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密 級學 號 070233畢 業(yè) 設 計（論 文） 題目：油水界面測量軟件設計院 （ 系 、 部 ） ： 機械工程學院姓 名：班 級： 測 071專 業(yè)： 測控技術與儀器指 導 教 師 ： 張寶生教 師 職 稱 ： 副教授2011 年 06 月 12 日·北京北京石油化工學院 學位論文電子版授權使用協(xié)議論文《 油水界面測量軟件設計 》系本人在北京石油化工學院學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 本人系作品的唯一作者，即著作權人?，F本人同意將本作品收錄于“北京石油化工學院學位論文全文數據庫”。本人承諾：已提交的學位論文電子版與印刷版論文的內容一致，如因不同而引起學術聲譽上的損失由本人自負。本人完全同意本作品在校園網上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服務。公開級學位論文全文電子版允許讀者在校園網上瀏覽并下載全文。注：本協(xié)議書對于“非公開學位論文”在保密期限過后同樣適用。 院系名稱： 機械工程學院 作者簽名： 學 號： 070233 2011 年 6 月 19北 京 石 油 化 工 學 院畢 業(yè) 設 計 （論 文）任 務 書學院（系）機械工程學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 學生姓名 指導教師/職稱 張寶生/ 副教授 1.畢業(yè)設計（論文）題目油水界面測控軟件設計2.任務起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日3. 課題簡介油田生產現場迫切需要測量精度高,抗干擾能力強的油水界面監(jiān)測儀,現有的儀表均不夠理想，目前我國應用在原油儲罐( 特別是一次沉降罐) 和 污水處理中的油水界面 儀不能完全滿 足現場的要求，迫切需要研究能適應油田現場需要的油水界面檢測技術。通過油水界面測控軟件的設計，了解油水界面測量的方法和工作原理，掌握分段電容信號測量和采集電路的設計，掌握使用計算機數據采集系統(tǒng)采集不同狀態(tài)下的油水乳化液電信號的方法，了解分析和研究信號的方法，探索解決準確測控油田生產現場油水界面問題的途徑，有利于培養(yǎng)學生的工程設計能力和科研能力，題目與學生的專業(yè)學習內容聯系緊密，工作量適中。4. 主要內容與要求（含原始數據及應提交的成果）主要參數：（1）采用 A36W-1.2M-F-A-EX 型油水界面測量儀 （2）迪陽公司型號為 DYUSB2008 多功能采集卡。（3）采用 Visual Basic 語言。應提交：（1）畢業(yè)實習日記、報告；（2）開題報告；（3）2 萬字符的外文翻譯和英文資料；（4）畢業(yè)設計論文，包括中文綜 述、設計詳細說明書；（5）油水界面計算機數據采集軟件和源程序；（6 ）油水界面測量實驗數據5.主要參考文獻（1（ MCGS 組態(tài)軟件教程（2）A36W-1.2M-F-A-EX 型油水界面測量儀使用手冊和相關協(xié)議 （3）迪陽公司型號為 DYUSB2008 多功能采集卡使用光 盤資料6.進度計劃及指導安排（1（ 第 3 周完成文獻綜述、外文翻譯、開題報告初稿，檢查所查文獻資料，應查閱 25 篇以上，英文 5 篇（2（ 第 4 周學生完成開題報告，總體方案，并將開題報告上傳至管理系統(tǒng)，進行開題報告答辯（3（ 第 7 周中期檢查：文獻綜述，外文翻譯，教師指導記錄，學生工作日記，階段設計結果（初步的圖紙、論文、程序、實驗數據等），學院根據管理系統(tǒng)強化管理并抽查部分學生。