孤東油田年產(chǎn)原油273萬(wàn)噸，天然氣4940余萬(wàn)立方米，總含油面積達(dá)75平方公里。目前共有注水站9座，其中離心泵注水站6座，柱塞泵注水站3座，安裝著DF200-150，DF300-150×9，DF350-150×9，DF400-150×9，159ZS，5D-WS59/25，3DS-28/26等七種型號(hào)的注水泵，裝機(jī)容量為67480 kW，設(shè)計(jì)供水能力為19.08×104m3/d。多年來(lái)，該油田各注水站一直采用人工錄取數(shù)據(jù)資料和設(shè)備巡檢制度，各注水泵機(jī)組及其輔助設(shè)備未能做到運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備預(yù)知性修保能力差，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、效率、泵的噪音未能開(kāi)展檢測(cè)和有效控制，由此造成注水泵站系統(tǒng)效率不高，能耗大，故障率高，信息反饋速度慢等問(wèn)題。為此，我們于2000年引進(jìn)應(yīng)用了MCS集散控制系統(tǒng)于各注水站，為油田提高注水系統(tǒng)效率和自動(dòng)化水平起到了良好的促進(jìn)作用。
1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境
1.1工控機(jī)
硬件：
（1）硬盤(pán)lGB以上；（2）內(nèi)存16MB以上；（3）主機(jī)P166以上；（4）顯示器選用大屏幕觸摸式顯示屏；（5）打印機(jī)一臺(tái)（24針寬帶打印機(jī)）。
軟件：
系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為中文Window NT 4.0；開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件采用MCS系統(tǒng)工控組態(tài)軟件。
1.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器
硬件:（1）P166MHZ以上CPU；（2）32MB以上內(nèi)存。
軟件：系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為中文Window NT 4.0+Service PACk 4.0或更高版本、IE 4.01或更高版本；應(yīng)用軟件采用SQL Server 7.0、 IIS 4.0和Excel 2000。
2 工作原理
2.1 基本原理
該系統(tǒng)通過(guò)智能傳感器組對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各注水泵機(jī)組的壓力、溫度、流量、電流、電壓、用電量、振動(dòng)量、水位、油位、噪聲等物理量進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果由一根數(shù)據(jù)總線傳輸給可編程控制器PLC，經(jīng)可編程控制器數(shù)據(jù)計(jì)算以及注水站生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化處理后，第一路送至變頻器組去控制各泵出口電動(dòng)閥門(mén)，通過(guò)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)控制各泵的排量；第二路送至監(jiān)控系統(tǒng)（工控機(jī)），操作、顯示各泵及整個(gè)站系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并將測(cè)試結(jié)果存入磁盤(pán)，打印輸出班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)及效率分析表等；第三路送至異常處理（保護(hù)、報(bào)警）系統(tǒng)，確保注水站各部分的正常安全運(yùn)行；最后一路是數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)各注水站系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理和遠(yuǎn)距離調(diào)控操作。根據(jù)有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出泵干壓差、泵效、單耗、各機(jī)組單臺(tái)系統(tǒng)效率及整個(gè)注水站的平均系統(tǒng)效率等參數(shù)。同時(shí)根據(jù)注水站生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)需要，若遇超限參數(shù)，則發(fā)出聲光報(bào)警和操作提示信號(hào)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各注水泵出口電動(dòng)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使各注水泵處于安全、高效工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行。
2.2 現(xiàn)場(chǎng)各物理量監(jiān)測(cè)
（1）壓力和液位檢測(cè)。采用意大利的TSK霍爾壓力傳感器將現(xiàn)場(chǎng)各壓力（液位）信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸入至PLC，由PLC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算實(shí)際的壓力（液位）值，存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。
?。?）溫度檢測(cè)。采用美國(guó)的DS1820溫度傳感器，將各點(diǎn)溫度信號(hào)按地址編碼由一根數(shù)據(jù)總線通過(guò)集線器直接與PLC通訊，將各溫度值存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。
?。?）流量檢測(cè)。選用具有485通訊接口的電磁流量計(jì)，將瞬時(shí)流量和累計(jì)流量采用讀取儀表內(nèi)存的方法，經(jīng)485通訊接口直接送入PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。
