jié) 論
綜合以上設(shè)計(jì)過(guò)程，可以看出本系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：
1)由VB6．0開(kāi)發(fā)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，編程簡(jiǎn)單，人機(jī)界面直觀，操作靈活方便。
2)采用DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了具有界面化的實(shí)時(shí)多點(diǎn)陣列的溫度采集，克服了一般溫度傳
感器設(shè)計(jì)電路復(fù)雜、穩(wěn)定性和可靠性差的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。
3)采用PID和模糊控制相結(jié)合的方式，控制精度高，安全可靠。
4)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化共享支持，為將來(lái)數(shù)字化采油廠(chǎng)建設(shè)，完成生產(chǎn)、管理部門(mén)全部聯(lián)網(wǎng)，實(shí)
現(xiàn)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)上監(jiān)控打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
[參考文獻(xiàn)]
[1]余威明．DS18B20高精度多點(diǎn)溫度檢瀏顯示系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)，2007，11(3)：37～39．
[21鄭芯蕊，郭黎利．一種基于DS18B20的計(jì)算機(jī)控制測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)[J]．森林工程，2005，21(5)：71～72．
[33苗敬利，安新，馬文輝，等．基于VB6．0的加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．煤礦機(jī)械，2004，12(13)：81～83．
[4]金菇，劉彭義，張葡青．基于單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器的分布式測(cè)溫系統(tǒng)[J1．暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004．25(1)：51～
56．
[51文麗松，高磊．熱處理爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造[J]．計(jì)測(cè)技術(shù)，2008，28 (增刊)：22~25．
[6]張奎，羅煉剛，鮑秀華，崔洪辰，等．油田井站計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)EJ]．信息與自動(dòng)化，2002，13(4)；3o~32．
[編輯] 蘇開(kāi)科

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