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　　0　引 言

　　隨著我國陸上油田的開發進入中、后期，開采難度逐步增加，各種深井、超深井、水平井、低滲井等類型的復雜油井相繼出現。相應地，固井工作對油井水泥的各種物理、化學性能要求也越來越多、越來越高，單單靠增加水泥品種已經遠遠不能解決問題。于是大量應用多種油井水泥外加劑、外摻料來改變固井水泥漿的性能以滿足現場固井生產的需要。傳統的“濕混”方案由于密度的檢測與控制較為困難、一次固井過程所需要的物料量不好掌握以及某些外加劑不溶于水等緣故，應用受到一定程度的限制；于是與之對應的“干混”工藝應運而生，油井水泥干混技術絕大多數是以壓縮空氣為動力，使幾種粉狀物料在氣化狀態下分級稀釋，從而完成均勻混拌。

　　本系統是由石油大學（華東）自動化系開發、與勝利油田新潮技術公司產品“油井水泥干混裝置”配套的監控系統，克服了國外同類產品的不足，更適合于我國的國情，該系統已經成功地應用于青海油田特車公司油井水泥干混廠。

　　1　工藝過程及控制要求

　　通常，油井水泥干混裝置都是由原料罐區、藥品罐區、成品罐區和混拌罐區等主要設備以及配套的動力裝置（壓縮機、儲氣罐等）、水泥／藥品拆袋和轉運裝置六大部分組成。其目的是在常規水泥中加入一定比例的幾種添加劑，并使這幾種粉狀物料在氣化、流化狀態下均勻混合，從而達到各種固井水泥的性能指標。

　　該裝置在實際工作過程中要求有手動、自動、統計三種方式。其中，手動方式要求通過工業PC顯示器，利用鼠標操作來實現人工打開、關閉某一氣動截止閥、調節閥，進而控制水泥、添加劑等物料的流向與流量，這種操作方式類似于國內早期引進的同類產品在人工操作臺上的操作；自動方式則要求從原料罐、藥品罐的充氣、出料開始，經過若干中間流程，一直到合格的成品進入成品罐，全過程自動控制與監視以及相應的故障處理，該操作方式是本系統的重點；統計方式要求實時監控各個罐的物料進、出量（各罐物料的進出都通過電子稱進行計量），最后以日報、月報、年報的形式形成報表，以便核算生產成本與生產效率，為進一步生產管理提供依據。

　　2　監控系統設計

　　2．1　硬件設計

　　系統硬件設計主要考慮的是系統的性能價格比，鑒于上述控制要求，選用了西門子公司SIMATIC　STEP　7中型PLC和艾訊公司AX6145工業PC構成該監控系統。SIMATIC　STEP　7采用模塊化的系統結構，可以根據系統規模，靈活地選擇輸入／輸出接口模塊的數量與類型，其技術指標為DI／DO512點，AI／AO128點、內部RAM40K、程序最大容量為256K，完全可以滿足本系統的需要，利用它完成對現場設備的控制與參數檢測。AX6145工業PC采用Intel Pentium 200處理器、32M內存、2M顯存、32XCD，滿足S7PLC對上位監控設備的要求，并且性能穩定、可靠，適合于工業現場使用，利用它完成對整個工作過程的監控與人機對話。PC與PLC之間通過SIEMENS　PROFIBUS－NET模塊CP－342和插入PC的通信卡S75412／PG5412進行連接。現場一次設備選用通用的壓力變送器、稱重儀、電動調節閥、開關電磁閥和電容式料位開關等常規儀表。整個監控系統硬件結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

　　2．2　軟件設計

　　整個系統的軟、硬件結構實際上就是一個小型的分散型控制系統。上位監控軟件選用美國Intellution公司的組態軟件FIX6．02，其運行平臺為Windows NT 4．0 Workstation， FIX與SIEMENS通信卡S75412／PG5412之間由FIX提供的S7　Driver來實現通信，通信卡與PLC之間由S75412的隨卡驅動程序連接，S7 Driver和S75412驅動程序通過組態設置正確后即可正常工作，下位控制功能通過對PLC編程實現。

　　上位監控軟件FIX已經提供了豐富的數據處理、圖形顯示、人機交互等功能，基本上滿足了系統的實際需要。三種工作方式分別是這樣實現的：手動方式由操作者通過FIX的運行環境――VIEW界面，用鼠標點按不同按鈕、拖拉相應的操作手柄從而改變FIX　DATABASE中數字量、模擬量輸出值，然后由FIX　DATABASE通過I／O　DRIVER直接驅動PLC的輸出接口，而現場開關量與模擬量的值由PLC自動采集，然后通過I／O　DRIVER讀入FIX數據庫并顯示在FIX的VIEW界面上；統計方式通過FIX與Excel 7．0之間的動態數據交換（DDE），將數據傳送給Excel的WorkSheet，然后對Excel接收到的數據利用VBA進行編程，實現報表的自動生成與打印功能；較為困難的是該系統自動工作方式，自動工作過程中要求人機交互進行，某些步驟必須由人工做出選擇，方可進入下一步，FIX與PLC均無法直接實現。為此，利用FIX　COMMAND　LANGUAGE的編程功能編寫了這部分人機交互程序，通過FIX向PLC下傳不同的運行標志來控制PLC完成相應的功能，從而實現工藝過程的自動控制。

