第一章海洋采油自動化控制系統海上油田一般考慮的自動控制總體設計方案有以下幾種：一、以現場顯示、就地控制為主的方案儀表選型以氣動和就地式儀表以及現場控制盤為基礎。該方案的特點是投資少，安全可靠性高，對操作人員技術水平要求低，安裝和維護工作量大，系統擴展性差。適用于井數少、產量不大的采油平臺.二、就地控制與集中控制相結合的方案1、方案1儀表選型以氣動和電動儀表為基礎，集中監控由控制室模擬儀表實現。該方案的特點與“以現場顯示、就地控制為主"方案差不多.增加集中控制，給生產管理帶來方便.采用電動儀表后信號傳輸速度高，電纜安裝比氣管線的安裝簡單容易.控制室用模擬儀表盤對現場各種參數進行顯示、記錄、報警和控制，減少了現場操作人員。但該系統靈敏性、擴展性差，儀表盤占用空間較大。現場接到控制室的電纜較多，工作量大，該方案適合井數少，產量較大的平臺。2、方案2儀表選型以氣動和電動儀表為基礎，集中監控使用微處理機的監控裝置來實現。該方案的特點在于集中監控所采用的設備與方案1不同。監控裝置包括多個現場終端和控制室的計算機系統，現場終端以微處理機為核心。這種方案使系統的擴展和修改比較易行。它比較靈活，功能也強，能收集現場各種參數集中顯示，還能進行數據處理和打印報表，也可根據需要在控制室內操縱現場電機、泵、閥的啟停和開關。通過通訊裝置還能與其他平臺和岸上終端基地的計算機實現聯網、進行數據交換和遙控.監控裝置占用空間小，現場到控制室的電纜數量少，裝置還具有自檢、自處理功能，維護較為方便。但要求操作人員的技術水平高。三、分散控制集中方案儀表選型以電動儀表為基礎，采用以微機為核心的集散裝置分級控制和管理。該系統充分發揮計算機的特長，對于規模大的海上油田自動化管理和無人值守平臺的實現提供了前提。在沒有開發某一具體油田時，很難說采用哪一種方案為最佳。不同的方案,采用的儀表裝置差異很大。一般認為方案2最為適當，這是因為這一方案有較大的儀表覆蓋性，可靠性也較高。對平臺上獨立性較強或自成體系的工藝和公用系統均設置了現場控制盤。這些現場控制盤大都是由基地式盤裝和架裝儀表及斷電器組成，這些現場控制盤承擔對本系統的各種參數如溫度、壓力、液位、流量的指示和控制以及對本系統突發性事故或當人為出現某些誤操作時進行應急保護。現場控制盤接收中控盤的關斷指令，同時把狀態信號、公共報警信號傳送給中控盤.本部分主要內容包括現場各種探測器、傳感器的使用及維護，中央控制系統、PLC控制系統、DCS系統的原理、組態、應用、故障分析及排除，井控制盤及井下安全閥、地面安全閥的工作原理故障判斷，火災控制盤的控制原理及日常維護,自動控制執行機構、各種閥、氣-電、電-氣轉換器使用及日常維護等.四、中控系統（CCS）中央控制系統一般采用系列可編程控制器作為其硬件核心，結合工業控制計算機開發的一種集過程控制及邏輯處理于一體的集散控制系統.該系統大多由大的公司如FISHERROSEMOUNT等所提供。對平臺的生產過程進行集中監視，緊急關斷操作、管理和分散控制。其控制是利用分散到各個執行結構的就地控制盤、熱電站、燃氣壓縮機、注水系統、火災盤、消防系統、高低壓開關扳等控制單元來實現.如下圖所示：圖1-1中央控制系統框圖中控系統的組成中控系統按其功能可分為三個子系統:工藝過程監控系統（PLC或DCS系統）、緊急關斷系統（ESD）和火/氣探測系統（F&G）,這些系統在后面的章節將有較詳細的介紹.中控系統的對外接這里指的接不是計算機的外圍設備如打印機、顯示器、鍵盤等，而是中控系統對現場工藝系統、公用系統以及生活設備之間的數據采集及控制信號傳輸，它們之間用相應的電信號和通信電纜作為彼此間聯系的紐帶.