油田站场多功能监控柜研究应用

高宝元

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院， 西安 710018)

目前，油田站场的监控设备，通常是分散单一设置或简单组合后形成监控柜的形式，在对单井计量，收球筒温度，外输原油温度、压力、流量及密闭容器液位等进行监测和控制时，存在功能不完善、摆放不标准、操作不方便、监测参数不准确、显示不集中以及不能进行网络传输数据等弊端；对于可燃、有毒气体以及污水池液位等的监测也存在遗漏缺陷；另外，其显示和报警功能有待完善和提高。

油田站场多功能监控柜是对油田场站里的单井计量和分布式参数进行连续监测和控制以及根据数据网络传输的需要提出的小型智能化控制系统。该人机系统使用嵌入式系统技术，采用真彩的人机界面加I/O数据采集模块的方式。其结构本身就是1台小型数据采集系统，生产过程的各种参数显示、报警、操作只需1台人机界面即可完成，改变了传统多台数字、模拟仪表混合显示，外加操作按钮、指示灯等分立元件操作的方法。人机系统简洁，操作简单，维护量小，克服了以往单参数监控器操作步骤繁琐、效率低、数据处理可靠性差的弊端。

1 多功能监控柜硬件设计

1.1 柜体结构设计

柜体结构至少包括柜体前面上部分斜面显示控制窗口，下部分可开闭的柜体前门；后面可开闭的柜体后门以及柜体底座上固定连接的接线板。显示控制窗口人机界面触摸屏支持现场各类信号仪表的接入，自动完成对温度、压力、液位、流量、油井计量、可燃气体体积分数等生产过程参数的显示控制，监控数据还可设定超限报警。系统内置人机界面集成软件组态，系统设中文显示和操作界面。

1.2 硬件设计

从现场传感器采集来的数据有1～5 V，0～10 V电压信号，4～20 mA电流信号，还有开关量，频率等信号。通过输入模块进入监控系统内的PLC进行处理后，一方面在人机界面进行显示和控制，另一方面通过Modbus RS-485接口或RJ-45接口(满足TCP/IP协议)远传至上位机实现监控。系统的硬件结构如图1所示。

图1 多功能监控柜硬件结构示意

2 系统关键技术

该系统采用的关键技术如下。

2.1 功 能

该多功能监控柜可替代传统的仪表控制箱，当现场过程控制点发生变化时，该监控柜只需修改组态软件即可完成，从而提高了设备的利用率。

2.2 人机界面

该多功能监控柜人机界面通过文本、数据、表格、图形等多种组合形式，将生产装置的运行状态在真彩屏进行简单明晰的显示、报警；提供安全锁功能，允许操作人员对系统组态进行调整、修改，对生产过程进行干预。

2.3 数据采集与处理系统

该多功能监控柜数据采集与处理系统可准确完成对模拟量、数字量、脉冲量、开关量等信号的实时采集，对采集到的信号进行各种数学或逻辑运算处理，可达16位A/D转换数据处理精度。提供多种数据管理手段，满足用户对数据的实时管理、历史管理要求和对数据的储存、调用要求。

2.4 自动控制功能

该多功能监控柜可提供PID控制、逻辑控制、批量控制、前馈控制、比值控制、串级控制、多冲量控制等各种常规控制算法和先进控制算法，满足现场对控制的各种要求。

2.5 软件组态

该多功能监控柜提供MCGS嵌入式组态工具，支持国内外各种仪表及通信。

2.6 网络架构

该多功能监控柜可编程I/O模块，内置通信接口，对于小型系统尤其适用，同时具有体积小，自诊断、中文汉字面板显示、易维护的特点。

2.7 通用接口

该多功能监控柜采用OPC方式，用户可以用第三方软件或者其他支持OPC标准的监控软件从该系统中读取数据。通信方式可以为本地或者远程网络。

2.8 智能显示屏

人机界面采用液晶触摸显示器，使用嵌入式技术、嵌入式操作系统WinCE和低功耗ARM结构的CPU，使用编程语言EVC，具备较快的运行速度。

1) 动画功能设计。MCGS嵌入式组态软件，支持上千种仪表设备的驱动，丰富的动画功能，高亮度TFT真彩显示屏，3D视觉效果。

2) 大存储容量设计。使用64 M的闪存芯片，可以存储上万条的数据和报警信息，方便用户随时查询与统计，为管理者提供更有效的决策，提供U盘数据导出功能。

3) 多通信接口设计。设备支持多个接口， 1个独立串口，1个标准的以太网口，2个USB口，支持RS-232/RS-485/RS-422，以及Modbus_TCP等多种通信方式。

