基于WebAccess的油田污水處理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對當(dāng)代油田含油污水處理技術(shù)存在的低效率、高能耗及高運(yùn)行費(fèi)用的問題，以WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件為上位機(jī)的人機(jī)交互界面，應(yīng)用PLC完成數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)了污水處理過程的全自動運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：污水處理；WebAccess；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程監(jiān)控

    目前我國許多油田處于二次采油期，即注水開采期。油田污水處理的目的是將處理后的水回注地層以補(bǔ)充、平衡地層壓力，防止注入水和返回水腐蝕注水管和油管。油田污水主要包括油田采出水、鉆井污水等其他類型的含油污水，當(dāng)油田需要注水時，油田采出水經(jīng)處理后回注地層，此時要對水中的懸浮物、油等多項指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止其對地層產(chǎn)生傷害。我國污水處理事業(yè)是在80年代初逐步發(fā)展起來的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模，但是，與國外同期的油田污水處理相比較，具有效率低、自動化程度低、能耗高且運(yùn)行費(fèi)用高等缺點。
    針對此種情況，筆者以研華WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件作為上位機(jī)的人機(jī)交互界面，使用三菱FX2N PLC完成數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)自動運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 油田污水處理工藝流程和控制要求
    油田污水處理系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

    從油田的脫水站過來的水經(jīng)過一次緩沖罐和收油罐后，與所加藥劑在混合罐中進(jìn)行混合，混合后的水在沉降罐中進(jìn)行過濾，再經(jīng)過二次緩沖罐后進(jìn)入壓力濾罐進(jìn)行過濾，過濾后的水送入注水站或作為沖洗用水。計算機(jī)通過M點的水流速值和N點的水pH值來控制所加藥劑的量：在工作過程中，對沉降罐要定時進(jìn)行排污；壓力濾罐要定時進(jìn)行反沖洗。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計
2．1 可編程控制器PLC
    目前，在油田污水處理中采用PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制，PLC具有易操作性，有多種程序設(shè)計語言可供使用，其中梯形圖與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解。PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快找到故障的部位。綜合考慮目前工業(yè)過程控制、順序控制系統(tǒng)的主流趨勢和特性，采取了基于PLC為控制單元加工控機(jī)集中監(jiān)控的控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。
2．2 變頻器
    變頻器是自動加藥系統(tǒng)的執(zhí)行單元和控制單元。作為執(zhí)行單元時，變頻器接收來自調(diào)節(jié)單元PLC的控制信號，根據(jù)控制信號改變電源的頻率；作為控制單元時，變頻器本身兼有調(diào)節(jié)單元的功能，單獨完成控制調(diào)節(jié)作用。將變頻器串接在電機(jī)電源的輸入回路，通過改變電機(jī)電源的頻率來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中，每個變頻器有兩條線路，一路是控制投藥量的計量泵，另一路是控制用于溶藥的攪拌電機(jī)。PLC將控制信號轉(zhuǎn)化成4～20 mA的電流信號，通過改變變頻器的工作頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制投藥量和攪拌機(jī)的快慢。
2．3 控制軟件
    PLC的控制軟件主要用于實現(xiàn)加藥、排污、反沖洗等3個方面的控制。
    1)加藥控制 有手動加藥和自動加藥兩種控制方式。在加藥工藝中，主要有A劑和B劑兩種藥劑，其中，A劑的加入量由液體的流速和pH值來決定，B劑的加入量僅由液體的流速來決定。自動加藥的控制原理如圖2所示。

    2)排污控制 分手動排污和自動排污兩種方式。自動排污的工作過程中，系統(tǒng)對所有工作方式設(shè)為自動的沉降罐按順序進(jìn)行排污，排污時間由定時器設(shè)定，可按照工藝需要更改時間。每個沉降罐有4個排污閥門，在排污開始之后要順序打開閥門。加入一定延時，按下排污按鈕即可實現(xiàn)對所選罐進(jìn)行排污。排污控制的流程圖如圖3所示。

