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油田井站輸油溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：薛啟龍黃蕾蕾武文濤葉華興文檔來源：中國石油大學(華東)石油工程學院遼河油田分公司高升采油廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月12日
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· 324 ·
石油天然氣學報(江漢石油學院學報) 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監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
薛啟龍，黃蕾蕾 (中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島266555)
武文濤，葉華興 (遼河油田分公司高升采油廠，遼寧，盤錦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)計了專門用于油田
計量站原油出口溫度自動監(jiān)控裝置，提高了溫度測量的準確性， 避開了輸油過程中眾多中間環(huán)節(jié)影響因
素的分析。能夠及時發(fā)現(xiàn)異常狀況，并及時在站內(nèi)自動調(diào)節(jié)．簡單實用， 提高了油田自動化生產(chǎn)和安全
管理能力，具有一定的推廣價值。
[關(guān)鍵詞]監(jiān)控；加熱爐；DS18B20；VB6．0
[中圖分類號]TE863 [文獻標識碼]A [文章編號]1000—9752(2009)03—0324—03
在采油廠管道輸油的過程中，當石油管道發(fā)生泄露時，隨著管道內(nèi)液體的迅速流失，管道內(nèi)的溫度
和壓力會驟然下降。由于油井產(chǎn)的原油中，水所占的比例不同時，管道的溫度也是不同的，隨著常年的
開采，石油含量會減少，管道的溫度會明顯的變化，故通過單井管道的溫度變化趨勢可以判斷出油井的
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)原油因沒有新采集的原油補充而不再流動，隨著時間的推
移溫度也會降低。因此對輸油管路溫度的檢測控制對于及時判斷油田生產(chǎn)狀況也是非常必要的。
1 設(shè)計方案
溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)主要通過DS18B20溫度傳感器對每個管道出油溫度進行測量，采用計算機串口
傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳遞到計算機后，通過軟件進行記錄存儲并分析，當溫度不在要求范圍內(nèi)時，計算機發(fā)
出控制信號，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，具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個通用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、多點溫度測量系統(tǒng)，硬件電路連接簡單，測溫準確，
可以較好的滿足本系統(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
程無法進行時，驅(qū)動報警顯示電路。
在數(shù)據(jù)處理上，除了顯示歷史曲線，記錄控
制軌跡等本地數(shù)據(jù)庫的一些常用功能外，還設(shè)計
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
力傳感器卜_◆ __ 報警顯示電路
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
[收稿日期]2009—02一z2
[作者簡介]薛啟龍(1983一)，男。2002年大學畢業(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監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
2 系統(tǒng)主要功能及硬件實現(xiàn)
2．1 測溫部分
靈活的軟件編程可使計算機并口與DS18B20的連接方法多種多樣，該設(shè)計采用并口的三端口連接
DS18B20溫度傳感器。通過對并口的一線置l和并口地作為DS18B20的供給電源，這樣可以省去)HJn
電源，達到安裝簡易、控制靈活的目的。另一根線則作為對DS18B20數(shù)據(jù)讀寫操作的數(shù)據(jù)總線，此單
線將在軟件的控制下模擬單線協(xié)議機制的時序[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)過一段長距離的輸送過程才能進人油田井站，
精確控制加熱爐出口油溫并不能保證穩(wěn)定的進站溫度。該系統(tǒng)主要以油田計量井站為監(jiān)測控制主體，通
過控制出站天然氣量來控制進站原油溫度，從而在保證穩(wěn)定的原油進站溫度的基礎(chǔ)上最大限度地降低能
耗。
該系統(tǒng)共設(shè)計了2個反饋閉環(huán)控制，一是根據(jù)出油溫度自動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穩(wěn)定反饋。整個控制過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。
在自動控制系統(tǒng)現(xiàn)場有了準確地控制信號反饋量后，必須還要有精確的控制執(zhí)行機構(gòu)。在本系統(tǒng)中
