作者簡介 劉雍，東北大學碩士研究生，研究方向自動控制，現任北京和利時自動化驅動技術有限公司行業技術支持。
摘 要 油田伴生氣增壓回收系統是利用工業壓縮機將油田伴生氣壓縮到一定的壓力后，再通過切換閥門以及專用管道回收利用的系統。系統包括了壓力檢測、溫度檢測、閥門切換以及變頻控制等控制過程。目前對此系統主要有兩類控制器，一類是采用單板機制作的專用控制器，此控制器可以較好的實現控制功能，但在可靠性以及維護性方面都存在較大的問題；還有一類是采用PLC作為系統的控制器，PLC的可靠性會大大強于單板機控制器，并且有豐富的通訊接口，易于組網。在監控方面，系統一般包括現場觸摸屏監控以及GPRS遠程監控系統。和利時公司的LK系列PLC不僅有很高的可靠性還有豐富的通訊接口，系統組網更加容易，此外還具有SD卡程序下裝功能，系統的升級維護更加方便，因此LK系列PLC在此類系統中的應用前景更加廣闊。
關鍵詞 LK PLC；伴生氣增壓回收系統；GPRS；
1 引言
伴生氣又稱為油田氣，是與原油共同儲藏在地層深處的一種能源，其主要成分為甲烷，其中還有乙烷、丙烷、丁烷等少量氣體。早期國內外大部分油田沒有對伴生氣進行有效的回收利用，多采取燃燒、排放等簡單的處理方式，這些處理方式不僅污染環境，而且造成巨大的浪費。隨著企業節能減排意識的提高以及自動化控制技術的不斷提升，越來越多的油田開始致力于伴生氣回收系統的開發。不同的油田所產生的伴生氣濃度與壓力是不同的，為了能夠將伴生氣回收利用，需要將壓力不足的伴生氣進行增壓，油田伴生氣增壓回收系統就是在此背景下應運而生的。
近些年，隨著自動化控制技術、網絡通訊技術的快速提升，油田伴生氣增壓回收系統的功能也越來越強大，由最早是單機控制系統，發展到現在的帶有無線網絡的集中智能控制系統，這就需要控制器具有較強的通訊擴展能力。目前采用的控制器主要有兩大類，一類是基于單板機的專用控制器，還有一類是基于PLC的控制器。基于單板機的專用控制器可以較好的實現控制功能，但在可靠性以及維護性方面都存在較大的問題，其中一些控制器的網絡接口也沒有統一的標準，不易進行網絡擴展；另一類采用PLC作為系統的控制器，PLC的可靠性大大強于單板機控制器，此外PLC的通訊擴展能力也比較強，可以比較方便的實現復雜的網絡。本文所述的油田伴生氣增壓回收系統就是采用PLC作為控制器的，本系統采用的是和利時公司LK系列PLC，這款PLC不僅具有很高的可靠性，還有豐富的通訊接口，非常易于組網，利用CPU自帶的RS485接口以及宏電的GPRS DTU模塊，系統實現了基于GPRS的遠程監控功能。此外系統還支持SD卡程序下裝功能，用戶只需通過帶有程序的SD存儲卡就可完成程序的下裝，此功能特別適用于對此類所在地點偏僻、不便于使用電腦對控制系統進行升級與維護的應用場合。下面就詳細介紹一下采用和利時公司的LK系列PLC搭建的油田伴生氣增壓回收系統。
2 油田伴生氣增壓回收系統工藝
該系統主要由以下三個子系統組成，分別是增壓系統、噴液冷卻系統以及獨立潤滑油系統。下面分別對這幾個子系統進行簡要說明。
ì 增壓系統
增壓系統用于伴生氣增壓，可根據入口氣體壓力情況自動進行啟動停止，其核心裝置為雙螺桿壓縮機，壓縮機采用變頻工作方式。控制器根據設定的出口氣體壓力與實際出口壓力作比較，采用PID算法計算出變頻器的運行頻率，實現對雙螺桿壓縮機的動態能量調節。
ì 噴液冷卻系統
壓縮機汽缸采用噴淋冷卻的方式，冷卻液采用油田中的原油，原油與套管氣混合后進入冷卻器，經冷卻后的油氣作為噴淋液進入壓縮機。
ì 獨立潤滑系統
獨立潤滑系統由油泵、油箱、潤滑油過濾器、潤滑油分配器等組成，分別向壓縮機的軸承、機械密封、同步齒輪提供潤滑油。潤滑系統設置油壓連鎖控制等功能，保證主機得到良好潤滑和封閉。
油田伴生氣增壓回收系統工藝結構如圖2-1所示，從圖中可以看到此系統主要包括壓縮機、變頻器、潤滑油分配器、冷卻器、原油加熱器、油泵以及一些閥門開關等。圖中綠色部分即為獨立潤滑油系統，潤滑油采用原油，經加熱后由油泵打入冷卻器中，再進入潤滑油分配器，加熱原油是避免油溫過低時阻塞油泵。圖中紅色部分為噴液冷卻系統，原油經冷卻后作為冷卻劑進入壓縮機。圖中藍色部分為增壓系統，伴生氣在符合一定壓力條件下進入壓縮機，壓縮機變頻工作使壓縮后的伴生氣穩定在設定壓力上。
3 油田伴生氣增壓回收控制系統設計
ì 系統結構
