【正文】 第七章 油氣開發(fā)自動(dòng)化技術(shù) 隨著社會的不斷進(jìn)步 ,現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展 ,自動(dòng)化生產(chǎn)逐漸代替繁重的手工勞動(dòng) ,從而減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。尤其是天然氣采集這種危險(xiǎn)程度高的行業(yè) ,自動(dòng)化生產(chǎn)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性 ,既保障安全生產(chǎn) ,又合理節(jié)約資源。 第 節(jié) 自動(dòng)化控制簡介 一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是指含有計(jì)算機(jī)并且由計(jì)算機(jī)完成部分或全部控制功能的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成如圖 171 所示 ,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由傳感器〈變送器〉、過程輸入 /輸出通道、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、操作臺和執(zhí)行器等部分 組成。當(dāng)然 ,還有被控生產(chǎn)過程。 圖 171 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖 生產(chǎn)對象的各項(xiàng)參數(shù) ,由傳感變送器檢測出并經(jīng)多路開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換 (A/D〉送入計(jì)算機(jī) ,計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換〈 D/Ah 再經(jīng)反多路開關(guān)送給執(zhí)行器 (一般為調(diào)節(jié)閥 )來控制生產(chǎn)對象。 同時(shí) ,計(jì)算機(jī)主機(jī)還具有存儲、打印、復(fù)制、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及報(bào)警等功能。 人工需要做的是對計(jì)算機(jī)管理 ,由操作員和工程師對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。操作員只允許一些具體的操作 ,而工程師則可進(jìn)行系統(tǒng)整定 (如 PID 參數(shù)的整定等〉 ,使控制達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 二、幾種過程控制系 統(tǒng) 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)際上是通過過程控制來實(shí)現(xiàn) ,以調(diào)節(jié)器為例 ,介紹幾種過程控制系統(tǒng)。 簡單控制系統(tǒng) ,也稱單回路系統(tǒng) ,如圖 172 所示由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成 ,即被控對 象、測量變送裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) (一般為調(diào)節(jié)閥 )。 被控參數(shù) ,由測量變送儀表 (也稱變送器 )測量轉(zhuǎn)換 [將壓力、溫度、液位等信號轉(zhuǎn)換 成標(biāo)準(zhǔn)信號 :15V(DC)或 42OmAL 與給定形成偏差 ,成為調(diào)節(jié)器的輸入 ,再由調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差的大小調(diào)節(jié)輸出控制被控對象 ,達(dá)到控制的目的。 例如 :水罐的液位控制中 (女日圖 173 所示 )HC 為液位調(diào)節(jié)器 ,液位變送器檢測到 液位偏離設(shè)定值時(shí) ,調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出 ,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度 ,來控制水管出水量 ,達(dá)到控制液 位的目的。 1)串級控制系統(tǒng) 上面所講的單回路控制系統(tǒng)在生產(chǎn) 中用得最多 ,一般情況下都能滿足正常 生產(chǎn)的要求。但是 ,當(dāng)對象的容量滯后 較大 ,負(fù)荷或干擾變化比較劇烈、比較 頻繁 ,或是工藝對產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求 很高 (如有的產(chǎn)品純度要求達(dá) %), 在這種情況下 ,采用單回路控制方法就 不再有效了 ,就必須采用更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)是指采用一個(gè)以上調(diào)節(jié)器 ,各個(gè)調(diào)節(jié)器之間相串接 ,一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入的控制系統(tǒng)。 二次干擾對副對象被控參數(shù)的干擾 ,由副回路變送器檢測出 ,送人副調(diào)節(jié)器 ,由副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)副對象 ,將干擾排除在影響主對象之外。主對象由主回路變送器檢測出 ,送入主調(diào)節(jié)器 ,由主調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的開度 ,達(dá)到控制的目的 (圖 174〉。 下面舉例說明為什么采用串級控制系統(tǒng)。如圖 175 所示 z 從釜頂進(jìn)料 ,利用給夾套 內(nèi)加冷卻水來控制反應(yīng)溫度。如果夾套 內(nèi)的水溫比較穩(wěn)定 ,波動(dòng)比較小的情況 下 ,可以用單回路控制系統(tǒng)來控制生 產(chǎn)， 也就是說用一個(gè)溫度調(diào)節(jié)器來控制反應(yīng)釜的溫度。