浩纳尔一体化控制器在油田污水处理自控系统的应用

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摘要：

随着网络技术和多媒体技术的不断发展，传统的工业控制模式也需要不断引入这些新技术，来满足当今社会对控制和管理的新要求，本文着重介绍了对新疆新港公司油田污水处理站监控系统的优化升级。其中采用了一体化控制理念，选用了将PLC控制，网络通讯，视频监控，数据存贮集成于一体的控制器，使控制系统的功能得到了增强。该系统已投入运行两年多，稳定可靠，具有良好的应用和推广价值。

关键词：污水处理站；一体化控制器；自控系统升级

Oil Field Sewage Disposal Station Automatic Control System

YANG Xianli

Xingang pany in Sinopec in Kelamayi province in China

Abstract:Along with the development of working and multi-media technology , the traditional industry control mode need to introduce these technology to meet both requirements of the control and management from the nowadays’ society.This article mainly introduces the upgrade of oil field sewage disposal station automatic control system in Xin Jiang Xin Gang pany. We use All-in-One control idea and the controller which integrated the PLC control, the work munication, video monitoring and datalog in the upgrade which enhanced the function of the system. This system has been put into run steadily and reliably for two years. It offers valuable reference for the using and popularization.

Key words:sewage disposal station; All-in-One controller；upgrade of auto control system

油田污水主要包括原油脱出水(又名油田采出水)、钻井污水及站内其它类型的含油污水。油田污水的处理依据油田生产、环境等因素可以有多种方式。当油田需要注水时，油田污水经处理后回注地层，此时要对水中的悬浮物、油等多项指标进行严格控制，防止其对地层产生伤害。如果是作为蒸汽发生器或锅炉的给水，则要严格控制水中的钙、镁等易结垢的离子含量、总矿化度以及水中的油含量等。如果处理后排放，则根据当地环境要求，将污水处理到排放标准。近年来，随着国内早期污水处理站监控系统的逐步老化，如何安全、高效地监视和控制整个污水处理流程，对监控系统提出了新的要求。

1. 工艺流程

油田污水处理的目的是去除水中的油、悬浮物、添加剂以及其它有碍注水、易造成注水系统腐蚀、结垢的不利成分。所采用的技术包括重力分离、粗粒化、浮选法、过滤、膜分离以及生物法等十几种方法。【1】各油田或区块的水质成分复杂、差异较大，处理后回注水的水质要求也不一样，因此处理工艺应有所选择。以下介绍本污水处理站所涉及的主要处理工艺及控制方案。从目前国内外稠油污水处理及应用情况看，稠油污水处理回用锅炉是解决稠油开发生产过程中产生的稠油污水的最终办法。新疆新港公司91号站稠油污水水质与胜利油田和辽河油田相比好得多，矿化度在3000mg/l以下，硬度在100mg/l以内，SiO2小于50mg/l,而其它油田稠油污水矿化度最小为7000mg/l，硬度在200mg/l以上。采用重力除油――混凝沉降——过滤工艺流程，处理后的水再经软化处理可达到《稠油集输及注蒸汽系统设计规范》SYJ0027—94回用标准回用热采锅炉，在处理技术上已很成熟。即：来水→调节→混凝沉降工艺→过滤

来水进2座5000m3调储罐进行均质均量处理，使水中含油达到<70mg／L,悬浮物<100mg/L；在其出水管线上按一定顺序和时间间隔连续加入三种药剂后，再进入4座反应器和2座2000m3混凝沉降罐反应沉淀，对大部分浮油及悬浮物进行处理，使水中含油达到<5mg／L,悬浮物<15mg/L，再经过两级过滤，使水中含油达到<2mg／L,悬浮物<2mg/L，送至软化水站软化用于油田注汽锅炉。

2系统硬件构成

现场的硬件系统主要由三台HORNER OCS一体化控制器、远程IO模块、主监控室服务器、污水站值班室监控计算机、光纤交换机、摄像头、现场仪表、变频器等组成。上位机组态软件选用了施耐德的Citect组态软件。以下对主要硬件做简要介绍：

(1) OCS一体化控制器:系统选用了三台美国HORNER公司的一体化控制器。该控制器将PLC、触摸屏、网络模块的功能集成于一体，并支持以太网，串口，Cscan总线，存储卡，视频等功能。

(2) Citect组态软件:系统选用了施耐德电气旗下的Citect组态软件。该软件的IO点数扩展能力比较强，数据刷新时间小于１秒。产品里直接打包了各种硬件通讯设备所需的软件系统，具有良好的兼容性。同时支持WEB发布等功能，同一局域网内的计算机均可监视现场运行情况。

(3) 全部采用总线通讯方式与变频器通讯（Modbus RTU协议）

(4) 现场仪表：主要包括各种温度，压力传感器，可燃气体探测器，流量计和电力仪表。电力仪表选用了支持Modbus RTU功能的产品，其余仪表均采用4-20mA模拟量信号进行监控。