此系統采用和利時公司的LK系列PLC作為控制器。控制系統結構如圖3-1所示，在控制層每個采油站配置一個現場控制站，現場控制站包括一套LK PLC、一個觸摸屏以及一塊GPRS遠程通訊模塊，PLC負責現場工況信號的采集、處理以及向現場設備發送控制信號，觸摸屏用于現場監控與調試，GPRS遠程通訊模塊將現場控制站以無線的方式接入公網，通過GPRS網絡即可將現場控制站的狀態與報警信息傳輸到監控中心的操作員站上。網絡層采用星型網絡，以公網為中心，操作員站通過網線連接到公網，公網再通過GPRS網絡與現場各工作站交換數據。在操作層采用了2個操作員站，其中一臺操作員站具備工程師站的功能，用于操作以及監視此控制系統，兩個操作員站采用熱備的方式，當其中一臺操作員站出現故障時，可以使用另一個操作員站對系統進行操作，從而不會影響系統正常工作。兩個操作員站通過工業以太網交換機進行數據交換，打印機負責打印日常報表。
圖 3-1 伴生氣增壓回收控制系統結構圖
ì PLC硬件配置
本系統采用和利時公司的LK系列PLC，LK系列PLC的CPU上集成了豐富的通訊接口，包括冗余的Profibus-DP接口、太網接口，一個RS232接口以及一個RS232\485接口，不用另外擴展通訊模塊即可組成復雜的通訊網絡，既能滿足客戶的通訊需求，又為用戶節約了投入成本。單個子站控制系統硬件清單如下：
表 3-1單個子站控制系統硬件清單
|
硬件清單 |
|
型號 |
說明 |
總數量 |
單位 |
生產商 |
|
LK910 |
電源 |
2 |
個 |
和利時 |
|
LK202 |
CPU |
1 |
個 |
和利時 |
|
LK101 |
主背板 |
1 |
個 |
和利時 |
|
LK231 |
通訊模塊 |
1 |
個 |
和利時 |
|
LK610 |
16通道數字量輸入模塊，
12/24V DC，漏型 |
1 |
個 |
和利時 |
|
LK710 |
16通道數字量輸出模塊，
晶體管輸出 |
1 |
個 |
和利時 |
|
LK411 |
8通道電流型模擬量輸入模塊 |
1 |
個 |
和利時 |
|
LK511 |
4通道電流型模擬量輸出模塊，通道間隔離 |
1 |
個 |
和利時 |
|
LKC131 |
占空模塊 |
4 |
個 |
和利時 |
|
HT6600C |
5.6英寸，CSTN |
1 |
個 |
和利時 |
|
H7710 |
GPRS DTU RS485 |
1 |
塊 |
宏電 |
ì 上位機操作系統
上位機操作系統采用和利時公司的HollyView進行開發，實現對各PLC控制站的監視與控制。為了通過GPRS與各子站進行通訊，操作員站申請了域名，通過HollyView虛擬串口功能與各DTU建立連接。數據庫采用SQL2000，通過連接SQL2000數據庫進行運行狀態信息的保存、讀取以及報警數據的記錄等工作。為了保證系統的可靠性，本系統采用兩臺PC機互為備份，并實現數據庫同步，確保監控系統的不間斷運行。
ì 觸摸屏操作系統
觸摸屏可以在現場對設備進行監視與控制，以及在設備調試時使用。觸摸屏系統中包括了參數設置、系統控制、系統狀態監視、報警信息記錄等功能。系統運行畫面如圖3-2所示：
圖 3-2 觸摸屏系統運行畫面
4 應用特點
基于LK的伴生氣增壓回收系統具有如下特點：
ì 可靠性
本系統采用和利時公司的大型PLC產品LK系列PLC，LK系列PLC主要針對大型或對可靠性要求高的控制系統，產品設計借鑒了和利時公司DCS產品的成功經驗，在惡劣的工作環境下仍然可以保證長時間可靠的工作，LK系列PLC還通過了UL和CE兩大國際認證。上位機系統采用兩臺PC互為熱備，當一臺PC機出現問題的時候，另一臺PC機可以立即投入工作，從而不會影響系統正常運行，可以看出本系統在控制層與操作層都有相當高的可靠性。
ì 系統功能強
LK系列PLC可靠性高，運算速度快，邏輯控制容量大，支持SD卡程序下裝，支持LD、ST等多種語言混合編程，特別適合伴生氣增壓回收系統這樣算法比較多的控制系統。LK編程軟件中帶有增量PID功能塊，通過配置參數就可以很方便的實現PID運算功能。此系統被控對象所處位置偏遠且分散，對此采用了基于GPRS網絡的遠程監控系統，不僅節省了布線成本，新建的子站也可以很容易的加入現有系統中。
ì 數據庫記錄完善
上位機操作系統采用HollyView組態軟件連接SQL2000數據，可以實現系統監控以及系統狀態信息、報警信息的記錄功能，觸摸屏所做的操作界面同樣具有報警信息記錄等功能，用戶可以在現場隨時查詢報警信息。
5 結束語
油田伴生氣增壓回收系統在保護環境、節能減排上有著深遠的意義，此類系統也將成為控制領域新的研究方向。LK系列PLC以其高可靠性、易用性很好的完成了此系統的控制任務，這也預示著國產PLC的迎頭趕上。GPRS遠程監控系統的成功搭建也給系統監控提供了新的思路。
參考文獻
[ 2 ] 蘇欣等，油田伴生氣利用對策及現狀[J]，中國石油工程設計有限公司.
[ 4 ] 李強，基于GPRS網絡的PLC分布式控制系統[J]，成都眾山科技有限公司.
[ 5 ] 和利時公司，LK大型可編程控制器硬件手冊，2008.
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