這些電路就是中控系統對外部設備的接。常見的有I/O端子、RS232C、RS422和現場總線適配器等。中控系統的外部設備包括：現場儀表、現場控制盤、燃氣壓縮機控制盤、電站控制盤、水泵控制系統、消防系統及ESD系統等。它們之間傳輸信號的種類有：4-20MA模擬標準信號PI脈沖信號應急關斷信號DI現場報警信號正常操作啟/停信號RS422串行通信信號RTD熱電阻信號等。實例渤南BZ26-2平臺中控系統生產控制系統BZ26-2平臺的生產控制系統采用的是HoneyWell公司的PKS系統，用來實現過程控制、計量、數據采集和其他的相關功能。它具有人機界面好，便于集中操作、監視和管理大型現代化工業生產設施，能與計算機及常規儀表相兼容，系統構成方便靈活，不僅易于擴展,且維護簡單等優點。它可實現如下的功能：動態顯示生產流程、主要工藝過程參數及設備運行狀態對生產過程進行監控實現兩位式開/關控制、連續的PID調節、分程、串級等其它高級控制功能泵、電動機、閥的手動或自動開/關操作生產過程、ESD、火氣系統的圖形動態顯示系統自診斷功能，任何元件故障時，向操作者發出警報記錄并打印所有警報、事件在線精確地調整各種測量數值的比例系數.在線對數據庫定義進行修改、組態、調整參數、改變警報點設置以及備份史記錄對電磁閥和繼電器觸點進行邏輯控制。計時、表決及排序功能等.按照用戶的要求生成報告并按需打印日、周、月報在故障時或平臺投產調試時，由軟件提供關斷信號的旁路功能由軟件提供對輸入/輸出信號的強制復位、旁路功能。電源模塊通訊模塊模擬量輸入卡(AI)模擬量輸出卡(AO)數字量輸入卡(DI)數字量輸出卡(DO)生產控制系統的服務器兼操作站(Server/OperationStation)生產控制系統的操作站(OperationStation)交換機(ExpressEthernetSwitches)4.工藝過程控制系統參數控制海洋采油自動化所需控制的參數主要有：壓力、流量、液位、溫度、壓差、泵的保護、壓縮機的喘振等控制參數。下面介紹各參數的控制方法。(1)分離器控制系統1)壓力控制調壓器在控制回路中的作用是對實際壓力(過程變量)與預定壓力(稱作設定值)進行比較,比較的結果產生一個誤差信號，即偏差，就使調壓器的輸出發生變化，這樣就會使輸出壓力轉換成設定值.這種變化是以調壓器的輸出信號改變了控制閥的位置來實現的.由此就可以把誤差信號降到最低，或減少到零。運用這種被叫做反饋控制系統的原理，就實現了對壓力的控制。在分離器上運用該反饋控制系統可使分離器的壓力穩定在工藝條件下。它由壓力變送器PT、壓力顯示控制器PIC、電-氣轉換器PY和壓力控制閥PCV組成.壓力變送器將壓力信號變為4—20mA的電信號，送至中央控制系統的PLC，并在操作站上顯示，同時該電信號送至電氣轉換器PY，PY將3-20mA電信號變為相應的氣壓信號，送至PIC，PIC將按照一定的控制規律發出0。02—0°1MPa(3-15psi氣控制信號，帶動和控制壓力控制閥，從而達到壓力控制的目的。2）油液位控制系統在浮式處理油輪上，分離器油位控制是用一個安裝在油流入相對側的差壓傳感器來完成的，以便減少橫向與縱向干擾。該系統由油位傳感器LT、油位顯示控制器、電氣轉換器和油位控制閥LCV組成.油位變送器把油位信號變為電信號送入位于中央控制系統內的油位顯示控制器，油位顯示控制顯示該液位并按一定的控制規律發生控制信號，經電氣轉換后控制位于加熱器后的油位控制閥，完成油位控制。在許多平臺上的分離器油位采用浮筒變送控制系統。3）油水界面控制系統常見的油水界面控制有三種形式.