3.系统网络结构

系统网络结构如图2所示。

图2　系统网络结构图

Fig.2Structure of System working

从图2可知，现场网络可划分为两个层级：一体化控制器和远程IO模块之间选用CsCAN网络；上位机和控制器、智能仪表、变频器之间选用Modbus TCP网络。以下对这两种网络做简要介绍：

(1) CsCAN网络【2】：CsCAN协议是美国HORNER公司开发的基于CAN网络的现场总线协议标准。CsCAN网络设备支持点对点通信，同时支持主－从模式的网络配置。CsCAN网络的最大数据传输速率可达1Mbps，网络最大传输距离为2000米，最大节点数量为253个。

(2) Modbus TCP网络: Modbus是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的Modbus系列通信协议的派生产品。Modbus协议由于出现较早，且是一个开放的协议，有着广大的设备支持群体，利于系统的扩展增容。

在现场网络选择时，考虑到现场IO模块数量较多，且部分模块距离较远，并且对通信速率有一定要求，故IO模块和OCS控制器之间选用CsCAN网络进行通信。在选择上位机监控网络时，因为上位机距离现场设备较远，且考虑到以后系统升级扩容的问题，故选用了基于工业以太网的Modbus TCP网络。

4.自控系统设计

下面分为3部分对PLC控制部分进行介绍

（1）含油污水自动加药控制

在污水处理过程中，加药的准确性、稳定性至关重要。由于污水均来自油田采出液，水质比较稳定。因此，自动加药主要是依据进反应罐污水量与各药剂液量的“比值”来实现的。通过上位或触摸屏操作对各反应罐进含油污水量与各号药剂量（浓度恒定）的“比值”进行设定，来控制A、B、C三种药剂的加入液量；当进反应罐进水量发生变化时，各(A、B、C)进药量跟踪进反应罐的含油污水量（变频控制）按比例调节、控制加药量。

现场自来水管路上均安装了液体流量计，将进反应罐各路来水信息传递给控制器，控制器将以上信息处理之后，使用PID功能（见图3）控制药泵变频器，进而调节加药泵流量，从而完成了对“比值”的控制，实现了加药系统自动控制，避免了加药过量和欠量；既降低了污水处理成本，也确保了污水处理过程的水质指标。在自动加药系统中，引用了视频功能，当发现有人操作画面时，会自动把操作区域的人物照片抓拍下来存入CF卡中，提高系统的安全性。

（2）过滤器出口压力控制

当一、二级污水过滤器及软化水站的软化水器设备反冲洗或运行负荷变化时，就会影响再生效果。【1】将反冲洗压力信号接入到过滤器的程序控制中，成为再生进程中的一个先决条件，解决了由于反冲洗压力不达标而对再生效果的影响，提高了再生效率。通过变频控制过滤提升泵的转速使二级过滤器出口净化水压力始终控制在设定值目标，使一、二级污水过滤器有一个稳定的生化环；也确保了下游软化器设备的平稳运行；而且通过工艺改造利用其出口的净化水压力恒定来完成自身的反冲洗过程。

进行冲洗的时间可以存到TF卡里面，时时的记录数据【3】，

（3）污泥处理系统控制

在上位或控制器的触摸屏上设置时间间隔，定时对反应罐的低液位、高液位排污管线上的电动阀进行控制，实现自动排污；由于反应提升泵需要定期维护，因此系统会累计泵的运行时间，当到达设定时间后，会提醒操作人员进行维护，见图6。

排污池主要接受反应罐、沉降罐排污水，如果污水排入量突然增大，很容易造成冒池的危险。此处选用带阻尼单法兰智能液位变送器监视排污池的液位，数据交由控制器处理后在控制器屏幕和上位系统均设有报警指示。

在上位或控制器的触摸屏上设置时间间隔，定时启停污泥离心机及排污池污泥泵设备，实现自了自动对污泥进行技术处理：在离心力的作用下，使污泥中的固体颗粒压实，与污泥中的水分分离，避免对环境的污染。

同时系统中装有多处硫化氢气体和可燃气体传感器，将气体监测信息实时传递给上位系统。

5. 结语

由一体化控制器和上位机构成的新型污水处理站自控系统符合标准的Client/Server结构，使用了Modbus TCP这一通用现场总线协议，系统具有良好的兼容性和可扩展性。通过对污水处理站自控系统的优化升级，不仅改善了系统本身的控制功能，而且提升了对设备的管理水平，现在管理者、操作人员以及后期对生产数据需要的相关部门都可以通过网络来使用这些数据，并可以实时的监视整个生产运行过程、历史数据、报表等信息，为构建数字化油田建设奠定了良好基础。

参考文献：

[1]刘德续.油田污水处理工程[M].石油工业出版社,2001:43-45.

[2] Ken Jannott.CsCAN Protocol Summary, First Edition:12-13，2001.

[3] Andy Swales.开放型MODBUS TCP规范(中文版),修订版1.0:2-3，1999.

2011年11月 撰写整理于克拉玛依