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［摘要］随着油气生产物联网建设的开展，开发物联网仿真培训系统对于提高操作人员的物联网应用技能十分必要。文章选取具有代表性的接转站系统作为仿真对象，满足流程模拟、操作功能模拟、事故处理模拟、操作评价等方面的需要，使用高性价比的小型可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）搭建下位机系统，使用组态软件通过二次开发实现上位机仿真功能，实现对接转站物联网仿真培训系统的开发，解决以往仿真系统存在的开发费用高、代码不开放、修改维护不便等问题。
［关键词］接转站；物联网；仿真系统；组态
0引言
当前，国内各油田正在对已建油气站场进行物联网改造，操作人员从传统的手工操作转变为应用物联网系统进行监控［1］。操作方式的转变带来了如何让操作人员尽快熟练掌握物联网应用的现实问题，开发应用物联网仿真系统，对操作人员进行物联网使用培训显得十分必要。接转站工艺流程在各油田中基本相同，接转站物联网系统的使用功能类型基本可以涵盖其他类型站场物联网系统的功能。为此，本文选取具有代表性的接转站物联网系统进行仿真开发，实现对操作人员物联网应用技能的仿真培训［1］。
1仿真需求
接转站作为油田集输系统运行的关键环节，主要完成进站液气液分离、加热、外输、掺输等工作。通过物联网系统，接转站可以实现各项运行参数的自动采集、流程展示、报警、自动控制、趋势分析等功能。物联网仿真系统重点实现如下需求。
1.1流程模拟
流程模拟是接转站物联网仿真系统实现的关键，主要应用物料平衡方程、能量平衡方程、伯努利方程、理想气体状态方程建立系统数学模型，描述系统的动态特性和静态特性［2］。重点实现如下模拟：进站介质含水、含气、温度、流量变化等的模拟，分离器、空冷净化装置等工艺设备液位、压力、流量、温度等变化的模拟，加热炉、机泵、控制阀控制特性的模拟。
1.2操作功能模拟
接转站物联网系统使用组态软件作为上位机系统，使用PLC作为下位机系统实现数据采集和自动控制，仿真系统需要使用与现场实际相一致的上位机系统和下位机系统［3］，同时还需要配置与现场相似的手动控制操作盘，用于模拟事故状态下的手工操作。重点实现与现场一致的操作功能，主要包括报警信息的查看、报警参数的设置、趋势组及趋势分析功能的使用、机泵启停控制、比例积分微分（Proportional,Integral,Differential;PID）控制的使用、自保连锁控制的使用、物联网系统运行状态监测、系统日志查看等基础功能［2］。
1.3事故处理模拟
事故处理是实际生产中操作人员的关键技能，通过事故处理模拟提高操作人员应用参数报警和参数变化情况分析诊断事故和正确处理事故的能力。系统需要按照考核等级设置自动加载相应模拟事故［4］，主要包括PID手自动切换、自保停机原因分析、加热炉故障判断、气体报警处理、机泵偷停诊断、系统压力控制、参数失效判断、系统故障诊断、停电事故处理、泄漏事故判断与处理等。
1.4操作评价
操作评价是客观评价操作人员物联网系统应用能力的工具［5］。系统通过记录操作人员的操作行为，与考核规则进行符合性比较，定量形成操作人员操作水平评价分数。
2接转站物联网仿真系统设计
系统设计以某接转站物联网系统为仿真对象，该站采用掺输工艺，接收4座集油阀组间的来液，配置三相分离器2套（一开一备）、空冷净化器1套、掺输水罐1套、加热炉3台、外输泵2台、掺输泵3台。物联网系统配置PLC控制柜1套、操作站1套。该站采集参数63个，PID控制回路3个，远程遥控回路3个。
2.1硬件结构设计
在系统硬件设计上，在满足相似性要求的基础上，尽量减少硬件设施的部署，追求小型化、便携式，达到培训场所空间要求。接转站物联网仿真系统硬件结构如图1所示。具体硬件配置如下：管理员站1套、操作员站1套、西门子S7-200 PLC 1套、小型交换机1套、模拟操作盘1套、小型变频器1套、电动执行器1套。模拟操作盘用于模拟现场的各类操作按（旋）钮，用于考查系统故障时操作人员的手工操作能力，同时利用PLC采集模拟操作盘的状态变化，用于记录评价操作人员的手工操作行为［3］。
2.2软件结构设计
接转站物联网仿真系统软件结构采取服务器/客户端架构，具体结构见图2。仿真软件采用三维力控ForceCon V7.1网络版组态软件进行组态开发，保持与现场使用的上位机系统组态软件相一致［5］。ForceCon V7.1组态软件作为一款服务器/客户端架构的组态开发软件，具有丰富的人机界面开发功能、数据交互功能、轻量级的计算功能，该软件的应用程序动作功能支持用户使用编程语言（Visual Basic,VB）脚本开发工艺计算功能，提供的ActiveX数据对象后台组件支持组态环境与数据库的交互。数据库使用Access数据库，部署于服务器端（管理员站），用于存储用户管理、用户行为记录、考核项加载配置、操作评价打分等数据［4］。PLC下位机软件使用西门子STEP7 MicroWIN V4.0 SP9开发，主要实现变频器、电动执行器、模拟操作盘的参数采集和控制，包括PID控制程序、启停控制程序等。
2.3系统功能框架