　　上位監控軟件的總體框圖如圖2所示，即系統開始（啟動“青海油田油井水泥監控系統”圖標）之后，首先初始化系統：上位機、PLC自檢，兩者均正常以后，分別設置FIX　DATABASE中數字量與模擬量的輸出值和PLC輸出模塊默認的初始狀態，根據人工選擇，分別進入自動、手動、統計、退出4種方式。

圖2　上位監控軟件總體框圖

　　自動工作時，共有4種混拌方式，分別加入不同的添加劑和實現不同混拌過程。其中：第1種混拌方式的上位監控程序框圖如圖3所示。通過按鍵選擇進入第1種工作方式，上位監控軟件向PLC下傳混拌方式1標志，并打開方式1參數輸入表，參數包括選定的原料、藥品罐號、混拌比例、混拌時間等，參數輸入結束后，提問是否開始混拌，若否，退出方式1，返回監控狀態，并清除下傳的方式1標志；若是，將設置好的參數下傳，啟動方式1混拌過程的自動控制，即原料罐／藥品罐充氣→原料／藥品計量→幾種藥品的比例加入控制→第1次加水泥稀釋／混拌→第2次加水泥稀釋／混拌→第3次集中混拌→將成品送入成品罐。混拌過程中根據PLC上傳的過程標志由上位機給出相應的文字、聲音提示，如：“原料罐正在充氣，請稍候！”、“計量罐正在進水泥，請等待！”、“計量罐出口比例閥故障，請…”等等，同時，流程圖上直觀地顯示工藝過程的各個參數與狀態。以上正常的工藝過程是典型的順序控制，PLC和上位軟件都容易實現；若某過程出現故障，如原料管線堵、藥品罐漏氣等情況，要求PLC軟件有相應的應急處理方法且在上位監控設備上做出提示，編程實現這部分邏輯關系較為復雜。總之，上位監控軟件充分利用了FIX的特點，使整個監控過程輕松、靈活、高效。

圖3　自動方式1上位監控程序框圖

　　下位控制軟件主要是完成各種混拌過程的自動控制與相應的故障處理、應急處理，同時為上位監控設備提供工作過程的狀態標志與運行參數。另外，生產還要求在PLC程序執行過程中隨時可以退出自動方式，返回手動狀態，以應付各種突發事件。程序的編制采用的是SIMATIC　STEP7結構化的編程方式，自動工作時PLC程序總體結構如圖4所示。由于PLC采用循環掃描的工作方式，故將各種工作方式都放在一個大循環當中。其中，初始化操作、混拌方式1至混拌方式4以及收尾工作都是不同的程序模塊PB1～PB6，PB模塊和故障處理程序當中某些功能相同，但每次調用時參數不同的部分也都做成獨立的功能模塊FB1～FB9、數據模塊DB1～DB5，除此之外還用到周期運行的組織塊OB1、上電初始化組織塊OB100等模塊，根據上位監控設備下傳的不同標志和混拌的不同進程決定是否調用相應的模塊。需要說明的是本系統中PID控制規律是采用PC與PLC相結合的方法實現的，由于控制器給定值的計算較為復雜且某些參數還會隨著外加劑的不同、使用環境溫度的變化而改變、PLC處理數據運算的能力不強等緣故，采取在上位設備系統參數輸入結束后（參見圖3上位監控程序框圖）由人工選定計算公式、輸入計算系數，混拌過程開始后，由上位機根據物料流量計算PID給定值、完成PID運算，然后將運算結果通過FIX的AO模塊傳送給PLC的模擬量輸出模塊，從而控制調節閥的開度。這樣，簡化了PLC的編程工作。運行結果表明：該方法控制效果與直接由PLC完成PID運算基本一致。總之，控制程序充分利用了SIMATIC　STEP7結構化設計的優點，使整個控制程序條理清楚、調試、維護方便。

圖4　PLC控制軟件總體框圖

　　3　現場應用

　　該系統充分利用了PLC體積小、功能強、可靠、通用、易維護的特點和工業PC抗干擾能力強、簡單、直觀的優點，構成了一個分散型監控系統，圓滿地完成了用戶提出的監視、控制要求。