油田注水泵站自动控制与管理系统的设计

胡小英，苏 炜，胡加兴

（西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710032）

油田注水是我国各个油田保持和稳定原油产量最基本的技术手段[1]。尤其油田进入高含水中后期开采后，没有注水就没有原油产量，更突显出了油田注水在油田的生产过程中的重要性，但其总电耗已超过原油生产总成本的60%（含机械采油）[2]；其中注水耗电占产油总耗电的40%[3]。针对这一亟待解决的问题，走访调研了目前油田的发展现状，并结合对未来企业发展的要求，通过深入分析现有测试设备的技术现状、局限性以及充分结合油田自身特点和国内外油田工业自动化技术动态发展的基础上，提出了油田注水泵站自动控制和管理系统的设计方案。该系统的设计遵循先进、可靠、实用、经济等原则，体现统一设计，分步实施的理念，融合了现代电子技术、精密机械、控制技术、测量技术及计算机技术的最新成果，提高企业的生产自动化水平和管理手段奠定了坚实的基础，实现了强化安全、过程监控、节约人力物力资源和提高效益的目标。

1 系统简介

本系统的设计框图如图1所示，通过外接安装压力传感器、流量传感器、温度传感器等传感器进行实时数据采集，可方便的实时监测注水泵站的工作状况及其过程参数，实现超限停机声光报警，实时获取注水泵的流量及压力等重要参数。监控中心计算机通过远程控制系统获取的数据进行分析、处理、诊断，发出各种控制命令，从而，实现各注水泵状况的集中监控，大大减少了人员的工作量和投入，缩短了故障发现和排除周期，提高了劳动效率，强化了油田现代化管理水平。

图1 系统设计框图Fig.1 The frame of designing system

注水泵站能否高效优化运行主要取决于其最为重要的两个过程参数泵站出口压力及流量，其中图2给出压力自动调节系统设计结构原理图，图3流量自动调节系统设计流程示意图，显而易见，经过压力，流量的这种自动调节系统就能确保泵站系统实时处于节能高效的优化运行状态，为油田的高产稳产奠定了坚实的基础。

图2 压力自动调节系统结构图Fig.2 Chart of pressure automatic regulating system

图3 流量自动调节系统流程示意图Fig.3 Diagram of flow automatic regulating system

整个系统分为两级管理系统。在泵房内设置计算机系统，即现场计算机系统，它主要完成现场数据的采集、对泵站系统设备运行参数和工况进行实时监测、处理报警信息、下达控制命令（手动优先）、泵站系统的优化控制、数据的存储、打印等功能；在采油厂，管理部门设置泵站管理中心，此计算机系统通过网络收集采油厂所属所有泵站的数据信息。主要完成各泵站系统设备参数和状态的实时显示、报警信号的显示、各泵站数据的存储、统计报表的生成、打印等功能。此系统功能有利于及时为生产主管部门提供现场信息，对现场管理提供决策依据。

2 系统结构设计

系统在总体上共分为3大部分：即现场控制和管理系统，管理中心以及通信通道。

1）现场控制和管理系统

这一部分设置在各采油厂所属的各注水泵泵房内，所以也称这为现场控制和管理系统。此系统根据采油这块注水的需求，确定现场控制级的最优控制参数，并向上一级数据库传递现场数据。现场控制与管理系统全面反映了现场的情况，并可以由工程师直接干预控制，是整个系统的关键部分。在实现控制的同时，这部分系统还需要具有其它管理上的功能，如生成班级表、日报表、周报表、月报表、保存历史数据，打印各种数据报表等功能。

硬件部分配置主要由泵房值班室的一台高性能的工控机，工业控制计算机可以选择研华或西门子PⅢ系列产品，在外围的板卡模块上，可以选择研华4000和5000系列，威达的7000和8000系列产品。一台21″三星显示器，外设配置一台彩色打印机、一个集线器、6块I/O板卡、一块网卡、一块声卡、一对音箱、一套仪表控制柜、一套高低压控制柜、一台变频柜、一台UPS、控制台。且控制台嵌入显示器，控制台上放置相应的键盘、鼠标及打印机、电话、音箱（配置音箱的作用主要是使系统在出现状况时具有声音报警）。工控主机、UPS、集线器、电源接插件，各种电缆置于控制台内部。仪表控制柜和配电控制柜置于值班室内主要是防止在计算机失控的情况下能及时地手工操作泵站系统的启停。

软件部分：工业控制计算机系统软件平台选用Microsoft NT 4.0，应用软件平台选用美国Intellution Fix7.0，数据库选用 Oracel或 Sybase。

Fix7.0是美国的Intellution公司的工业自动化组态软件，市场占有率很高。Fix7.0全中文界面支持windows NT/95/98平台，具有强大的组网功能，支持Netbois，Tcp/IP协议，支持200多种国内外PLC、DCS、I/O板卡产品，采用DLL通信方式，采样速度快，可靠性高，同时具有强大的ODBC技术，支持 Oracel、Sybase、Foxpro数据库。Fix7.0自动组态软件还具有易学，易使用，易连接、易生长、易运行等特点。