仿真系统软件分为用户管理、人机界面、过程模拟、考核项加载管理、操作评价管理5个功能模块，具体分为31项子功能（见图3）。用户管理部分主要实现管理员账户和培训用户的注册、授权、注销等使用权限的管理。人机界面部分主要采用组态软件开发，主要培训使用人员熟悉组态功能，包括流程调用、报警上下限设置、报警记录查看、系统状态查看、系统日志查询、PID控制面板使用、趋势曲线查看及趋势组配置等。过程模拟功能是系统的核心功能，主要实现进站液量变化模拟、分离器液位变化模拟、掺输水罐液位变化模拟、加热炉运行工况模拟、系统压力平衡模拟、机泵及控制阀工况模拟等。加载考核部分主要实现各类典型考核项的加载管理。操作评价部分主要实现操作行为记录、考核项行为比对、评分、成绩管理等［5］。
3接转站物联网仿真系统软件实现
仿真系统上位机软件使用组态软件开发，需要按照生产实际建立设备、采集点和仿真计算需要的中间变量，绘制流程图和报警界面，基本工作内容与常规组态基本一致。
3.1流程模拟的软件实现
流程模拟部分主要完成以下内容：①模拟计量间来液的流量、含油量、含水量、含气量、来液温度的随机变化，建立掺输水量和温度与计量间来液温度的数学模型；②建立三相分离器、空冷净化器、掺输水罐的容积模型，通过进出物料的变化，计算得出液位、压力参数；③建立机泵的运行特性模型，表征频率与流量、频率与电流、频率与压力的数学关系；④建立控制阀门的运行特性，表征阀门开度与流量的数学关系；⑤建立加热炉运行模型，表征加热炉运行参数设置与物料温度的数学关系、燃气耗量与系统压力（分离器压力和空冷净化器压力）的数学关系。流程模拟计算使用ForceCon V7.1软件的应用程序动作功能开发完成，在进入程序中编写系统初始化代码，完成各变量的初始值赋值；在程序运行周期执行中输入工艺计算代码，程序执行周期设为1 s；计量间来液流量变化主要使用中心值加随机数发生的方式实现。
3.2 PID控制的实现
从手工操作到自动控制转变的过程中，操作工人能否熟练掌握PID控制使用是关键。需要通过模拟现场工况，表征正、反作用的控制特征，模拟不同比例、积分、微分参数下的控制品质。模拟PID控制重点解决过程测量值（Process Value,PV）源和输出值（Output Value,OP）源的问题，PID控制回路的OP至变频器频率给定或电动执行器的开度给定，PID回路的PV源需要通过上位机的计算值写入PLC的PID控制回路的PV源寄存器。PID运算在PLC上完成，与现场实际基本相同。
3.3事故数据加载的实现
事故数据加载主要使用触敏动作功能实现，通过编写程序代码按照事故数据特征改变运行参数的值。对于硬件故障，如通信中断、信号线故障等，辅助继电器切断相关线路的方式实现［6］。
3.4考核评价的实现
考核时，由管理员站通过管理员界面点击加载事故选项，被考核操作员使用操作员站进行事故处理操作，管理员站程序执行将事故处理关键标志数据写入Access数据库，事故处理时间到即进行标志数据与标准标志数据的比较，得出事故处理得分，并存储考核结果。Access数据库数据交互使用后台组件中的ActiveX数据对象组件完成，通过触敏动作功能中代码实现数据增加、删除、改变、存储操作。
4结束语
使用组态软件开发仿真培训系统具有开发效率高、源代码开放、程序修改便捷快速、开发费用低等优点。使用小型化、低成本的PLC模拟关键控制功能解决了仿真系统硬件费用过高的问题。掌握系统的工艺特征，建立基于机理模型的过程数学描述，是实现过程仿真与实际过程特性一致的关键。通过接转站物联网仿真培训系统的推广应用，参培的操作人员有了与现场实际一致的操作体验，有效提升了操作人员的物联网应用技能，保障了物联网效能的充分发挥。
主要参考文献
［1］栗继鹏.油气生产物联网系统的运用解析［J］.信息系统工程,2022(4):31-34.
［2］顾利民,朱英如,穆剑,等.稠油油田生产能耗指标计算方法研究［J］.中外能源,2012(1):92-95.
［3］江远怀,王晓刚.基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法:CN202210704842.X［P］.2022-06-21.
［4］陈杰,周涛,刘亮,等.AP1000机组小破口失水事故模拟分析［J］.华电技术,2016(1):68-71,75,79.
［5］于翔.基于TIA Portal与组态软件联合仿真调试研究［J］.今日制造与升级,2023(3):120-122.
［6］王勇.仿真培训中学员操作技能评价模型与自动评价系统研究［D］.保定:华北电力大学,2002.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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油田接转站物联网仿真培训系统的设计与实现论文
人参与 2024-08-13 10:20:14 分类 : 管理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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