    3)反沖洗控 制先打開反沖洗的出口閥門，再打開反沖洗的進(jìn)口閥門，然后關(guān)閉正常工作的進(jìn)出口閥門；當(dāng)反沖洗結(jié)束時，應(yīng)先關(guān)閉反沖洗的進(jìn)口閥門，然后關(guān)閉反沖洗的出口閥門，最后打開正常工作的進(jìn)出口閥門。在這些閥門打開或關(guān)閉過程中，也要加入適當(dāng)?shù)难訒r，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
2．4 控制算法
    加藥系統(tǒng)是污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，是實現(xiàn)系統(tǒng)算法的關(guān)鍵，是系統(tǒng)穩(wěn)定和指標(biāo)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵，在本設(shè)計中，采用工業(yè)上常用的PID控制算法。
    加藥控制過程中，變頻器接收的控制信號由pH計和流量計給出，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與檢測值進(jìn)行比較，通過PID運(yùn)算，輸出一個適當(dāng)?shù)碾娏髦到o變頻器。在選擇PID調(diào)節(jié)參數(shù)時通常按照經(jīng)驗值來確定比例系數(shù)(K)、積分時間值(Ti)、微分時間(Td)，如圖4所示。然后根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來進(jìn)行調(diào)試確定具體的值。

3 組態(tài)軟件WebAccess
    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控是控制系統(tǒng)發(fā)展的一個方向。WebAccess組態(tài)軟件是完全基于瀏覽器開發(fā)的人機(jī)交互軟件，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，可以工作在多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，如單機(jī)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)、連接到Intemet的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自帶的繪圖工具可以畫出很友好的人機(jī)交互界面，可以導(dǎo)入AutoCAD的DXF文檔并進(jìn)行編輯、填充和動畫制作，還能導(dǎo)入GIF和JPEG等圖像文件，使畫面效果栩栩如生。Web-Access的基本組成如下：
    工程節(jié)點(Project Node)：用于系統(tǒng)設(shè)置的中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器?？蛻舳丝赏ㄟ^工程節(jié)點動態(tài)瀏覽監(jiān)控節(jié)點運(yùn)行狀況和工程參數(shù)。
    監(jiān)控節(jié)點(ScadaNode)：可以連接自動化硬件設(shè)備，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)向客戶端、其他監(jiān)控節(jié)點及工程節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)作為系統(tǒng)冗余時，監(jiān)控節(jié)點之間可以互相備份。
    客戶端(Client)：用瀏覽器直接連接到監(jiān)控節(jié)點，以位圖快照格式顯示監(jiān)控畫面、并以文本方式改變數(shù)據(jù)值、確認(rèn)警報和監(jiān)控。
3．1 數(shù)據(jù)記錄及查詢
    WebAccess具有數(shù)據(jù)記錄的功能，可以連接多種數(shù)據(jù)庫，本工程使用系統(tǒng)默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫Microsoft Access。數(shù)據(jù)庫記錄的數(shù)據(jù)有模擬量點值、模擬量改變值、數(shù)字量改變值、運(yùn)行記錄、報警記錄等。記錄的數(shù)據(jù)存放在工程節(jié)點下的Bpdata文件中，可以在工程管理員界面中查詢相應(yīng)的記錄，并可以制成報表定時輸出。數(shù)據(jù)及報表還可以在工程管理員界面中導(dǎo)入到Excel中，以便科研調(diào)用。
    系統(tǒng)是基于B／S架構(gòu)的，在遠(yuǎn)程終端，用戶能夠直接通過瀏覽器查詢并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，使不在現(xiàn)場的研究人員可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保障了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
3．2 人機(jī)界面
    組態(tài)軟件的界面應(yīng)該遵循簡潔、形象、易操作的原則，主界面設(shè)計如圖5所示。

4 應(yīng)用效果
    綜合采用工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)、組態(tài)等技術(shù)和方法設(shè)計了一套油田污水處理控制系統(tǒng)，完全滿足污水處理工藝所提出的控制要求，可以實現(xiàn)污水處理過程的完全自動運(yùn)行，完成污水處理過程中全程監(jiān)控、故障報警、水質(zhì)參數(shù)檢測記錄等的目標(biāo)。實現(xiàn)污水處理自動化后，使得勞動生產(chǎn)率大大提高，大大減輕了工作人員的工作負(fù)荷，節(jié)約了不少生產(chǎn)運(yùn)行成本；在實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型自動投藥后，在保證沉淀池出水達(dá)標(biāo)的情況下，藥劑消耗率得到了較大幅度的降低，藥劑的處理成本從0．5元／噸下降至0．2元／噸。按15噸／小時，年工作300天計算，每年可節(jié)約300x24x15x0．3=32 400元。隨著人水和諧環(huán)境建設(shè)的不斷完善，人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，它必將發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。