油田集输系统仿真模型教学软件开发及应用

朱冬银, 吴海浩, 李 楷

(中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室管道储运工艺实验室，北京 102249)



油田集输系统仿真模型教学软件开发及应用

朱冬银, 吴海浩, 李 楷

(中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室管道储运工艺实验室，北京 102249)

针对油气集输课程教学中知识杂乱零散特点，依据油田联合站的主要工作流程开发出油田集输系统仿真系统，并嵌入动态演示、文字描述及多媒体文件对油气集输系统主要流程进行知识讲解和演示模拟, 实现了对气液分离，原油处理，气体处理和污水处理等过程的演示模拟。同时系统中设计手动操作过程，在学习之后自主完成实验报告。并利用组态软件开发，用PLC作为枢纽将演示软件与实验室实体模型相连接，以实现控制该模型。该软件已应用在中国石油大学(北京)油气储运实验室中，收到良好的教学效果。

油田联合站; 仿真系统; 教学; 组态软件

0 引 言

在学校的日常教学中，对于一些和生产实际相关的课程，受制于学校的教学条件，学生往往很难接触到实际的生产装置。而在油气储运工程的相关课程中，油气集输相关知识的教授是其中不可或缺的一个重要环节[1-4]。然而，由于该课程所涉及的知识散乱而复杂，单靠老师在课堂上的文字讲解往往会令学生感到乏味、难以理解而厌学。近年来，仿真教学作为一种新颖的手段，越来越受到重视和认可[5-8]。同样，在油气集输的教学过程中，采用仿真培训系统可以从很大程度上解决上述问题[9]。为把油气田联合站各种日常作业的操作过程与原理更为直观地呈现给学生，本文将在调研目前国内联合站的工艺流程和业务操作过程[10-12]的基础上，利用组态软件“三维力控”开发出一套油田联合站模拟操作系统，对一般油田联合站的功能和主要设备设施的日常操作过程及原理进行介绍和分析。这种教学方式的优点在于，可以将生产实际搬到课堂、实验室中，直观、全面地进行讲解，最大限度地使相关的教学贴近现场，同时，这种软件还可以通过PLC编程来实现对实验室实体模型的控制，让学生自行在PC机上实现对相关系统运转的控制，从而更加具体、全面地掌握油气田地面集输的相关流程和技术，这种功能即便是在生产现场实习中也无法完成的。

1 仿真模拟系统与实际的结合

油气集输工程是将分散的油井产物，分别测得各单井的原油、天然气和采出水的产量值后，汇集、处理成出矿原油、天然气、液化石油气及天然汽油，而后输送给用户的的油田生产过程[13]，如图1所示。这样的生产中包含了油井计量，油气分离。原油脱水、稳定，油气输送等多个环节，每个环节的原理与操作工序都很复杂[14]。如此复杂的生产过程对于未去过现场的初学者来说非常抽象、枯燥，故教学组在实验室建立了生产处理装置模型，配以本系统作为上位机为模型下达指令；在实现数据采集与控制的同时，系统内增加了丰富的学习内容，配以专为本领域制作的音视频、动画文字等，令本系统还可单独作为教学实验软件使用，为学生打造边操作边学习、思考的学习模式。

图1 油田联合站工作内容

2 仿真模拟软件的开发思路及过程

2.1 简 介

针对油田联合站复杂的工作流程的特点，本系统选用力控组态软件进行开发。力控是一种监控组态软件，使用该软件的用户可以方便、快速地构造出不同需求的数据采集与监控系统以模仿真实的装置。它还可置入多种多媒体文件，开发出的系统很适合教学使用。

2.2 开发过程

本软件的开发过程总体可以概括为：界面图形开发—文字、图片、动画的制作和收集—嵌入多媒体文件—构造数据库—编写脚本—运行和调试。

(1) 界面图形开发。利用力控的DRAW界面画出联合站的流量计、分离器、泵、罐等相关设备的模拟图，细到各种管线阀门设备，用不同颜色与设备类型，使抽象复杂的流程直观地展现出来，并对照流程图设定相应的流程及设备，实现联合站的集油、计量、分离、处理、储存、输送等功能。

(2) 文字、图片、动画的制作和收集。做出模拟流程后，完善各个流程原理、设备原理等的文字说明，整理好各种知识讲解内容，针对每个流程所涉及的重要设备，制作或收集一些形象直观的文字、图片、动画等文件，对其特点、原理、操作等进行展示和说明。