浮式處理油輪油水控制系統：兩個電子液位傳感器LDT被安裝在分離器中部接近平穩運動的中點。為了避免受油輪搖擺的干擾，兩個電子傳感器對稱地安裝在分離器的兩側。每一個電子傳感器將一個與油水界面成正比的電信號送給控制室，這些信號由中繼部件LDY，取平均值，送至油水界面顯示控制器LDYC，油水界面顯示控制器顯示該油水界面的值，并按照一定的控制規律發出控制信號給電氣轉換器LDY，LDY將電信號轉換為相應的氣壓信號來控制油水界面控制閥LDCV，完成油水界面控制.具有中間區的兩位式調節系統（圖1—2）:油水界面控制實際上是水位控制，由電子水位控制開關LSH—222A/B及LSL-222A/B監視水面的允許高位和低位，當水面高時，LSH—222A/B的測量電極被水淹沒，電子水位控制開關的繼電器動作，其觸點發出高水位信號輸入到操作室的可編程調節器，后者產生輸出電流信號，此電流輸給電氣轉換器，后者使閥LCV進一步開大，將過多的水從V-201中放出，油水界面就逐漸下降。經過一定時間之后，水位低于LSL-222A/B的電極，此電極處于導電能力差的油中，電子水位控制開關的繼電器動作，其觸點發出低水位信號，此信號送入操作室的HC-222可編程調節器產生事先已設定好的低電流信號，電氣轉換器輸出較低氣壓，調節閥/'*趨向關閉，罐中的水位又開始上升。水位過低屬生產事故，在低水位檢測電極下部裝了過低水位電子控制開關LSLL，當其電極被油浸沒時，電子水位控制開關的繼電器動作，立即使調節閥LCV關閉，同時操作室產生水位過低報警。圖1-2具有中間區的兩位式調節系統界面浮筒變送控制系統：由油水界面浮筒變送器提供控制信號，直接作為閥門定位器的輸入，其輸出去控制LCV閥門開度.一般浮筒采用FISHER公司生產的TYPE25CONTROLLER，這種控制器只有比例運算的一種變送、控制器，它是由浮筒的上下直線位移產生扭矩帶動擋板而產生位移，由此改變擋板和噴嘴之間的距離而產生與之相對應的回壓，此回壓作為輸出壓力，范圍為0。02-0o1MPa（3—15psi。輸出壓力與界面水液位高度成正比，當界面升高，輸出增大，控制閥（氣開，正作用）開度也隨之增大，界面又下降，此時界面浮筒輸出減少，閥門開度隨著減小.最后達到平衡狀態。⑵電脫鹽脫水控制系統電脫水系統的工藝流程如圖1-3所示。靜電脫水器通常用于密度小的原油，以及難分離的乳化液。從熱處理流出的原油仍含有較多的乳化水，經泵P—202將此原油排出，經轉換器E-203,用高溫蒸汽加熱到129P，與破乳劑混合進入電脫水器V-203，在此罐中維持壓力1.05MPa,又在交流（或直流）的強電場力作用下，使帶極性的乳化液產生振動破膜或向兩極加速運動產生碰撞而破膜，乳化水很快變成游離水沉降在罐下部，然后排到污水處理系統.從罐中流出的電脫水原油與水箱排出的沖洗水按一定比例混合后進入電脫鹽器，沖洗水的注入有助于除去油中以乳化形式存在的懸浮水分，并作為溶劑來溶解油中的鹽分。沖洗水以一定的流量由泵P-206#出。在V-204中維持127P和壓力0.9MPa，在強電場作用下一方面進行脫水，另一方面使原油中的鹽分溶解到污水中，從罐底排出。經電脫鹽后的合格原油由罐頂部流出，通過熱交換器E-201與游離水分離器出來的原油進行換熱后，再經冷卻器用海水冷卻，使其溫度降到65r左右，進到儲油罐。此生產過程中，有許多儀表，可分為三部分，即顯示儀表、控制儀表和報警關停儀表。須控制的主要參數是壓力、流量和油水界面。1）電脫水器的控制系統壓力控制：泵排出壓力由設在原油換熱器到冷卻器的管線上的氣動壓力指示調節器（比例積分）PIC和氣動執行器PCV控制。