（4（ 第 13 周完成詳細設計、圖紙繪制、程序調試和論文等，檢查所有畢業(yè)設計資料并修改（5（ 第 14 周周五之前上交所有畢業(yè)設計（論文）資料，機械工程學院教學委員會對所有畢業(yè)設計（論文）答辯資格審查，審查通過后，方可參加第一次答辯。（6（ 第 15-16 周，準備 PPT，答 辯。任務書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務書批準日期 年 月 日 教學院（部、系）院長（簽字） 任務書下達日期 年 月 日 指導教師（簽字） 計劃完成任務日期 年 月 日 學生（簽字） 油水界面測量軟件設計I摘 要在原油生產過程中,從油井中開采出來的原油是含有一定水分的,由于油和水的比重不同,原油中的水分會沉降在油罐底部,需要輸送到分離罐中進行油水分離,加工處理成低含水率的成品原油,而原油儲罐內油水界面高度是保證油水分離正常運行的重要參數。 本文通過分析了國內外油水界面檢測技術，利用原油、水、乳化液在介電常數上的不同用電容傳感器來實現原油分離罐內油水界面的在線檢測，本文詳細介紹了采用 MCGS 組態(tài)軟件設計系統(tǒng)可視化控制的設計思想、流程，用戶登錄界面、主控制界面、設備界面、顯示界面、實時數據庫以及運行策略界面的編制，油水界面實時監(jiān)測功能的實現過程，實驗過程中測量數據的記錄。關鍵詞：油水，界面檢測，MCGS油水界面測量軟件設計IIAbstractIn the production process of crude oil, the crude oil exploited from the oil well has certain moisture content, because the specific gravity of oil and water is different, the water in the crude oil will subside to the base of oil tank, and must be separated from the water in separation tank and finished crude oil with low water can be gotten. At the same time, the height of oil-water interface is the most important parameter which ensures the oil-water separation.This paper analyzes the domestic and international oil-water interface detection technology. using the capacitance sensors to detection the different of the dielectric constant in oil, water, emulsion to achieve the line detection of oil-water interface in crude oil separation tank.Describled the design by using MCGS configuration software to achieve visualization control, configuration process and software functionality in detail.As well as the draw of User login, The main control interface, Device Interface，Display Interface,Real-time database,Operating Strategy. The implementation process of oil-water