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关键词：联合站；监控；加药控制
1引言
所谓油田集输是指将开采的原油集中进行管线运输、油罐存储，完成对来油、输油及有关储油量的计算、盘存管理。在此过程中，对含水的原油要进行脱水工艺处理，这样就形成了原油集输的若干个工艺处理过程。在开采原油时，我国的很多油田都是中后期开采，油田由于注水所开发出的原油含有较多的水分，目前一般为50％～80％，有的甚至高达90％，因此需要将原油中所含的水用各种方法分离出来。
随着我国自动化水平的提高，联合站集输过程实施自动化监控已经迫在眉睫。油田集输联合站是油田的重要组成部分，集输联合站的油水分离是实现原油脱水，保证产出原油质量的重要过程，它直接关系到后一级单位炼油厂的生产装置能否长期、安全平稳生产，对炼油厂的经济效益有极大的影响。
2总体设计
由于目前该集输站的自动化的发展，以前自动化监测系统监测的数量没有达到现在的自动化要求；同时由于该站在工业过程自动化中需要实现整个联合站工艺过程控制。因此我们在以前监测系统中增加一台天然气计量仪将信号传至上位机对瞬时流量及累计量进行时实显示；增加四路电量测量，完成四个变电所能耗的测量，以及全厂电能消耗计量；增加两台流量计，加入燃油主管线上和回油主管线上，对3台加热炉所耗油量进行计量。对新建一座好油罐液位进行检测；增加适配卡对原系统计量参数进行采集，纳入整个控制系统。在这基础上我们加入了破乳剂加药的自动控制，一次沉降罐的自动放水控制，污水罐的液位控制等其他的过程控制。
本系统是基于工控机及可编程控制器的集散过程控制系统，该系统硬件上采用了PC总线工控机，西门子PLC，含水分析仪一个，液面仪，界面仪，小流量计，网卡，扩充232通信卡，485转换器，电磁阀，流量计，安全栅等设备；软件上采用基于Windows2000&NT的组态软件(组态王6．01)、Excel2000以及Step 7等软件。这使得整个监控系统在监测方面具有：对联合站的集输工艺过程进行动态、实时、逼真的显示；能够对监测的结果自动存盘记录；能够对异常的情况及时准确的进行报警；并且能够根据需要进行报表打印和向使用者提供帮助等功能；在控制方面实现了：破乳剂加药的自动控制，一次沉降灌油厚的自动控制，污水灌液位控制等其他的过程控制。能动态显示各监控变量的实施变化；能做出历史曲线分析图；能实现历史报表、瞬时报表，报表打印；能实现历史数据查询；能实现报表数据上厂局域网；能够实现破乳剂自动加药、一次沉降罐自动放水、加热炉自动点火、污水罐自动放水；能够实现污水罐的液位报警；控制柜能够实现防爆；从而能够使整个集输站的各设备的运行情况实现自动化的监测并及时的控制，使整个集输站自动化水平得到了极大的提高。此外，本套系统具有操作简单、可维护性高、易于扩充等优点。
3硬件设计
该系统硬件上采用集散型计算机控制系统，上位机采用工控机、下位机采用可编程控制器(西门子PLC)，含水分析仪一个，液面仪，界面仪，小流量计，网卡，扩充232通信卡，485转换器，电磁阀，流量计，安全栅等设备；
系统结构图如图1：
[img]20066268301442708.gif[/img]
·上位机：工业控制计算机，完成生产过程工艺流程图，画面显示，画面和数据实时上传厂局域网，参数给定，加药控制，趋势图显示，报表打印，报警纪录等。
·下位机：采用SIMATIC S7-300可编程控制器。CP314作为中央处理器，通过CP5611通讯处理器同上位机组态软件进行通讯：整个系统采用SM331模拟量输入模板对29路模拟量进行信号采集；用SM332模拟量输出模板对6路回路进行控制；用SM332数字量输出模板对7路开关量进行控制；用FM350功能模板对脉冲量进行计数。整个系统经传感器采集信号，通过变送器转换成标准信号送到PLC模板同时也将上位机的控制参数传给CPU,在CPU中进行自动处理后，再将处理结果回送至上位机和现场执行机构，在整个系统中PLC控制各个部分的协调运行。
·工控机内插入A／D转换板卡及硬件计数卡，将现场不参与控制参数直接采集到计算机，计算机完成生产过程工艺流程图显示，参数给定，趋势图显示，打印报表，报警纪录及与分队计量的485通信，网卡实现画面和数据实时上传厂局域网。
·在中央控制柜中，首先我们采用西门子S7-300PLC完成控制参数检测，现场控制。其次将一些不参与控制的检测参数通过转换卡直接纳入工控机。然后我们完成系统供电，参数转换等。
·现场仪表完成参数检测，执行机构完成控制对象调节。
4软件系统
4．1组态软件
本系统的软件采用了北京亚控自动化科技有限公司的基于Windows2000／NT的组态软件组态王6．01［１］，它集控制技术、数据库技术、人机界面技术、网络技术、图形技术于一身，包括动态显示、报警、控件、趋势及网络通信等组件，提供一个友好的用户界面，用组态王6．01组态软件构造“监测和数据采集系统”能够大大缩短开发时间，快速便捷的进行图形维护和数据采集，并且能够保证系统的质量。组态王把每一台下位机看作是外部设备，在开发过程中可以根据“设备配置向导”完成连接过程。在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据。
4．2下位机采用可编程控制器(PLC)软件STEP7编程：
该系统采用SIMATIC STEP7标准软件包进行编程，控制结构选结构化编程方式。在软件中采取多次采样取平均值的办法来减小干扰对系统稳定性的影响。对开关量输出，采用滞后环防止了检测值在给定值附近抖动而造成开关量输出混乱使系统无法可靠的安全运行。本系统在模拟量控制方面由于不需要快速调节输出设备，因此通过循环中断组织块采用了增量式PID调节控制执行机构调节输出，并合理设置中断时间。