但是 ,如果水溫波動(dòng)比較大的情況下 ,用單回路控制系統(tǒng)將會使控制效果很差 ,因?yàn)榉磻?yīng)釜容積很大 ,有個(gè)溫度滯后 ,當(dāng)要調(diào)節(jié)溫度時(shí) ,相應(yīng)地調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度 ,控制夾套內(nèi)的進(jìn)水量 ,由于反應(yīng)釜有一個(gè)溫度滯后 ,將會使調(diào)節(jié) 的開度不斷增大或減小 ,最終使反應(yīng) 釜中的溫度變化比較大。如果采用串級控制 ,如圖 176,用反應(yīng)釜的溫度調(diào)節(jié)器作為夾套溫度調(diào)節(jié)器的給定值 ,當(dāng)水溫波動(dòng)時(shí) ,夾套溫度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度 ,使水溫比較穩(wěn)定 ,從而 ,將冷卻水的波動(dòng)干擾排除在外。 圖 176 反應(yīng)釜的溫度調(diào)節(jié)控制方框圖 冷卻水的干擾 ,先影響到夾套中水溫的變化 ,由溫度變送器檢測出 ,送人 TC2 調(diào)節(jié)器之中 ,由 TC2 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)夾套中水溫的變化 ,將冷水的干擾克服在影響釜中溫度之前。釜中由于進(jìn)料的干擾 ,由溫度變送器檢測出送往 TC1 調(diào)節(jié)器 ,控制進(jìn)水閥門 ,達(dá)到控制目的。 2)均勻控制系統(tǒng) 為了解決前后工序的供求矛盾 ,達(dá)到前后兼顧 ,協(xié)調(diào)操作 ,使兩個(gè)互相聯(lián)系又互相矛盾的參數(shù)均可小、范圍內(nèi)變化 ,為此組成的系統(tǒng)稱為均勻控制系統(tǒng)。均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以是一個(gè)單回路控制系統(tǒng) ,也可以是一 個(gè)串級控制系統(tǒng) ,它是指控制目的而言 ,可通過系統(tǒng) PID 參數(shù)整定 來實(shí)現(xiàn) ,如要控制兩個(gè)參數(shù) T,F,控制響應(yīng)曲線如 圖 177 所示。 圖 177 T、 F 控制響應(yīng)曲線圖 3)比值控制方案 在化工、煉油及其他工業(yè)生產(chǎn)過程中 ,工藝上需要兩種或兩種以上的物料保持例關(guān)系 ,比例一旦失調(diào) ,將影響生產(chǎn)或造成事故。 比值控制系統(tǒng)是指從動(dòng)量隨主動(dòng)量按一定比例變化而變化的控制系統(tǒng)。 控制基本知識 自動(dòng)化控制系統(tǒng)大多數(shù)采用簡單控制回路〈單回路 )PID 調(diào)節(jié)控制。 P 為比例 ,Ⅰ 為積分 ,D為 微分。調(diào)節(jié)器可組態(tài)為 PI,PD,PID 三種控制形式。在階躍信號輸入下 ,幾種調(diào)節(jié)器輸出曲線如圖 178。 圖 178PI,PD,PID 幾種調(diào)節(jié)器輸出曲線圖 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) ,必須經(jīng)過 PID 參數(shù)整定 ,才能投運(yùn) b 進(jìn)行系統(tǒng)整定 ,就是對于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)的并安裝就緒的控制系統(tǒng) ,通過控制器參數(shù) (δ ,Ti積分時(shí)間、 Td微分時(shí)間 )的整定 ,使得控制的整個(gè)過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。整定后的調(diào)節(jié)輸出曲線以 4:1 的衰減變化為理想。 系統(tǒng)整定好之后是進(jìn)行系統(tǒng)的投運(yùn) ,所謂控制系統(tǒng)的投運(yùn)就是由手動(dòng)切換到自動(dòng)狀態(tài)。這一 過程 ,如果是調(diào)節(jié)器 ,則通過調(diào)節(jié)器上的手一自動(dòng)切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn) z 如果是計(jì)算機(jī) ,可通過指令來實(shí)現(xiàn)。由手動(dòng)切到自動(dòng)的過程中 ,不應(yīng)造成系統(tǒng)的擾動(dòng) ,亦即切換中不能改變調(diào)節(jié)閥的開度。對于調(diào)節(jié)器來說 ,應(yīng)使其沒有偏差。同樣 ,在由手動(dòng)切換到自動(dòng)的過程中 ,也不應(yīng)造成系統(tǒng)的擾動(dòng)。 第二節(jié) 氣田自動(dòng)化控制系統(tǒng) 一、氣回自動(dòng)化控制系統(tǒng) 氣回自動(dòng)化控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為中心 ,配合各種傳感器、儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成的系統(tǒng)。它可以在不同的程度上 ,實(shí)現(xiàn)對氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的測控和調(diào)節(jié)。 氣田自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以減少崗位人員和實(shí) 現(xiàn)部分崗位無人值守 ,大大減輕后勤保障等方面的負(fù)擔(dān)。此外 ,由于可以實(shí)行對生產(chǎn)過程和設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測 ,不僅可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)事故隱患 ,及時(shí)加以消除和防治 ,確保安全生產(chǎn) ,而且還可以根據(jù)及時(shí)取得的各項(xiàng)參數(shù)和依靠計(jì)算機(jī)的分析功能 ,對生產(chǎn)系統(tǒng)及某些設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié) ,使其處于最佳運(yùn)行狀態(tài) ,達(dá)到安全、低耗、高效、高產(chǎn)的目的。在目前氣田生產(chǎn)中 ,SCADA 系統(tǒng)是較典型的控制系統(tǒng)。 二、 $CADA 系統(tǒng) SCADA 是英文 Supervisory Control And Data Acquisiti