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基于WebAccess的油田污水处理系统的设计

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摘要:针对当代油田含油污水处理技术存在的低效率、高能耗及高运行费用的问题,以WebAccess网际组态软件为上位机的人机交互界面,应用PLC完成数据采集和系统的控制,实现了污水处理过程的全自动运行和远程监控。
关键词:污水处理;WebAccess;数据采集;远程监控

    目前我国许多油田处于二次采油期,即注水开采期。油田污水处理的目的是将处理后的水回注地层以补充、平衡地层压力,防止注入水和返回水腐蚀注水管和油管。油田污水主要包括油田采出水、钻井污水等其他类型的含油污水,当油田需要注水时,油田采出水经处理后回注地层,此时要对水中的悬浮物、油等多项指标进行严格控制,防止其对地层产生伤害。我国污水处理事业是在80年代初逐步发展起来的,经过几十年的发展已经初具规模,但是,与国外同期的油田污水处理相比较,具有效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。
    针对此种情况,笔者以研华WebAccess网际组态软件作为上位机的人机交互界面,使用三菱FX2N PLC完成数据采集和系统的控制,实现系统自动运行和远程监控。

1 油田污水处理工艺流程和控制要求
    油田污水处理系统的工艺流程如图1所示。

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    从油田的脱水站过来的水经过一次缓冲罐和收油罐后,与所加药剂在混合罐中进行混合,混合后的水在沉降罐中进行过滤,再经过二次缓冲罐后进入压力滤罐进行过滤,过滤后的水送入注水站或作为冲洗用水。计算机通过M点的水流速值和N点的水pH值来控制所加药剂的量:在工作过程中,对沉降罐要定时进行排污;压力滤罐要定时进行反冲洗。

2 控制系统设计
2.1 可编程控制器PLC
    目前,在油田污水处理中采用PLC进行系统控制,PLC具有易操作性,有多种程序设计语言可供使用,其中梯形图与电气原理图较为接近,容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可以很快找到故障的部位。综合考虑目前工业过程控制、顺序控制系统的主流趋势和特性,采取了基于PLC为控制单元加工控机集中监控的控制系统的设计方案。
2.2 变频器
    变频器是自动加药系统的执行单元和控制单元。作为执行单元时,变频器接收来自调节单元PLC的控制信号,根据控制信号改变电源的频率;作为控制单元时,变频器本身兼有调节单元的功能,单独完成控制调节作用。将变频器串接在电机电源的输入回路,通过改变电机电源的频率来调整电机转速。在本系统中,每个变频器有两条线路,一路是控制投药量的计量泵,另一路是控制用于溶药的搅拌电机。PLC将控制信号转化成4~20 mA的电流信号,通过改变变频器的工作频率控制电机的转速,从而控制投药量和搅拌机的快慢。
2.3 控制软件
    PLC的控制软件主要用于实现加药、排污、反冲洗等3个方面的控制。
    1)加药控制 有手动加药和自动加药两种控制方式。在加药工艺中,主要有A剂和B剂两种药剂,其中,A剂的加入量由液体的流速和pH值来决定,B剂的加入量仅由液体的流速来决定。自动加药的控制原理如图2所示。

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    2)排污控制 分手动排污和自动排污两种方式。自动排污的工作过程中,系统对所有工作方式设为自动的沉降罐按顺序进行排污,排污时间由定时器设定,可按照工艺需要更改时间。每个沉降罐有4个排污阀门,在排污开始之后要顺序打开阀门。加入一定延时,按下排污按钮即可实现对所选罐进行排污。排污控制的流程图如图3所示。

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    3)反冲洗控 制先打开反冲洗的出口阀门,再打开反冲洗的进口阀门,然后关闭正常工作的进出口阀门;当反冲洗结束时,应先关闭反冲洗的进口阀门,然后关闭反冲洗的出口阀门,最后打开正常工作的进出口阀门。在这些阀门打开或关闭过程中,也要加入适当的延时,使得系统能够稳定运行。
2.4 控制算法
    加药系统是污水处理控制系统设计的核心,是实现系统算法的关键,是系统稳定和指标达标的关键,在本设计中,采用工业上常用的PID控制算法。
    加药控制过程中,变频器接收的控制信号由pH计和流量计给出,系统根据设定值与检测值进行比较,通过PID运算,输出一个适当的电流值给变频器。在选择PID调节参数时通常按照经验值来确定比例系数(K)、积分时间值(Ti)、微分时间(Td),如图4所示。然后根据现场的实际情况来进行调试确定具体的值。

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3 组态软件WebAccess
    随着网络技术的发展,信息共享和远程监控是控制系统发展的一个方向。WebAccess组态软件是完全基于浏览器开发的人机交互软件,具有很强的网络通信能力,可以工作在多种网络架构下,如单机系统、多机系统、连接到Intemet的网络系统。自带的绘图工具可以画出很友好的人机交互界面,可以导入AutoCAD的DXF文档并进行编辑、填充和动画制作,还能导入GIF和JPEG等图像文件,使画面效果栩栩如生。Web-Access的基本组成如下:
    工程节点(Project Node):用于系统设置的中央数据库服务器。客户端可通过工程节点动态浏览监控节点运行状况和工程参数。
    监控节点(ScadaNode):可以连接自动化硬件设备,并且可以通过网络向客户端、其他监控节点及工程节点传输数据;当作为系统冗余时,监控节点之间可以互相备份。
    客户端(Client):用浏览器直接连接到监控节点,以位图快照格式显示监控画面、并以文本方式改变数据值、确认警报和监控。
3.1 数据记录及查询
    WebAccess具有数据记录的功能,可以连接多种数据库,本工程使用系统默认的数据库Microsoft Access。数据库记录的数据有模拟量点值、模拟量改变值、数字量改变值、运行记录、报警记录等。记录的数据存放在工程节点下的Bpdata文件中,可以在工程管理员界面中查询相应的记录,并可以制成报表定时输出。数据及报表还可以在工程管理员界面中导入到Excel中,以便科研调用。
    系统是基于B/S架构的,在远程终端,用户能够直接通过浏览器查询并导出数据,使不在现场的研究人员可以实现数据共享,保障了系统的安全性和稳定性。
3.2 人机界面
    组态软件的界面应该遵循简洁、形象、易操作的原则,主界面设计如图5所示。

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4 应用效果
    综合采用工业控制、网络、组态等技术和方法设计了一套油田污水处理控制系统,完全满足污水处理工艺所提出的控制要求,可以实现污水处理过程的完全自动运行,完成污水处理过程中全程监控、故障报警、水质参数检测记录等的目标。实现污水处理自动化后,使得劳动生产率大大提高,大大减轻了工作人员的工作负荷,节约了不少生产运行成本;在实现数学模型自动投药后,在保证沉淀池出水达标的情况下,药剂消耗率得到了较大幅度的降低,药剂的处理成本从0.5元/吨下降至0.2元/吨。按15吨/小时,年工作300天计算,每年可节约300x24x15x0.3=32 400元。随着人水和谐环境建设的不断完善,人们环保意识的不断增强,它必将发挥更大的经济和社会效益。

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