在Fix7.0软件平台上二次开发出来的软件具有以下功能：

数据采集与控制：软件可以通过硬件驱动程序同现场设备通信，完成数据采集和控制功能，并将数据送往生产过程实时数据库。

历史数据保存：系统可以将实时数据库中采集的数据保存起来，形成历史数据，供以后数据分析使用。

报警及报警管理：系统可以对生产过程进行连续的监视并对问题环节及时报警。通过现场需求定义报警条件和信息，并可以自动记录和打印报警信息。

安全权限：对进入系统的操作者，设置权限高低等级，保证系统运行操作的安全性。

报表的自动生成和打印：为管理的需要即为管理者提供决策依据，软件系统根据要求自动生成各种报表如：日报表、周报表、月报表、季度报表及年报表，且有报表的打印功能。

2）管理中心

在目前情况下，在油田的每个采油厂都有自己的计算机网络中心，都有自己的办公网络，而且在计算机网络中心设备的配置都比较高档、齐全，这就为实现油田注水泵站的控制与管理提供了有利的条件。为节约投资，可以充分利用厂机关现有的一些办公设施，管理中心硬件部分可以作以下配置：

服务器可以利用计算机中心的数据库服务器，在已有的交换机上再设置几个端口专门留给采油厂下属的泵站联网之用。因为厂机关现都有自己的办公网络，所以在泵站运行的主管科室都已配置了一些计算机且与计算机中心的数据库相连。因此可以把主管科室（如注水科或技术科）计算机中的一台专门作为泵站控制与管理系统的一个工作站。计算机的外设有10/100 M网卡，声卡，音箱，彩色打印机，工作台。

这些配置就基本上满足油田注水泵站控制管理系统管理中心对硬件的需求。因为系统管理中心服务器数据库需管理采油厂下属所有注水泵站的数据，数据量比较大，数据库服务器的任务比较繁重，而且对数据的存贮能力要求较高，故对数据库要求较高。基于以上原因，数据库服务器的配置如：Sun服务器双备份，40 G硬盘，P4处理器。

管理中心计算机系统采用C/S结构体系，C/S结构是典型的两层体系结构，它由客户机和服务器组成，这种结构的优点稳定性好。客户机系统平台为Win98/2000或应用平台软件为商业开发的应用软件，此软件完成的内容有：

①数据调用：应用软件完成工作站和服务器之间的连接。

②画面生成示显示：软件自动生成友好的人机对话界面，生成完整的各个泵站动态流程画面。

③报警显示：在系统的初始显示画面，完成各个泵站的报警显示和数值显示，在各个泵站的系统画面显示报警准确位置。

④报表生成：根据地点和时间段条件，组织所需要的报表。

⑤报警历史数据查询：按照地点和时间段，查询此地点和时间段内的历史状况。

⑥打印：完成各种报表的打印功能。

⑦系统权限和维护管理：完成系统权限管理，一般操作者只有查询和数据管理权限。只有超级操作者具有系统维护和临界值的设定权限。

服务器端系统如为Soloris，数据库软件选用Oracel 8.0.5。Soloris平台稳定，可靠性高，安全性好，是目前大型数据库系统流行的系统平台。因为每个泵站测控点较多，而采油厂属于一般共有4到5个注水泵站，所以管理中心数据库需管理近1 000个测控点的数据，所以要求管理中心数据库系统平台的稳定性好，可靠性高，安全性好，而对数据库软件有同样的要求，同时以数据库软件具有上下兼容性，具有开放式的接口。因此在系统平台和数据库的选择上选用Soloris和Oracel 8.0.5。

3）通信通道

在油田采油厂和各个油矿中基本上建成了自己的通路，这就为油田办公网络自动化打下了坚实的基础，为管理中心和各泵站控制系统之间的连接提供了方便，在有些距离较远而又没有联网的注水泵站，可以采用无线通讯的方式把注水泵站现场控制系统和管理中心系统连接起来，虽然无线通讯的带宽较低，传输速率较低，但对一般的数据传输来说还是可以满足要求的，能达到传输数据的要求。

在工作方式采用轮询的方式（polling方式），即管理中心系统不断地向各个现场控制系统发出命令数据组（向各个IP址址发出命令），现场控制系统应立即向管理中心数据库发出数据，数据被存贮在数据库服务器中形成历史数据，供客户端查询和分析使用。

4 结 论

由于当前油田注水泵站基本上只有数据采集系统，而这些数据采集系统大部分都设置在注水泵站现场，具有相对分散性，并没有集中起来。本文提出的油田注水泵站控制与管理系统为油田主管部门、主管领导的管理和决策提供了新方法和新思路，经过在油田的实际应用，证明该系统的运行是稳定的、可靠的、并具有推广价值。

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