1 引言
油田聯(lián)合站是原油生產過程中重要的環(huán)節(jié)之一，是集原油脫水、原油穩(wěn)定、污水處理、高壓注水、油井摻水拌熱、原油儲運等工藝于一體綜合生產廠點，是油田“一級防火，甲級防爆”連續(xù)生產的要害單位，其生產過程的檢測與監(jiān)控不僅直接關系到成品原油的產品質量、關系到設備的能耗大小，更重要是決定著生產過程的安全平穩(wěn)運行及原油生產的經濟效益。
2 設計思路與技術解決方案和途徑
2.1 總體設計思路
光纖傳感與控制技術在油田聯(lián)合站的應用研究項目，就是運用光纖傳感技術具有:
(1) 實現(xiàn)非電檢測，真正本質安全、防爆;
(2) 實現(xiàn)非接觸式檢測，無污染、高絕緣性;
(3) 抗電磁干擾能力強、檢測精度高等特點。
武漢工大光纖傳感科技股份有限公司成功應用于工業(yè)生產過程參數(shù)檢測光纖系列產品、及與河南油田共同研制開發(fā)的三種新型光纖傳感器作為現(xiàn)場檢測用傳感器的主導，配套先進的壓力、溫度傳感器和當今國際流行的分布式計算機實時監(jiān)控技術組成先進、完整的生產過程控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，改善全站的生產和安全管理現(xiàn)狀、提高生產管理水平、提高本質安全，減輕工人勞動強度;為油氣集輸生產現(xiàn)代化管理創(chuàng)出了一條新路。
2.2 項目總目標
(1) 聯(lián)合站油、水、氣處理系統(tǒng)采用先進光纖傳感技術實現(xiàn)生產過程多項參數(shù)自動檢測、控制、顯示、報警;
(2) 注水罐，原油儲罐采用光纖液位計實現(xiàn)自動檢測，高位報警;
(3) 原油外輸自動檢測、控制、報警;
(4) 站內實現(xiàn)管理、控制一體化、智能化;
(5) 建立生產控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)的快速實時通訊，利用動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術，開發(fā)生產控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口;
(6) 安全管理達到中石化股份公司安全管理規(guī)范要求;
(7) 實現(xiàn)站、廠、局計算機聯(lián)網管理。
2.3 主要研究內容
(1) 原油三相分離器油、水液面自動檢測、控制;
(2) 原油三相分離器天然氣壓力自動檢測、控制;
(3) 原油穩(wěn)定塔液面檢測、控制、報警;
(4) 輕油罐液面自動檢測;
(5) 注水罐、原油儲罐液位自動檢測;
(6) 原油儲罐液位高位自動報警;
(7) 原油儲罐溫度自動檢測;
(8) 油井摻水系統(tǒng)自動控制;
(9) 原油長輸管線壓力、溫度自動檢測報警;
(10) 原油外輸平穩(wěn)輸油自動控制;
(11) 三相分離器溫度自動檢測;
(12) 井排來油溫度檢測;
(13) 消防系統(tǒng)水壓檢測;
(14) 聯(lián)合站集中監(jiān)測、顯示系統(tǒng):
2.4 技術方案與解決途徑[2-4]
(1) 將光纖傳感技術引入聯(lián)合站
將光纖傳感技術引入聯(lián)合站，就是運用光纖傳感技術具有:實現(xiàn)非電檢測，真正本質安全、防爆;實現(xiàn)非接觸式檢測，無污染、高絕緣性、抗電磁干擾能力強、檢測精度高等特點，解決原油儲罐液位檢測和報警，解決儲罐負壓檢測和報警，解決原油流量檢測和信號遠傳，解決三相分離器油、水液位檢測與信號遠傳。
(2) 研制和開發(fā)相應的光纖傳感器
由于光纖傳感產品進入油田聯(lián)合站很晚，目前還談不上規(guī)模化應用，因此現(xiàn)在成熟光纖傳感器無法全面滿足聯(lián)合站檢測的需要。要完成項目研究的技術內容，實現(xiàn)項目的總目標，就必須結合聯(lián)合站工藝過程檢測具體工況，研制和開發(fā)相應的光纖傳感器。
(3) 開發(fā)光纖浮球液位變送器