interface real-time monitoring. Experiment measurement data records.key words: oil-water , interface detection ,MCGS油水界面測量軟件設計III目 錄第一章 緒 論 11.1 研究背景及意義 11.2 國內外油水界面檢測技術研究現狀 21.2.1 國外研究狀況 21.2.2 國內研究狀況 31.3 本文的主要設計內容 .10第二章 系統(tǒng)整體方案設計 .112.1 總體設計方案選擇 .112.2 總體方案設計流程 .112.3 油水界面系統(tǒng)及其實現的功能 122.4 課題的研究方法及問題處理 1224.1 課題研究方法 .122.4.2 研究中出現問題的解決方案 .132.5 本章小結 13第三章 油水界面系統(tǒng)硬件簡介 143.1 界面檢測儀 .143.1.1 界面檢測儀概述 143.1.2 界面檢測儀性能參數 143.1.3 界面檢測儀的基本原理 153.2 分段電容傳感器 163.3 轉換串口 .173.3.1 轉換串口概述 .173.3.2 轉換串口性能參數 .183.4 本章小結 .18第四章 油水界面系統(tǒng)軟件設計 .194.1 MCGS 軟件簡介 .19油水界面測量軟件設計IV4.2 界面設計 .214.2.1 建立新工程 214.2.2 實時數據庫設置 224.2.3 油水分離界面編制 234.2.4 設備窗口設置 .264.2.5 運行策略設置 .284.3 通訊協(xié)議介紹 .294.4 油水界面分離算法研究 304.5 本章小結 33第五章 實驗結果分析 345.1 純水的測量實驗 345.2 純油的測量實驗 365.3 油水的混合測量實驗 375.4 實驗誤差分析 .385.5 本章小結 .39第六章 結論與展望 .406.1 結論 .406.2 展望 .40參 考 文 獻 41致 謝 .43附 錄 .44聲 明 .51油水界面測量軟件設計V油水界面測量軟件設計1第一章 緒 論1.1 研究背景及意義石油作為現代工業(yè)社會應用最為廣泛的能源物質之一，被喻為是現代工業(yè)社會的“血液”，石油工業(yè)的發(fā)展極大的影響了整個國民經濟的發(fā)展。然而石油從開采出來到分離、提煉，再到工業(yè)、生活的生產、消費卻是一個極其復雜的過程，僅原油的開采就是一道紛繁復雜的工序。一般情況下，隨著原油的開采，油井內會伴隨有大量的水和氣同時產出，即實際開采出來的原油是油、氣和水的混合物，甚至還會伴隨有少量的泥沙。特別是到了油田開采的中后期，原油不能像初期開采時那樣，在巖石下受到很大的壓力自己就噴出來。為了解決這一問題，通常采用向油田內注水，使枯竭油層的原油漂浮起來同時增大壓力進行開采。然而這種方法的缺點是開采出的原油的含水率一般都很高，需要采取工藝處理除去其中的氣、水和泥沙等雜質。一般來說，除去泥沙和氣體是比較容易的，而除去其中的水卻是一個相對比較復雜的過程，油水分離技術就應運而生。在油田生產過程中，油水分離是原油加工中極為重要的環(huán)節(jié)。而從原油進入聯合站以后，要經過諸如沉降、電脫等處理過程水界面控制是分離效果的關鍵，油田生產的基本工藝流程如下：當原油開采出來后，先送到采油計量站進行計量，再進入聯合站。在聯合站，經過計量、加熱，然后將原油送至一級沉降罐(在一級沉降罐內原油常年保持在 60 ℃左右)，經過沉降分離后送至中間罐，經過脫水泵脫水，再經過二次加熱進入二級沉降罐(在二級沉降罐內原油常年保持在 80 ℃左右)，分離后的原油進入電脫水器進行最后的處理，達到含水率標準(﹤0.5%) 后，最后送到成品油儲罐。在整個過程中，都需要進行油水界面的測量。而油水界面的準確監(jiān)測對油品的含水率、污水回收及處理成本都是極為關鍵的。