基于DCS原理設計的抽油機數據采集系統

1 DCS系統概述與系統原理
1．1 DCS簡(jiǎn)介
DCS(Total Distributed Control System)是以微處理器為基礎的集中分散型控制系統。自20世紀70年代中期首次推出后，就一直占主導地位的控制系統框架。它的主要特征是集中管理和分散控制相結合，與模擬電動(dòng)儀表較，具有連接方便、數據存儲量大等優(yōu)點(diǎn)；與計算機集中控制系統比較，它具有操作監督方便、危險分散、功能分散等優(yōu)點(diǎn)，但其信號傳送一般采用4～20 mA的電流信號形式，一個(gè)變送器或執行機構需要一對傳輸線(xiàn)來(lái)單向傳送一個(gè)模擬信號。抽油機工作看似簡(jiǎn)單，實(shí)際由于油井分布的面積大分散性等特點(diǎn)，對于油田企業(yè)來(lái)講，對其采油生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測、順序控制就是一個(gè)很龐大的工作。應用自動(dòng)數據采集控制系統，可以對單井抽油機的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，對生產(chǎn)設備進(jìn)行自我保護與自我控制，可以大大提高其運行效率。
1．2 結合DCS模型設計數據采集系統的三層結構原理
1．2．1 抽油機數據采集的三層功能概述
傳統的DCS分三層網(wǎng)絡(luò )結構：生產(chǎn)管理級，監控級和過(guò)程控制級等。在油井數據采集系統中，過(guò)程控制級是整個(gè)采集系統的關(guān)鍵部分。其性能影響著(zhù)油井抽油機各種參數信息的實(shí)時(shí)性、抽油機狀態(tài)的運行判斷以及管理決策的正確性。該系統中的過(guò)程控制級完成抽油機的運行參數的檢測任務(wù)。監控級則通過(guò)協(xié)調過(guò)程控制設備，實(shí)現抽油機工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)管理及停開(kāi)操作。生產(chǎn)管理級完成制定生產(chǎn)計劃和工藝流程。DCS使用相對集中的控制站，完成生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)局部的控制作用，實(shí)現分散、數字化的控制過(guò)程。
1．2．2 采集數據信息的分類(lèi)
根據控制理論可知，控制系統的數據信息可以劃分為設定量、擾動(dòng)量、反饋量及輸出量。在抽油機生產(chǎn)數據采集系統中，也可以分為這四類(lèi)相對應的因素：設定量是依據當前抽油機的各項標準參數如井口回壓、出油溫度、套壓等；擾動(dòng)量是外界人為因素和各項干擾影響因素，即各種設備的誤差及其后對現場(chǎng)環(huán)境的影響等要素；輸出量是經(jīng)過(guò)測量的各項生產(chǎn)技術(shù)指標量；反饋量是對輸出量進(jìn)行信息采集處理后，將參與和設定量比較的量。同樣將油田抽油機的數據采集系統應用同樣的工作原理，設定量輸入系統并受擾動(dòng)量作用后，經(jīng)系統功能轉換產(chǎn)生目標近似輸出量，然后對輸出量進(jìn)行信息采集處理并反饋到設定量，從而形成新的設定量，同時(shí)進(jìn)一步修改并精確設定當前抽油機效率最優(yōu)參數標準值，從而達到控制原油開(kāi)采的目的。當抽油機發(fā)生器械故障導致停井時(shí)，工作人員可以第一時(shí)間發(fā)現，并且根據系統采集數據分析故障原因，迅速派出維修人員抵達現場(chǎng)，進(jìn)行設備的維修，最大限度降低了因抽油機故障造成的原有生產(chǎn)損失。