開發(fā)用于油、氣、水三相分離器油、水液位檢測的光纖浮球液位變送器，用以替代現(xiàn)在用的氣動儀表，解決傳統(tǒng)氣動信號在傳輸過程中堵、漏、凍現(xiàn)象，提高控制的快速性、檢測和控制的可靠性。
(4) 開發(fā)光纖流量計量儀
應用容積式流量檢測原理采用光纖轉換和傳送方式實現(xiàn)原油流量檢測與遠傳，解決傳統(tǒng)電動儀表因傳送距離長抗干擾能力低的問題，避免強干擾下，檢測系統(tǒng)的誤操作。
(5) 開發(fā)儲罐光纖負壓報警器
解決原油儲罐負壓檢測與報警問題，可有效預防因呼吸閥堵塞，造成負壓癟罐事故的發(fā)生。
(6) 油井摻水系統(tǒng)自動控制和原油外輸平穩(wěn)輸油自動控制
運用變頻器與壓力檢測構成閉環(huán)回路，確保機泵在高效經濟區(qū)運行，實現(xiàn)節(jié)能降耗，降低設備維護率，提高設備使用壽命。
(7) 生產過程控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)聯(lián)合站生產
采用目前國際上非常流行的分布式控制技術和現(xiàn)代網絡技術組成先進的生產過程控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)聯(lián)合站生產、安全實時監(jiān)控與管理，并將聯(lián)合站實時的生產和安全信息聯(lián)入油田開發(fā)網和安全信息網，為油田經營管理層的決策工作提供及時、全面、準確的信息資源。
3 光纖傳感與控制技術在聯(lián)合站的應用
3.1 系統(tǒng)組成及特點
在系統(tǒng)組成上，現(xiàn)場一次儀表采用光纖傳感器、本安型壓力變送器和溫度傳感器，控制系統(tǒng)運用當今較為先進的“整體解決方案”技術，為了進一步提高增加系統(tǒng)全面性、可靠性、穩(wěn)定性和安全性，在軟件設計上運用國際上流行的MVC技術，即將表示層、控制層、及數(shù)據(jù)層相分離，三層相輔相成，在使用上很直觀地體現(xiàn)出了現(xiàn)場級、監(jiān)控級、工程師及操作員級、企業(yè)管理級多級工作方式，實現(xiàn)真正的工廠綜合自動化理想平臺、真正的流程工業(yè)生產過程的先進控制，優(yōu)化調度和管理模式。
(1) 系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)由外輸控制站、內輸控制站(三相分離和穩(wěn)定控制站)、總控站、原油罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)、事故預案管理等幾部分組成，其中外輸控制系統(tǒng)、內輸控制系統(tǒng)與總控部分以及原油罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)具有相對的獨立性，又有著密切的聯(lián)系構成一個有機整體。系統(tǒng)構成見圖1。
事故預案管理在結合全站安全管理規(guī)定和以往處理事故的一些經驗做法的基礎上，以文本文件形式將其安裝在系統(tǒng)畫面中，用來指導和幫助操作工人在緊急狀態(tài)下快速準確操作處理[5]。
(2) 系統(tǒng)特點
a) 高精度測量，本安防爆;
b) 開放的體系結構，可以提供多層的開放數(shù)據(jù)接口;
c) 有較高的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，維修方便、工藝先進;
d) 豐富的全漢字圖形
豐富的全漢字圖形,復雜漂亮的界面，運用了動畫技術、圖形縮放技術、多級窗口技術、各種數(shù)據(jù)、曲線、棒圖等的實時顯示;
e) 支持各種生產報表和圖形打印功能;
f) 豐富的歷史記錄、報警記錄和事故追憶分析功能;
g) 強大的系統(tǒng)逐級自診斷功能與故障報警功能;
h) 在管理層采用標準的100Mbps以太網(TCP/IP協(xié)議)，應用局域網將聯(lián)合站與油田的開發(fā)網、安全信息網直接相連。