由于原油的生產過程中面臨著這樣的一個難題，特別是在原油的采收和儲運過程中，油中的水分會沉降在儲油罐的底部，占據大量的容積。因此，只有隨時將儲油罐中的水排出去，才能夠充分利用儲油罐的容量，處理成低含水率的成品原油。因而，必須將開采出來的油水混合物送入油水分離罐中靜置一定的時間，由于油和水的比重不同，在重力的作用下，混合物中的小水滴將會匯聚成大水珠，進而沉淀到分離罐的底部，其中的油層則浮于水層的上面，再通過對分離灌內水層和原油層的分別引出，就實現了油水分離的目的。在這個過程中，對原油層和油水界面測量軟件設計2水層分界面的檢測非常重要。國外雖然有較成型的儀器，但其昂貴的價格令人望而卻步。如今國內許多油田依然采用原始的人工方法進行檢測，勞動效率非常低下。國內先后也開發(fā)出多種不同形式的油水界面檢測儀器，投入使用后，雖然取得了一定的效果，但由于工藝和技術水平等各方面的原因，其穩(wěn)定性、準確性、實時性、可靠性及成本情況難以適應國內原油生產的實際要求。因此，針對國內原油生產的特點，研究出適合國內原油的油水界面檢測技術，開發(fā)出高品質的儀器儀表，使國內原油分離灌內油水界面的測量技術邁入一個新臺階，具有重要的社會意義和經濟意義。油水界面的檢測是原油的開采、脫水、集輸、計量、銷售、煉化等過程中的重要環(huán)節(jié)。因此，在油田原油的生產和儲運過程中，都要求對儲油罐中的油水界面進行檢測。準確地對原油儲油罐內油水界面進行檢測，及時地反映原油儲罐中油水界面的狀態(tài)，對管理部門減少能耗、降低成本、實現油田的自動化管理起著重要作用。準確地檢測油罐內油水界面是實現原油分離灌自動放水的重要保障，也是儲運系統(tǒng)管理和計算原油儲量的主要依據，在自動化技術中占有著重要的位置。油水界面檢測技術，在原油的開采、加工、儲運等過程中都起著重要作用。為了滿足油田現場生產的實際需要，迫切需要結合國內原油的特點和生產實際，將高新技術引入到原油儲罐內油水界面檢測的研究開發(fā)中，研制出新型、準確度高、穩(wěn)定性好的高品質油水界面檢測儀器，從而解決目前各種油水界面檢測過程中存在的問題，從根本上提高我國油水界面的檢測技術水平。1.2 國內外油水界面檢測技術研究現狀1.2.1 國外研究狀況在 19 世紀末 20 世紀初，國外就己經出現了關于油水分離的理論。60 年代末至 80 年代初，國外主要研制和使用的是各種鋼帶浮子液位計，大多都是對每個油罐進行獨立安裝，現場顯示，這類儀表的主要缺點是機械摩擦影響了計量精度，浮子在滑動桿上容易被敷住。隨著對計量精度要求的不斷提高，出現了伺服式液位計，由于其使用了伺服馬達，消除了因機械摩擦而引起的誤差，提高了靈敏度，油水界面測量軟件設計3其液位的計量精度也得到極大地提高。這一時期的典型產品是美國 VAREC 公司生產的 2500 型鋼帶浮子液位計和 6500 型伺服式液位計，荷蘭 NRAF 公司的 SH型伺服動力液位計等。德國的 ENRAF 一 ONIUS 公司于 80 年代末期推出了串式電容物位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多級串式電容液位傳感器。90 年代中期，曼徹斯特理工大學的電子工程系成功地研制出了分段電容陣列法，這種方法的電容傳感器不但對傳感器的制作工藝要求很高，而且對安裝維護的要求也很高。近幾年，美國研制出了磁致伸縮液位計，這種傳感器同時可以測溫，具有很高的測量精度，但是它的致命缺點是不適合測量粘稠的原油。1.2.2 國內研究狀況在國內，由于起步比較晚，油水分離技術依然處于初始的研究階段，目前依然普遍采用傳統(tǒng)的重力油水分離方法。重力分離法原理簡單、成本低，目前不但在國內，在世界上也是最主要的油水分離方法。重力法的關鍵技術和難點在于原油與水的界面檢測技術，即油水界面檢測技術。雖然油水界面檢測技術發(fā)展了很多年。但是，由于原油與水混合物成分的復雜性，到目前為止還沒有可以十分有效地應用于國內各油田的產品推出。