(3) 多媒体文件的嵌入。利用力控软件所提供的控件嵌入多媒体文件，将设备、管件相对应的知识讲文件有机链接起来，从而实现软件的逐级点击查看以及展示讲解功能。

添加动画时，需要在力控提供的复合组件中添加Flash播放器，在播放器属性设置中填写该动画的URL地址即可实现嵌入动画。

(4) 建立数据库。数据库是联系上位机和下位机的桥梁。它在数据库中记录了所有用户可以使用的数据变量的详细信息。人机界面程序View运行时，工业现场(此处为实验室装置)的状况要以数据的形式在画面中显示，View中所有动态表现手段，如数值显示、闪烁、变色等都与这些数据相关。生产运行状况将实时地反映在变量的数值中[15]。数据库变量与数据库DB中的点参数进行对应，完成数据的交互。

力控提供多种变量，包括数据库变量、中间变量、间接变量、窗口中间变量等。如图2所示。

图2 系统数据传输原理图

在此系统中，管线的流动属性(闪烁模拟)利用时间变量t控制，设置当t>56时，该绿色管线开始呈现流动状态；此代码直接写入管线的属性中，如图3所示。

图3 管线的时间变量定义过程

例如在污水处理流程中，当第二沉降罐(图名称为“二沉”)的液位没有达到最高时，罐后阀门保持关闭状态；当液位达到最高时，阀门打开；打开阀门后看到罐内液位恢复正常，此罐液位利用数据库变量lev的PV值来控制。

其他变量的建立原理类似以上变量。

(5) 编写脚本。建好变量后，便可编写脚本语言来完成对界面上数据的处理和控制[16]，进行图形化监控。动作脚本是一种基于对象和事件的编程语言，语法采用类BASIC的结构，将系统内的变量组织起来，每段脚本都是与某一个对象或触发事件紧密关联。系统一般需要窗口脚本、应用程序脚本、键脚本和条件脚本等。

例如沉降罐中，编制该罐液位的脚本为：

IF t>5 THEN

lev2.pv=lev2.pv+10;

IF lev2.pv==90 THEN

lev2.pv=70;

ENDIF

ENDIF

以上代码写在应用程序动作代码中，首先设定进入程序时时间变量t=0，lev2.pv=0;程序启动后，时间变量t从0开始递增，设定1 s为1周期，1周期t递增1。当t>5时罐液位值开始上升。当液位值lev.pv>90时，罐后阀门打开；阀打开后罐液位回落。

(6) 运行和调试。完成以上5个步骤后，即可运行调试。在开发状态直接点击“文件/进入运行”命令，可直接进入程序运行状态，调试过程中如力控会检查出脚本错误，可随时停止运行改正问题。

2.3 软件界面

学生可在进入系统后选择演示型或操作型。

3 软件的应用

3.1 功能演示

本系统利用了力控组态软件提供的丰富的工艺设备模拟驱动，因而可以模拟演示工艺设备的运行状态。其演示功能可让学生观察到整个工艺流程的运作，如管道流动、设备运行状态等，使得工艺设备变“活”；系统还利用嵌入的文字、动画等形式对每一主要流程、设备原理、教学重、难点等进行介绍说明，进而实现将零散的“点”知识串接成“线”(即流程、子流程)；把“线”绘成面(即整个站场)，这种“点—线—面”的方式可有效地把油气集输工程复杂而零散的知识串接起来，在学生心中形成知识网络，加深记忆。

进入演示型后，软件会出现如图4所示界面。

图4 进入演示型界面学习

进入演示学习，选择站场的任一区域进行学习。此处选择以气液分离流程界面为例，进入后如下图，点击界面上“气液分离流程”这六个字，则会出现覆盖式窗口“本站流程说明”，如图5所示。其他几个界面操作类似。“流程说明”介绍了站内流程概述、流程工作原理，点击“返回上一级”按钮即可回到该流程界面。以下将简单介绍界面的三个控件功能：

图5 气液分离流程说明

控件1 按“开始工作”即启动画面开始工作。这时可以看到右下角处采油区的三个采油机开始运转，管道呈现流动状态。

控件2 按下“暂停/继续”键后，全部设备都停止运转，管道停止流动，这里可以保持在暂停之前所进行的状态，当再次按此键时，全部设备继续运转。

控件3 按下“工作停止”键后，画面变为初始状态。

控件4 返回上一级即返回到“联合站系统图”界面。

在页面上点击其他工作设备，只要鼠标变成“小手”形状，均可点击进入其他窗口界面。这些界面是介绍所点击的设备的工作原理界面。例如：点击图6中的三合一罐，即可看到进入三合一罐原理页面，此页面介绍了三合一罐的原理，点击动画即可动态学习三合一罐，形象生动。