泵的排出壓力為1。20MPa，吸入壓力0。04MPa，壓力指示調節器PIC能維持V—204的壓力為0.90MPa，在此壓力下原油不會產生閃蒸，在此壓力時，V—203就會穩定在1.05MPa的壓力。圖1-3電脫鹽脫水的工藝流程溫度控制：脫水器的溫度由氣動溫度指示調節器TIC-240維持，它控制進入換熱器E-203的高溫蒸汽量，進而維持進入V—203的原油為129P.TIC—240為MC型三作用調節器（PID）.V-203的油水界面控制：油水界面由沉筒液位計測量，由MC型氣動比例積分調節器LIC-241操縱氣動執行器LIC—241控制界面一定，LIC—241是安裝在污水排放管線上的。V-203上還裝有電子溫度變送器和電子壓力變送器，用4—20mA的輸出信號，將兩參數送入中控室顯示。界面過低或過高時還有液位開關產生報警信號。2）電脫鹽器的控制系統壓力控制：由電脫水器流出的脫水原油經控制閥PDCV—242）后進入電脫鹽器，在控制閥前與沖洗水混合，為了保證混合均勻，應維持此閥恒定壓力降，采用能控制差壓的氣動比例積分調節器PDI測量閥上的壓降，并產生信號控制閥的開度以維持此壓降恒定.V—204的界面控制及溫度、壓力測量等與V—203相同.流量控制：沖洗水流量應與原油流量成正比，原油流量變化時,沖洗水流量也應跟著變化。處理過的原油流量用孔板FE-242測量，用差壓變送器FT—244產生輸出信號。而沖洗水流量由孔板FE-270和差壓變送器FT—270測量，變送器輸出信號給流量氣動指示調節器FIC-242，由后者產生信號控制氣動執行器FCV—270,以維持沖洗水一定流量。此流量值的大小決定于FIC-242的給定值，其給定值不是固定的，此調節器是個遠給定型調節器，其給定值由已處理原油流量變送器FT—270的輸出提供，此輸出經比值器FFC-244后送到FIC—242的接收元件（給定元件），這樣沖洗水流量調節器FIC-242的給定值按一定比值（由FFC—244決定）隨已處理原油流量變化，使沖洗水按此給定值變化，即沖洗水與處理過的原油的流量成一定比值，比值系數由FFC-244決定°FFC是一臺單輸入信號的氣動加減器，其加減功能在此未使用，只是使用其可變的相乘系數，使輸入與輸出之變化構成固定比例系數。由V—203及V-204底部排出的污水分別由孔板差壓流量計FE—245和FT—245檢測并顯示。（3）原油增壓泵和外輸泵的控制在海洋石油平臺中，離心泵是使用最為廣泛的輸送設備，原油輸送泵、注水系統的增壓泵、注水泵等均是離心泵。離心泵的控制參數主要有泵的進出壓力。對泵站吸入和排出壓力的控制，可通過儀表控制器、可編程邏輯控制器或帶有調節控制閥位置功能的模擬PID控制器算法的RTU予以實現。一般用比例積分規律進行控制。離心泵的控制方法主要有以下四種（但在海洋石油中，以第四種方法見多）：改變調節閥的開啟度，直接節流：實質是改變管路阻力特性，圖1-4（a）表示了直接節流的控制方案。采用這種控制方案時，調節閥一般是安裝在泵的出端，而不是進端，而且是安裝在壓力檢測元件的下游，這樣對保證測量精度有好處。還需指出，在采用這種控制方案時，調節閥兩端的壓差并非恒定，而是隨著流量而變化，在流量增大時，閥上壓差反而減小。這種控制方案的優點是簡單易行，缺點是在小流量時總的機械效率低。通過旁路控制：旁路閥控制方案如圖1-4（b）所示，可用改變旁路開啟量調節排出量。這種方案簡單，閥門徑小。改變泵的轉速：泵的轉速有了變化,就改變了特性曲線形狀，泵的排出量隨轉速增加而增加。當用電動機作為原動機時，可采用電機調速裝置改變轉速以控制流量