4．3利用组态王6．01的网络功能
将工控机显示的画面利用网页发布的功能发布到厂局域网上，将现场实时数据建立ODBC数据库，通过厂局域网服务器的SQL Server来进行网上工况数据实时查询。
4．4开发了与五台分队计量机通讯软件
4．5编制了Excel表格打印应用程序
5加药控制设计
5．1控制思想
油田炼油厂的联合站的加药是联合站的核心工艺，此工艺要求一次沉降罐出口总管含水率控制位一定值(如19%)。自动加药控制系统是整个系统中最复杂、最主要的一部分。直接关系到联合站的经济效益及产品质量。这是因为如果含水率太高不仅影响到油水分离的质量，而且直接影响到外输原油的质量；可是如果含水率太低，则使整个脱水工艺的成本提高了，浪费了国家的资源。分析以上系统可知，影响含水率的干扰因素是很多的，主要有：井排来液量、井排来油量、来液温度、来液压力等等。
为了解决干扰多、通道长、滞后大与控制质量要求高的矛盾，我们将来液量、和来液温度设计为辅助参数。它能较早的反映干扰的影响，是控制器及时先动作，来预先控制加药量，迅速实现“粗调”作用，然后在根据含水率控制加药量，实现“细调”作用，以保证含水率恒定。这样，井排来液量、井排来油量、井排温度、井排压力对含水率的影响，主要由来液量和温度控制器构成的控制回路来克服。加药控制是该系统重要环节，我们做了较深入研究，开发了相应的硬件和软件。
硬件：加药控制柜由变频器与相应的转换电路组成，从而实现就地、启动、停止工作在工频状态，同时在就地运行状态下实现变频控制。
软件：开发相应的软件，通过检测来油温度、液量、油量、综合含水率、一次沉降罐出油总管线原油含水率，来调节加药泵变频器频率；
联合站集输系统包括沉降脱水系统和电脱水系统两大部分，虽然工艺比较简单，但是由于变量耦合严重干扰作用频繁等原因造成可控性差，实现自动化难度较大。联合站油水分离过程是一个典型的复杂工业系统，具有非线性，时变，强耦合和不确定性等特点。
5．2联合站集输系统模型建立
预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。
预测控制是针对传统最优控制在工业过程中的不适用性而进行修正的一种新型优化控制算法，它更加贴近复杂系统控制的实际要求，这是预测控制在石化过程领域中受到重视和应用的根本原因。预测模型具有展示系统未来动态行为的功能。这样，就可以利用预测模型来预测未来时刻被控对象的输出变化及被控变量与其给定值的偏差，作为确定控制作用的依据，使之适应动态系统所具有的存储性和因果性的特点，得到比常规控制更好的控制效果。预测控制伴随着工业的发展而来，所以，预测控制与工业生产有着紧密的结合，联合站集输系统包括沉降脱水系统和电脱水系统两大部分，虽然工艺比较简单，但是由于变量耦合严重干扰作频繁等原因造成可控性差，实现自动化难度较大。联合站油水分离过程是一个典型的复杂工业系统，具有非线性，时变，强耦合和不确定性等特点，其数学模型很难准确建立。由于系统各变量耦合严重，PID控制器很难适应，致使联合站加药不能投入自动运行。故采用预测控制，利用系统的输入输出数据预测未来时刻系统输出，作为加药控制量的输入。
我们要建立加药量和脱水后原油的含水率的模型。所以从孤岛采油厂孤二联合集输站每间隔半小时采集的50组数据，分析看出输出量是脱水后原油含水量y(t)，输入量是加药量u1(t)，d为理论加药量(未知)，而来液量E(t)，油量V(t)，温度T(t)等对加药有直接影响的因素看成是干扰量。我们的目标是无论来液量，油量，综合含水率，温度如何变化，通过控制以最少的加药量来保证原油脱水后合格的含水率。
根据［４］的最小二乘估值及模型残差理论，要依赖多组观测数据得到未知参数d的估值，故引入最小二乘准则：
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这里对数据进行了归一化处理，方法是把原来的数据减掉其平均值再除以其平均值。目的是减弱数据波动对输出的影响。采用统计分析及对系统实际分析建立模型是：y(k)=-aly(k-1)
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采用递推最小二乘法来估算模型参数a1，a2，b0，b1，c0，c1，d0，d1，f0，f1；利用MATLAB工具仿真分析来确定优化参数X1，X2，X3，X4，X5，X6；即确定控制算法(e(k)=y(k)-yo)：
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在组态王中可将本算法利用“命令语言”来实现，但浪费资源。我们在此用VC程序［２］来实现，然后通过DDE动态数据交换与组态王相应变量连接，优点是：一方便模型修改，二节省组态王资源。
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5．3效果分析
图2为MATLAB分析的仿真加药过程的曲线，比较来看，加控制后的加药量明显较控制前节药。
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6结束语
使用情况表明：本系统设计合理，运行稳定可靠，设备选型合理，操作简单，维修方便可靠，必将对企业提高现代化管理水平，降低工人劳动强度，提高检测精度和工作效率，节能降耗发挥积极作用，同时也有利于提高采油厂原油质量、增强经济效益和降低脱水工艺成本。而且这种以工控机为核心建立起的小型的、分散的监控系统，也是符合我国目前实际情况的一种研制方向，有较大的推广价值和应用前景，同时对其它的过程参数的自动化监控也有一定的参考价值，为企业带来可观的经济效益和社会效益。