图6 三合一罐原理介绍界面

3.2 实际操作

相对于演示功能，本系统设计能够让用户自主开关设备，从而控制设备、管线的运转。在用户全部手动完成后，会出现“恭喜×××，您完成了××流程”的界面，意味着用户已经对该流程有了整体的了解。下面以油气集输中的原油处理流程为例，图7中的阀门等设备需要学生利用所学理论知识手动启动或关闭，操作流程中没有过多的文字、动画等介绍性内容，其目的是为检验学生的学习效果，加深对该流程的理解。

图7 原油处理演示型界面

比较图7所示的演示型界面和图8中的操作型界面可以看到，两者界面大体相同，但操作型界面没有演示型左上方的三个控件，操作型界面需要用户自己开启设备。用户应先观看演示型界面的工作流程和设备启动顺序，当认为自己可以自行开关设备后，即可在操作型界面自行开启设备。

图8 原油处理流程操作型界面

本软件着力于学生对油气集输这门课程流程的理解和设备原理的认识，所以不要求学生像操作工一样学习如何开关泵、阀门等详细知识，只需知道这些设备的开关状态即可。红色代表关闭状态，绿色为开启状态。用户点击红色阀门即可改变阀门颜色，开启阀门。泵的开启方法如下：先开启泵的入口阀门，然后点击泵身，使得泵由红色变为绿色即视为泵开始运行。然后再开启泵的出口阀门，则起泵操作完成。

(1) 如果用户没有按流程开设备，则软件会提示应该先进行哪一步。例如，如果用户在没有开启游离水罐的情况下就开启了游离水罐的出口阀门，则系统会弹出警示对话框：“此罐还没有来液！”

(2) 操作型界面的右下角都有一个“完成”控件，如果用户走完全部流程，则点击“完成”按钮，则会出现另一个恭喜你完成学习的界面。

(3) 如果用户不按流程走完整个界面，则不能出现此“恭喜”界面。此“恭喜”界面作为实验报告的实验结论的一部分，可用于实验课老师对学生的学习情况打分。

3.3 模型控制

软件可以控制中国石油大学(北京)油田地面生产仿真教学实验室的联合站立体模型，模型上的设备模具真实地模仿真实设备结构，并可模拟出设备的工作状态。以计算机作为上位机，以PLC(可编程控制器) 作为下位机，PLC的输出与模型相连。通过计算机向PLC下达操作指令，PLC 将操作指令转换成执行信号送到模型上显示，操作产生的参数变化过程由计算机的模拟程序实现，从而让学生感受由计算机控制的现代化生产运行模式。

4 结 语

通过模拟实际联合站的工作状况和运行环境，使得软件最大限度地符合联合站现场实际，形象直观地动态演示、生动的文字讲解和多媒体文件能够让学生避免纯理论演示讲解的乏味，节省了购买设备的费用，做到经济、省时。另一方面，可以作为仿真实验室控制模型使用，也可作为联合站新员工的培训使用。

本系统使用方便，学生不仅可在教学实验室内进行实验课学习，还可以拷贝本系统到自己的电脑上使用，以供随时的课外预习、复习等。从教学效果和上课时学生的反应来看，学生表现出了更多的学习主动性，对设备、流程等的理解更为迅速。

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Instruction Software for Oil & Gas Gathering and Transferring System Simulation

ZHUDong-yin,WUHai-hao,LIKai

(Laboratory of Petroleum Pipeline Transportation Technology in National Engineerimg Laboratory forPipeline Safety, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

In this paper, a simulating software based on the main working process of Oilfield United- station was developed. Since traditional methods in the course of Oil &Gas Gathering and Transferring were failed to teach the fragmented knowledge efficiently. In the software, dynamic demonstration, text description and multi-media files were inserted to simulate the operation of Oilfield United-station such as gas-liquid separation process, oil process, gas process, sewage disposal process and so on. The software has function of manual operation and requires users to finish their experiment reports independently. Due to the teacher’s teaching, students would enhance the enthusiasm of independent learning. The software was further developed by configuration software. It was linked to the entity models in the laboratory through PLC and could control the model. The software was used in the Oil and Gas Gathering and Transferring Laboratory in China University of Petroleum Beijing, and has received a good teaching effect.

oilfield united-station; simulation system; teaching; configuration software

2014-06-12

朱冬银(1989-)，女，满族，河北昌黎人，硕士生，主要研究方向：油气集输技术。

Tel.:15101181725;E-mail:xiaozdy163@163.com

吴海浩(1972-)，男，浙江慈溪人，硕士，主要从事油气储运实验室建设方面的工作。

Tel.:13683270867;E-mail：cympf@cup.edu.cn

O 439；TP 319.9

A

1006-7167(2015)01-0092-05