基于WebAccess的油田污水处理系统的设计

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。

    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。

    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。

    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。

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。

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。