3.2 系統(tǒng)主要技術指標
(1) 液位控制精度 ±5 cm;
(2) 壓力控制精度 ±2kPa;
(3) 大罐液位檢測 ±2mm;
(4) 溫度檢測 ±2℃;
(5) 歷史數(shù)據(jù)保留 7天;
(6) 網絡數(shù)據(jù)傳輸差錯 ∠0.5‰。
3.3 系統(tǒng)設計
(1) 控制系統(tǒng)硬件配置
本系統(tǒng)下位機PLC選用日本歐姆龍株室會社的C200Hα系列機。SYSMAC α系列PLC是OMRON公司繼C200H和C200HS后推出的新一代C200系列的PLC產品。其宗旨是為了滿足高水平的生產自動控制需要，在不減弱PLC功能的同時提供強大的數(shù)據(jù)處理能力，改進通訊功能，優(yōu)化網絡結構，加速向數(shù)據(jù)化工廠的方向邁進。與傳統(tǒng)的C200H和C200HS系列的PLC相比，SYSMAC α系列PLC除了基本性能得到提高以外，它主要在通訊和數(shù)據(jù)處理方面作了大幅度的提高和改進，為控 制與管理一體化的控制系統(tǒng)提供支持，代表著當今PLC的發(fā)展方向。
總之，它是一種價格適中、性價比較高的中型機，配有較強的指令系統(tǒng)，梯形圖與語句并重，增加了許多特殊指令，極大地方便了用戶的編程。此外，它還配備了豐富的特殊模塊和強大的通訊模板，以實現(xiàn)工廠自動化的多級要求。本系統(tǒng)采用的C200Hα型系列PLC為機架安裝型，各種I/O單元、特殊功能模塊、通訊板卡、CPU、電源單元均安插在一塊底板上，并根據(jù)其所占用的槽位占用不同的內存單元。它的用戶程序存儲區(qū)為7.2K字，I/O分配有兩個I/O擴展機架，最大控制點數(shù)可達1140點，其基本指令執(zhí)行時間為0.313微秒，特殊指令執(zhí)行時間為1.250微秒，完全能滿足過程控制的需要。它支持多種特殊I/O單元和通訊模板，可以方便地與上位機IPC、同位機PLC及遠程I/O單元通訊，使用方便。本系統(tǒng)的PLC選型如附表所示。
(2) 控制系統(tǒng)軟件
編程軟件:SYSMAC-CPT(英文版) SYSMAC-CPT是OMRON公司開發(fā)的基于WINDOWS95/98操作平臺上的梯形圖編程工具。它用于在普通個人電腦上編制PLC梯形圖程序，并將程序通過串口下傳至PLC，在線監(jiān)控PLC運行以及各寄存器的狀態(tài)，對PLC進行各種參數(shù)的設置。它支持梯形圖和助記符兩種方式，可相互轉換，使用極為方便。具體的各單元模塊及地址分配見各臺PLC的硬件設計和軟件設計部分。
4 結束語
光纖傳感與控制技術在油田聯(lián)合站應用研究項目，通過研究與實施，消除了安全隱患，提高了聯(lián)合站安全、自動化管理水平，節(jié)能降耗效果明顯，在油氣集輸處理場站具有較好推廣價值。
(1) 首次將光纖傳感與控制技術大規(guī)模運用于油氣處理和集輸工藝中
利用光纖技術所獨具高精度、非電非接觸式檢測等特點實現(xiàn)了魏崗聯(lián)合站多點多參數(shù)全天候自動檢測與監(jiān)控，使站內管理控制達到一體化、智能化;
(2) 開發(fā)研制的三種新型光纖傳感器
儲罐負壓報警器、光纖流量計量儀、光纖浮球液位計，屬國內首次研究應用，其性能良好、運行可靠，大大削減易燃易爆場所安全風險，增強了聯(lián)合站本質安全管理水平;
(3) 經濟效益顯著
該系統(tǒng)確保了集輸設備、注水、摻水設備在高效經濟區(qū)平穩(wěn)運行，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，改善了機泵運行工況環(huán)境，減少設備損壞率，實現(xiàn)多崗合一，降低了油氣集輸處理人工成本;
(4) 自動化程度高
生產異常及時報警，全過程參數(shù)自動采集、自動生成生產報表，降低了工人勞動強度;
(5) 引進國際互聯(lián)網技術、實施遠程監(jiān)控
遠程監(jiān)控為各級決策層了解易燃易爆場所安全生產信息提供了實時依據(jù)，為生產異常情況處理分析提供依據(jù)。