近些年隨著大慶油田等國內大型油田都己經臨近了枯油期，原油中的水分含量也越來越高，油田迫切需要能有效地解決油水分離的一種技術，因此不斷地加大對該技術的資金投入，同時業(yè)內人士們的不斷關注和油水界面檢測技術的不斷發(fā)展，推動了油水界面檢測技術的迅速發(fā)展。目前，已有不少可以小規(guī)模應用于特定油田的技術出現，并且也相繼出現了一批專門制造這一類檢測儀器的公司，如北京創(chuàng)新思成科技有限公司、山東力創(chuàng)、蘭州科慶儀表公司等。而且檢測手段和方法也得到了長足的發(fā)展，目前，不但有傳統(tǒng)的電容式和浮球式等，射頻技術和光纖技術等新技術也開嘗試應用于油水界面的檢測，已經取得一定成果。1.3 界面測量儀器分類目前油田含油廢水處理的重要性日益受到關注與重視，污水中的油的再次分離回收以及提高污水的排放指標已成為重要的能源問題和環(huán)境問題。在原油脫水與生產過程中，原油儲罐動態(tài)油水界面的準確測量關系到凈油外輸含水率的控制和聯合站盤庫系統(tǒng)的精確度。由于原油儲罐油和水可以組成不同形態(tài)的油水乳化液，在界面處形成一個乳化帶，乳化帶的寬度和狀態(tài)是隨機變化的，而普通的界油水界面測量軟件設計4面儀無法準確測量油水界面和乳化帶的寬度。另外，乳化帶是一個隨機的、復雜的過渡帶，含水率、瀝青的濃度、礦物質的含量、界面的彈性 、壓力等參數都會影響該過渡帶的穩(wěn)定性。由于上述原因，在原油生產過程中，原油儲罐油水界面的準確檢測一直沒有很好的方法。目前很多原油儲罐仍然使用手工檢測界面，通過測量電導率的變化確定油水界面的位置，但此方法只能大致估計油水界面的位置和乳化帶寬度。這個問題一直沒有得到很好的解決。下面介紹各種界面分離儀器：（1）浮子式界面檢測儀圖 1-1 浮子式界面檢測儀圖 1-1 所示浮子式界面檢測儀就是將特定密度的浮子置于油水界面之上，并將浮子與容器外的彈簧、馬達等通過推挽鋼帶聯成一體。當浮子隨著界面升降時，彈簧馬達隨之正反轉，這樣就將界面高度轉換成了馬達的轉角信號，繼而轉變成電信號進行處理、顯示。在大型容器中，一般還需要加裝鋼絲作為浮子的導向軌道。浮子法簡單易行，有一定的精度。但對粘度大的原油，浮子容易被粘結，尤其當液面劇烈波動時，鋼帶隨之劇烈晃動，短期內可導致鋼帶的疲勞斷裂。一旦鋼帶斷裂，對大型油罐而言，其維修是極其困難的，因為不僅需要排空罐內液體，進罐維修人員還面臨有毒、缺氧、黑暗、易燃易爆等惡劣處境。一般來說，斷帶就意味著浮子式界面檢測儀的廢棄，可見其維護性是很差的。（2）差壓式界面檢測儀差壓式界面檢測儀是根據壓力差原理工作的，不同界面高度會導致液體密度不同，儀表的兩個差壓變送器檢測到的壓差就不同。在兩個差壓變送器位置保持不變的情況下，檢測到的壓差與介質的密度成正比，不同比例的油水混合物具有油水界面測量軟件設計5不同的密度值，所以通過檢測儀檢測到的壓差就可以推導出油水界面的位置。差壓式界面檢測儀完全在罐外安裝，易于維護。但是，罐底引壓管線(或介質接觸面)常被沉淀物、粘稠介質堵塞，影響壓力傳遞，尤其在寒冷季節(jié)堵塞更加嚴重，必須定期排污，維護量大。另外，該方法屬于間接測量方法，測量精度受液體密度的影響，而分離罐中原油密度受水份、含水率、溫度及壓力的影響會發(fā)生變化，導致界面檢測出現誤差。所以說差壓式界面檢測儀用在原油分離罐中是一種維護量大、精度不高的方法。利用內含填充液(如硅油)的引壓管線，能防止引壓管線堵塞，但發(fā)蘭取壓面壓力膜片仍會受到高粘度、易結晶液體的粘結和沖擊等因素的不利影響而使其壽命和測量精度降低。美國 Fisher—Rosemount(費希爾一羅絲蒙特)公司采用一種雙差壓法測量，簡稱 HTG 系統(tǒng)，即利用上、中、下三點的靜壓求出兩個差壓，通過比較消除了密度的影響，但該方法對非勻相液體的測量是無效的。（3）電容式界面檢測儀圖 1-2 容界面檢測儀對圓柱殼金屬容器，在其中心豎直插入一根電極，則電極與容器壁之間就可視為一個柱型電容器。