精確的控制執(zhí)行機構(gòu)為電動調(diào)節(jié)閥，控制進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
圖2 綜合控制流程框圈
3．1 測量記錄模塊
測量模塊部分先在DOS環(huán)境下設(shè)計，通過并行口驅(qū)動DS18B20。由于單總線器件DS18B20通信功
能是分時完成的，有著自己獨特的時序和操作命令[4]，所以必須按協(xié)議進行， 即：初始化DS18B20
(發(fā)復位脈沖)一發(fā)ROM 功能命令一發(fā)存儲器操作命令一處理數(shù)據(jù)。VB程序的最終可靠執(zhí)行需要對其
有良好的控制。每一次VB界面的操作都是上層應用程序通過接口函數(shù)對硬件電路的訪問。設(shè)計中包含
3大主要部分：序列號的測定、溫度閥值設(shè)定、觀測點溫度顯示。
3．2 控制模塊
程序開始首先進行內(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。．當安裝位置正確
時，設(shè)定目標溫度值和壓力值，當用戶未設(shè)定時， 自動默認為系統(tǒng)初始測試值。整個控制模塊可以分為
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。
當原油進站溫度趨于穩(wěn)定時，監(jiān)測天然氣單井管線壓力值，采用PID控制，當測量壓力值和目標
壓力值相差一定范圍時，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[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 ，積分時間(TI)為250s，微分增益(KD)為52 ，微分
時間(TD)為45s。
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·326· 石油天然氣學報(江漢石油學院學報) 2009年6月
對原油輸油管道進站溫度的控制采用模糊控制，編寫模糊控制器控制算法。實際運行中，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，就可計算出輸入、輸出間的模糊關(guān)系。對于輸
入域的每一點，可以選定一種模糊化方法轉(zhuǎn)化為一個模糊子集，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，可以得出對應輸出域上的每個點的輸出值。由它們組成一個輸入域和輸出域
的對應表，稱之為查詢表。查詢表用計算機事先計算好，存于計算機內(nèi)存中。實時控制過程中，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]、報表及歷史趨勢圖形的生成等功能。主要包括
以下幾點：①通信協(xié)議采用TIP協(xié)議，每一計量站從機均有唯一的IP地址。② 生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，其中
報表包括瞬時、日、月、年的分項分類報表，生成的圖形有趨勢圖、柱狀圖。在進行圖表瀏覽時，可同
時打開多個窗口，操作十分方便。③報警功能，當接收到的數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)變化過大，超出自動控制能
力范圍時，系統(tǒng)將自動報警。其他網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶可以用實時瀏覽軟件通過局域網(wǎng)隨時查看檢測系統(tǒng)生成
的報表、圖形、數(shù)據(jù)，及時了解檢測現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況。
4 結(jié) 論
綜合以上設(shè)計過程，可以看出本系統(tǒng)主要有以下特點：
1)由VB6．0開發(fā)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，編程簡單，人機界面直觀，操作靈活方便。
2)采用DS18B20溫度傳感器，實現(xiàn)了具有界面化的實時多點陣列的溫度采集，克服了一般溫度傳
感器設(shè)計電路復雜、穩(wěn)定性和可靠性差的缺點，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，為將來數(shù)字化采油廠建設(shè)，完成生產(chǎn)、管理部門全部聯(lián)網(wǎng)，實
現(xiàn)生產(chǎn)動態(tài)網(wǎng)上監(jiān)控打下堅實的基礎(chǔ)。
[參考文獻]
[1]余威明．DS18B20高精度多點溫度檢瀏顯示系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)，2007，11(3)：37～39．
[21鄭芯蕊，郭黎利．一種基于DS18B20的計算機控制測溫網(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)計與實現(xiàn)[J]．煤礦機械，2004，12(13)：81～83．
[4]金菇，劉彭義，張葡青．基于單總線數(shù)字溫度傳感器的分布式測溫系統(tǒng)[J1．暨南大學學報(自然科學版)，2004．25(1)：51～
56．
[51文麗松，高磊．熱處理爐溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與改造[J]．計測技術(shù)，2008，28 (增刊)：22~25．
[6]張奎，羅煉剛，鮑秀華，崔洪辰，等．油田井站計量監(jiān)測系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)EJ]．信息與自動化，2002，13(4)；3o~32．
[編輯] 蘇開科

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