2.9 I/O数据采集模块

所有模件采用标准化、智能模块化结构。监控柜的数据采集模块具有内置的微处理器，可通过RS-485 通信网络独立提供智能信号调理、模拟量 I/O 和数字量 I/O。通信速率最高达38.4 kbit/s，通信距离达1.2 km。其特点如下：

1) 模件可带电插拔而不影响其他模件正常工作。

2) 智能化的I/O模件减轻控制系统的处理负荷。I/O处理系统能完成扫描、数字滤波、数据整定、数字化输入和输出、线性化、热电偶冷端补偿、过程点质量判断及报警、工程单位换算等功能。

3) 输入的变送器信号由不同的模件来处理。单个I/O模件的故障不会引起任何设备的故障或跳闸。

4) 8个模拟量输入1个独立的固态A/D转换器，每1个模拟量输出点对应1个单独的D/A 转换器，每一路信号输入有单独的桥路。所有的输入通道、输出通道及其工作电源均相互隔离。A/D和D/A的转换精度为16位。

5) 模拟量输入： 接收1～5 V，0～10 V电压信号，4～20 mA电流信号，最大输入阻抗为1 kΩ。

6) 数字量输入： 数字量输入模件将闭合接点作为“状态1”，断开接点作为“状态0”。

7) 频率量输入： 频率量输入模件能接受0～1 MHz频率范围的信号采集。

3 室内试验及现场应用

3.1 室内试验

在电气实验室内，利用模拟实验装置对多功能监控柜进行性能检测,主要进行模拟量、开关量、频率实验和带电动机、加热器、报警器负载实验。

1) 模拟量输入实验。监控柜通电，利用信号源在模拟量输入接口处加4～20 mA电流，对于二线制压力、液位、可燃气体体积分数，4 mA对应压力、液位体积分数的最小值，20 mA则对应最大值。

2) 开关数字量输入实验。监控柜通电，利用直流电源在开关数字量输入端口加5 V和0 V电压，对于无源触点浮球液位控制器、顶装式浮子液位计，5 V为高电平,触摸屏显示为“1”， 0 V为低电平，触摸屏显示为“0”。

3) 频率输入实验。监控柜通电，利用频率信号发生器在频率输入端口加0～1 MHz信号，对于流量累加仪，频率信号发生器输入多少个脉冲，触摸屏就显示多少个数。

4) 带电动机、加热器负载实验。在控制电动机接线端子上连接10 kW电动机,实验能否可靠实现自动和手动运行。在控制加热器接线端子上连接6 kW电加器，实验能否可靠实现自动和手动加热。

5) 报警器负载实验。达到已设定的压力、液位、时间、次数、位移值时，能可靠报警和提示，说明报警电路和报警器完好。

3.2 现场应用

2013年以来，多功能监控柜在长庆油田分公司各采油厂，地矿部华北局定边、盐池采油作业区，延长油田股份有限公司吴起采油厂、靖边采油厂等单位进行了推广应用，共计 60多套。多功能监控柜在三大油田的应用赢得了良好的口碑，取得了良好的经济效益和社会效益。

4 结束语

本文详细介绍了油田站场多功能监控柜及其组成、主要功能。

1) 该监控柜能实现油田站场压力、温度、液位、流量、可燃气体体积分数等动态数据显示、记录、累积，能按设定的温度给收球筒加热，按要求控制电磁阀、电动阀的动作，按液位高低控制泄油泵和注水泵的动作，并实现各种罐池液位超限报警等。

2) 通过RS-485接口和串口服务器、RJ-45接口直接与PC机连接，通过网络上传数据。将分布于不同地点的不同参数进行集中监控，上网远程传输动态参数并进行监测，方便了对现场信号的分析监控和处理，为实现数字化油田奠定了基础。

3) 提高了自动化程度，降低了人员劳动强度，同时也减少了可燃气体爆炸和有毒气体中毒等不安全因素，确保了油田站场安全运行。

4) 现场应用表明，该多功能监控柜综合性能稳定可靠、操作简单，各项性能指标均达到设计要求，改变了以往操作步骤繁琐、效率低、数据处理可靠性差的弊端，满足了现场要求，深受现场操作人员的欢迎，为油田正常化生产提供了可靠的监控设备。

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