?。?）用電量檢測(cè)。選用具有485通訊接口的智能電能表，將電機(jī)用電量采用讀取儀表內(nèi)存的方法，經(jīng)485通訊接口直接送入PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。
?。?）電壓、電流的檢測(cè)。通過(guò)安裝在強(qiáng)電柜中的變送器將各電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成4－20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)給PLC，經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。
?。?）振動(dòng)量和噪聲的檢測(cè)。通過(guò)安裝在泵房中的震動(dòng)傳感器和噪聲檢測(cè)器將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4－20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)給PLC，經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。
2.3閥門(mén)控制
經(jīng)過(guò)上述現(xiàn)場(chǎng)各物理量的監(jiān)測(cè)和計(jì)算，得出各機(jī)組的電流、單耗和效率，根據(jù)其各系統(tǒng)運(yùn)行期望值的要求，PLC的調(diào)控控制程序通過(guò)實(shí)時(shí)控制變頻調(diào)速器的運(yùn)行頻率和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)泵電動(dòng)閥門(mén)自動(dòng)調(diào)控，并將調(diào)控結(jié)果反饋給PLC，使注水泵始終處于安全、高效的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)閥門(mén)電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)。
2.4提示操作
通過(guò)對(duì)泵出口壓力與注水管網(wǎng)干線壓力的檢測(cè)，計(jì)算出泵干壓差。當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)控措施后泵干壓差仍超出上限時(shí)，微機(jī)屏幕發(fā)出“申請(qǐng)減泵”提示；反之則發(fā)出“申請(qǐng)加泵”提示；當(dāng)單臺(tái)機(jī)組系統(tǒng)效率低于下限時(shí)，發(fā)出“申請(qǐng)換泵”提示；每次提示操作均同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
2.5保護(hù)及報(bào)警
當(dāng)注水系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)突發(fā)性故障和嚴(yán)重超出調(diào)控值時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并給予提示，以及自動(dòng)緊急跳閘斷電停機(jī)保護(hù)等措施，同時(shí)工控機(jī)能自動(dòng)彈出報(bào)警窗口，顯示報(bào)警畫(huà)面。在沒(méi)有操作人員按下報(bào)警應(yīng)答指令前，無(wú)論是否執(zhí)行停機(jī)命令，系統(tǒng)一直保持報(bào)警提示狀態(tài)，確保注水系統(tǒng)在高效安全狀態(tài)下運(yùn)行。
2.6網(wǎng)絡(luò)操作
通過(guò)一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將各注水站工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的集散控制系統(tǒng)與企業(yè)的局域網(wǎng)有效地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。各客戶端通過(guò)聯(lián)網(wǎng)操作，可查看各泵站的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表和曲線、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)畫(huà)面、數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始數(shù)據(jù)、報(bào)警信息，以及可遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)機(jī)泵啟停、調(diào)控參數(shù)設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置和緊急故障處理等。
3 系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)
3.1 系統(tǒng)組成
圖1為系統(tǒng)組成信號(hào)流程框圖。
3.2主要技術(shù)指標(biāo)
?。╨）各種傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，±1.0％；
?。?）A／D變換分辨率，12位；
?。?） 工控機(jī)及控制柜工作電壓：220（1±0.1）V；
?。?）閥門(mén)控制器工作電壓：380（1±0.1）V；
?。?） 5000 m3儲(chǔ)水罐液位控制在5－11m之間；
?。?）注水泵前、后軸瓦溫度控制在70℃以下；
（7） 電機(jī)前、后軸瓦溫度控制在70℃以下；
?。?）2000kW電機(jī)定子溫度控制在110℃以下；
?。?） 注水泵冷卻水管線壓力控制在0.15MPa以下；
?。?0）注水泵和電機(jī)軸瓦前、后的潤(rùn)滑油壓力控制在0.06－0.13MPa之間，壓力低于0.05MPa時(shí)，啟動(dòng)備用油泵；
?。?1）注水泵、電機(jī)的前后軸瓦處的振動(dòng)量控制在0.5mm以下；
?。?2）注水站單臺(tái)泵效達(dá)到78％以上；