2 抽油機數據采集系統功能的實(shí)現
油井數據采集管控系統，是集抽油機生產(chǎn)控制、數據監測和管理于一體的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制體系。該系統以油田作業(yè)的抽油機運行管理為對象，以智能測控儀器儀表為窗口，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )通信將計算機網(wǎng)絡(luò )延伸到油井的井口，形成了油井數據采集自控系統，實(shí)現油井信息的快速獲取、信息集中處理、分析、診斷和反饋控制。具體實(shí)現項目的系統功能，是由系統主機、過(guò)程機和直接數字控制分別完成統一組成的。在計劃系統里，各種傳感器和智能儀表為測量控制級，以控制器或PLC為核心的下位機系統構成了整個(gè)油田的生產(chǎn)系統的操作級，用具有網(wǎng)絡(luò )功能的控制主機為上位機構成了數據采集控制系統的監控級。各子系統之間具有自己獨立的網(wǎng)絡(luò )系統和布線(xiàn)系統，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與公司其他生產(chǎn)單元監控操作站相連，同時(shí)監控操作站又與企業(yè)信息網(wǎng)相連，將生產(chǎn)數據發(fā)送到公司管理部門(mén)。
2．1 系統的設計與實(shí)現功能
油井生產(chǎn)管理自動(dòng)化控制系統采用分層控制結構。形成以多臺計算機為基礎的分散型控制系統。采用過(guò)程裝置控制設備和多個(gè)控制卡及I／O子系統模板組成過(guò)程裝置控制級，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )將過(guò)程信息傳送到上、下級。抽油機數據采集的功能分層是根據集散控制系統的體系特征而設計，它充分反映集散控制系統的分散控制、集中管理的特點(diǎn)。抽油機運行信息自下向上到管理層逐漸集中，同時(shí)，它又自管理層向下至生產(chǎn)一線(xiàn)逐漸分散。其簡(jiǎn)單系統框圖如圖1所示。

2．1．1 生產(chǎn)管理級功能介紹
系統生產(chǎn)管理級(中心控制室)主要用于完成對整個(gè)系統各子功能的控制及調度。流程圖顯示功能模塊完成各個(gè)工作區域的流程圖和相應參數變化情況的顯示。歷史趨勢及棒形圖顯示模塊：實(shí)現歷史生產(chǎn)狀況的趨勢再現和與之對應時(shí)間點(diǎn)的棒形圖及數據表格顯示?？刂浦鳈C系統軟件的主要功能是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現上位機與下位機間的數據傳輸，以及將下位機實(shí)時(shí)采集的數據進(jìn)行處理，包括存入數據庫、進(jìn)行流圖顯示，還有數據表的顯示及各種要求的報表打印輸出?？刂浦鳈CLED顯示大屏幕可以顯示油井分布圖并且定義多個(gè)測控畫(huà)面，每個(gè)測控畫(huà)面上可以顯示多個(gè)測控參數，比如可以實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、溫度、油壓等參數。通過(guò)控制主機實(shí)現抽油機的停開(kāi)機的網(wǎng)絡(luò )控制；油井故障實(shí)時(shí)顯示報警，包括故障發(fā)生時(shí)間和故障原因；基本實(shí)現數據在線(xiàn)分析診斷，具有計算流壓、系統效率、抽油桿、抽油泵、抽油機分析，功圖量油比較，智能診斷等功能。
2．1．2 監控級是功能介紹
系統的控監控級(油井工作站)主要完成系統內部通信鏈路的建立及數據信息流的傳輸。油井工作站既是中心控制室與智能測控終端的中間站，又可獨立運行。數據采集及系統內部通信是該系統的核心?？梢酝瓿晒δ馨ǎ撼跏蓟到y參數、運行參數設置、修改及對所有智能測控終端進(jìn)行各類(lèi)參數范圍和功能的設置；對所有智能測控終端定時(shí)校對；定檢、自動(dòng)巡檢(自動(dòng)校對、通信、測量等)；故障處理(日志、實(shí)時(shí)響應)；功圖管理(比較、備份、分析)；對終端檢測的抽油井故障進(jìn)行報警和顯示。