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　　0　引 言

　　隨著我國陸上油田的開發(fā)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(fù)雜油井相繼出現(xiàn)。相應(yīng)地，固井工作對油井水泥的各種物理、化學(xué)性能要求也越來越多、越來越高，單單靠增加水泥品種已經(jīng)遠遠不能解決問題。于是大量應(yīng)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(xiàn)場固井生產(chǎn)的需要。傳統(tǒng)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(yīng)用受到一定程度的限制；于是與之對應(yīng)的“干混”工藝應(yīng)運而生，油井水泥干混技術(shù)絕大多數(shù)是以壓縮空氣為動力，使幾種粉狀物料在氣化狀態(tài)下分級稀釋，從而完成均勻混拌。

　　本系統(tǒng)是由石油大學(xué)（華東）自動化系開發(fā)、與勝利油田新潮技術(shù)公司產(chǎn)品“油井水泥干混裝置”配套的監(jiān)控系統(tǒng)，克服了國外同類產(chǎn)品的不足，更適合于我國的國情，該系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)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(qū)、藥品罐區(qū)、成品罐區(qū)和混拌罐區(qū)等主要設(shè)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(zhuǎn)運裝置六大部分組成。其目的是在常規(guī)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(tài)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(tǒng)計三種方式。其中，手動方式要求通過工業(yè)PC顯示器，利用鼠標操作來實現(xiàn)人工打開、關(guān)閉某一氣動截止閥、調(diào)節(jié)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(nèi)早期引進的同類產(chǎn)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(jīng)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(jiān)視以及相應(yīng)的故障處理，該操作方式是本系統(tǒng)的重點；統(tǒng)計方式要求實時監(jiān)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(chǎn)成本與生產(chǎn)效率，為進一步生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

　　2　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　2．1　硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計主要考慮的是系統(tǒng)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(yè)PC構(gòu)成該監(jiān)控系統(tǒng)。SIMATIC　STEP　7采用模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，靈活地選擇輸入／輸出接口模塊的數(shù)量與類型，其技術(shù)指標為DI／DO512點，AI／AO128點、內(nèi)部RAM40K、程序最大容量為256K，完全可以滿足本系統(tǒng)的需要，利用它完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制與參數(shù)檢測。AX6145工業(yè)PC采用Intel Pentium 200處理器、32M內(nèi)存、2M顯存、32XCD，滿足S7PLC對上位監(jiān)控設(shè)備的要求，并且性能穩(wěn)定、可靠，適合于工業(yè)現(xiàn)場使用，利用它完成對整個工作過程的監(jiān)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(xiàn)場一次設(shè)備選用通用的壓力變送器、稱重儀、電動調(diào)節(jié)閥、開關(guān)電磁閥和電容式料位開關(guān)等常規(guī)儀表。整個監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2．2　軟件設(shè)計

　　整個系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)實際上就是一個小型的分散型控制系統(tǒng)。上位監(jiān)控軟件選用美國Intellution公司的組態(tài)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(xiàn)通信，通信卡與PLC之間由S75412的隨卡驅(qū)動程序連接，S7 Driver和S75412驅(qū)動程序通過組態(tài)設(shè)置正確后即可正常工作，下位控制功能通過對PLC編程實現(xiàn)。

　　上位監(jiān)控軟件FIX已經(jīng)提供了豐富的數(shù)據(jù)處理、圖形顯示、人機交互等功能，基本上滿足了系統(tǒng)的實際需要。三種工作方式分別是這樣實現(xiàn)的：手動方式由操作者通過FIX的運行環(huán)境――VIEW界面，用鼠標點按不同按鈕、拖拉相應(yīng)的操作手柄從而改變FIX　DATABASE中數(shù)字量、模擬量輸出值，然后由FIX　DATABASE通過I／O　DRIVER直接驅(qū)動PLC的輸出接口，而現(xiàn)場開關(guān)量與模擬量的值由PLC自動采集，然后通過I／O　DRIVER讀入FIX數(shù)據(jù)庫并顯示在FIX的VIEW界面上；統(tǒng)計方式通過FIX與Excel 7．0之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE），將數(shù)據(jù)傳送給Excel的WorkSheet，然后對Excel接收到的數(shù)據(jù)利用VBA進行編程，實現(xiàn)報表的自動生成與打印功能；較為困難的是該系統(tǒng)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，F(xiàn)IX與PLC均無法直接實現(xiàn)。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(yīng)的功能，從而實現(xiàn)工藝過程的自動控制。

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

圖2　上位監(jiān)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(xiàn)不同混拌過程。其中：第1種混拌方式的上位監(jiān)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(jiān)控軟件向PLC下傳混拌方式1標志，并打開方式1參數(shù)輸入表，參數(shù)包括選定的原料、藥品罐號、混拌比例、混拌時間等，參數(shù)輸入結(jié)束后，提問是否開始混拌，若否，退出方式1，返回監(jiān)控狀態(tài)，并清除下傳的方式1標志；若是，將設(shè)置好的參數(shù)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(jù)PLC上傳的過程標志由上位機給出相應(yīng)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(shù)與狀態(tài)。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(xiàn)；若某過程出現(xiàn)故障，如原料管線堵、藥品罐漏氣等情況，要求PLC軟件有相應(yīng)的應(yīng)急處理方法且在上位監(jiān)控設(shè)備上做出提示，編程實現(xiàn)這部分邏輯關(guān)系較為復(fù)雜。總之，上位監(jiān)控軟件充分利用了FIX的特點，使整個監(jiān)控過程輕松、靈活、高效。

圖3　自動方式1上位監(jiān)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(yīng)的故障處理、應(yīng)急處理，同時為上位監(jiān)控設(shè)備提供工作過程的狀態(tài)標志與運行參數(shù)。另外，生產(chǎn)還要求在PLC程序執(zhí)行過程中隨時可以退出自動方式，返回手動狀態(tài)，以應(yīng)付各種突發(fā)事件。程序的編制采用的是SIMATIC　STEP7結(jié)構(gòu)化的編程方式，自動工作時PLC程序總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，故將各種工作方式都放在一個大循環(huán)當(dāng)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(dāng)中某些功能相同，但每次調(diào)用時參數(shù)不同的部分也都做成獨立的功能模塊FB1～FB9、數(shù)據(jù)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(jù)上位監(jiān)控設(shè)備下傳的不同標志和混拌的不同進程決定是否調(diào)用相應(yīng)的模塊。需要說明的是本系統(tǒng)中PID控制規(guī)律是采用PC與PLC相結(jié)合的方法實現(xiàn)的，由于控制器給定值的計算較為復(fù)雜且某些參數(shù)還會隨著外加劑的不同、使用環(huán)境溫度的變化而改變、PLC處理數(shù)據(jù)運算的能力不強等緣故，采取在上位設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)輸入結(jié)束后（參見圖3上位監(jiān)控程序框圖）由人工選定計算公式、輸入計算系數(shù)，混拌過程開始后，由上位機根據(jù)物料流量計算PID給定值、完成PID運算，然后將運算結(jié)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(diào)節(jié)閥的開度。這樣，簡化了PLC的編程工作。運行結(jié)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(jié)構(gòu)化設(shè)計的優(yōu)點，使整個控制程序條理清楚、調(diào)試、維護方便。

圖4　PLC控制軟件總體框圖

　　3　現(xiàn)場應(yīng)用

　　該系統(tǒng)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(yè)PC抗干擾能力強、簡單、直觀的優(yōu)點，構(gòu)成了一個分散型監(jiān)控系統(tǒng)，圓滿地完成了用戶提出的監(jiān)視、控制要求。