?。?3）循環(huán)水池液位控制在0.4m以上；
?。?4）微機(jī)自動(dòng)啟泵（包括加載）時(shí)間小于8秒；微機(jī)自動(dòng)停泵（包括卸載）時(shí)間小于10秒；
（15）當(dāng)注水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，微機(jī)發(fā)出自動(dòng)停機(jī)保護(hù)、報(bào)警、故障顯示并記錄時(shí)間小于10秒；
?。?6）泵的出口壓力波動(dòng)量控制在±0.1MPa之內(nèi)；
（17）泵房噪聲控制在95dB以下；
?。?8）網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸速率10Mbps。
4 系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)
4.1 功能
?。?）具有泵站工藝現(xiàn)場(chǎng)工況流程圖、每臺(tái)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)模擬圖、儲(chǔ)水罐液位模擬圖、設(shè)備潤(rùn)滑流程圖、設(shè)備冷卻流程圖等動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)測(cè)量控制數(shù)據(jù)的功能。
（2）具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)控操作，查看各注水站每臺(tái)泵的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置調(diào)控參數(shù)和保護(hù)參數(shù)，以及緊急故障處理等。
（3）具有巡視功能。能循環(huán)顯示各個(gè)顯示窗口，包括注水泵圖、電機(jī)圖、泵效趨勢(shì)圖、數(shù)據(jù)表和各種報(bào)表等
?。?）具有顯示并打印輸出設(shè)備報(bào)警及停機(jī)參數(shù)、各機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、歷史資料、特性曲線和數(shù)據(jù)分析報(bào)表等。既能定時(shí)編制打印各種生產(chǎn)報(bào)表，又能根據(jù)生產(chǎn)需要隨時(shí)打印某一時(shí)刻某臺(tái)機(jī)組的監(jiān)測(cè)資料。
?。?）自動(dòng)采集處理數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)處理的數(shù)據(jù)資料具有記憶、再顯和遠(yuǎn)傳功能。
?。?）系統(tǒng)具有三種啟停泵操作方式。即現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作方式、微機(jī)啟停操作方式和網(wǎng)絡(luò)客戶端的遠(yuǎn)距離啟停操作方式，滿足了企業(yè)集成化管理和安全生產(chǎn)的要求。
4.2 特點(diǎn)
?。?）采用大屏幕觸摸式顯示屏，操作簡(jiǎn)單、省時(shí)、方便。
?。?）采用直觀的彩色圖形顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)和報(bào)警，界面美觀，具有良好的人機(jī)界面接口。
（3）系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。在遇到全站停電等故障狀態(tài)時(shí)，具有自行關(guān)閉和保護(hù)報(bào)警功能，并提示現(xiàn)場(chǎng)值班人員采取應(yīng)急措施，有效確保注水系統(tǒng)的安全正常生產(chǎn)。網(wǎng)絡(luò)操作采用分層認(rèn)證方式，擁有完整的安全保障機(jī)制，充分保證運(yùn)行設(shè)備和信息系統(tǒng)的安全可靠性。
?。?）監(jiān)控實(shí)時(shí)性好，自動(dòng)化程度高。采用變頻調(diào)速器進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控，控制效果好，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)閥開(kāi)閉度的無(wú)級(jí)閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采集及時(shí)準(zhǔn)確，能根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)情況自動(dòng)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)提出修改或調(diào)整運(yùn)行參數(shù)的指令要求。
?。?）具有良好的抗干擾能力。由于注水泵機(jī)組均為6 kV的大功率高壓交流電機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)干擾較大，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟、硬件上采取了多種防干擾措施。
5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
本系統(tǒng)于2001年5月在孤東油田投入運(yùn)行。經(jīng)過(guò)二年多時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，實(shí)踐證明該系統(tǒng)性能優(yōu)越，可靠性好，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。它的應(yīng)用，既提高了注水泵站的現(xiàn)代化管理水平，減緩了機(jī)泵的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，使設(shè)備的預(yù)知性修保能力大大增強(qiáng)；同時(shí)還進(jìn)一步改進(jìn)了職工的生產(chǎn)工作條件，降低了油田大型泵站的工業(yè)噪聲污染，減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了油田注水站的系統(tǒng)效率和自動(dòng)化水平，達(dá)到了平穩(wěn)注水，節(jié)能降耗的目的。