油水界面以上部分的電容器以油為電介質，油水界面以下部分的電容器以水為電介質，兩者并聯構成了整個電容， 此電容進行必要的轉換，就可以得到油水界面的位置。這種方法靈敏度高，動態(tài)響應特性好，其中電容測試轉換電路的抗干擾性能是關鍵的。它的缺點是容器內工作溫度、濕度、壓力以及電極腐蝕等會影響測量精度，測量輸出經常漂移，須定期重新標定，而且價格也比其他幾種。（4）雷達／超聲波式界面檢測儀油水界面測量軟件設計6該方法將超聲波發(fā)生器和接收器放入油罐中，利用超聲波在油和水中傳播速度的不同來測量界面位置。其優(yōu)點是有效地克服了掛油問題，但由于發(fā)送和接收距離限制使其精度下降，并且不能實現儲油罐油量的準確計量。近年以微波為基礎的傳感器已被用于乳化液層的檢測。但此系統(tǒng)很昂貴，此外微波的高能量使得該技術不適合檢測可燃液體。因此國外提出了一種新的以超聲波為基礎，用于多層液面測量（MLLM）的硬件裝置。超聲波檢測系統(tǒng)包括一對位于充滿硅油的 U 形管上層的超聲換能器，超聲波通過液體傳送到可移動的不銹鋼鏡子，這個鏡子作為超聲波的反射器。該器件測試通過縱向介質面的超聲波的傳播速度，測試的位置不同，介質組成也不同。相比其他技術，該方案是安全的，且不需要移動任何構件。不過，該設備沒有擴展到工業(yè)儲油罐，因為超聲波通過三種不同的介質（如從硅油到金屬 U 型管的目標液體）時將會嚴重的衰減。此外，頻率較高的超聲波信號用于乳化液層的檢測。在高儲油罐中，超聲波傳感器的角度（通常多于 3 度）所引起的誤差可以忽略不計。多層界面檢測設備包括兩個分別位于縱向位置的超聲波傳感器（分別是發(fā)射器和接收器） ，分別檢測儲油罐內油和水之間乳化液的高、低液面。兩種傳感器在同一水平面內上下運動，提供該液面的信息。但是該系統(tǒng)不適合在相對較高的儲油罐內運動（即高于 3 米的油桶） 。原因之一是接收超聲波的傳感器產生相對較弱的回波信號，如果他們的分離距離超過幾米超聲波很難到達發(fā)射器。此外，該系統(tǒng)使用頻率相對較低的超聲波（即低于 80KHZ） ，從而影響測量精度并阻礙設備檢測。另一個缺點是傳感器和內壁之間的連接松散，較薄的油插入他們之間，使得傳感器的不能移動。因此儲油罐中經常需要頻繁的維護。在此提出了一種可以克服上述弊端的工業(yè)樣機超聲設備。該系統(tǒng)不包括任何移動部件，在油桶中以多種方式，在不同高度傳遞超聲波，可以檢測工業(yè)油桶乳化液中的液面。 整個系統(tǒng)是模塊化的由一維數組的超聲換能器組成，他們通過不銹鋼屏蔽線以鏈的方式連接到一起，嵌入式發(fā)射機是基于計算機（RISC）處理器執(zhí)行控制，數據采集，實時模式識別任務。在夏季，這種設計的可以持續(xù)在 70 度高溫儲油罐內工作。石油領域中，這種設備用于過程控制，如界面檢測設備或儲油罐中插入具有特殊管道的乳化液檢測設備。這條管道縱向安置在儲油罐上，并覆蓋整個油桶的高度，包含了幾個洞，讓液體進入其內部。由于液體流動使測量設備移動，因此，油水界面測量軟件設計7這些管道內液體將提供相應的液位，和在儲油罐縱向位置的液體密度。如圖 1-3為乳化液層檢測系統(tǒng)地硬件設備，這一設備被插入立罐，在縱向位置上由兩個平行的不銹鋼組成的，并且相互之間分隔 5 厘米。這里包括了 28 個高頻超聲換能器，每個傳感器包括感應器和他的相應的電子產品。 圖 1-3 乳化液層檢測系統(tǒng)硬件在這個項目中，設計超聲波工業(yè)設備，實施，并實時精確的檢測 6 米儲油罐的乳化液層。該設備易于維護和安裝，是模塊化的。該設備的所有物理部件都是不銹鋼的，可以提供更好的抗腐蝕性。該裝置由 28 個傳感器組成，它們分別單獨以多種方式被激活，以避免串擾問題。隨著將來的工作，該設備將得到改善，以提供乳化液的液體組成，檢測油桶中存在的沙沉積物，在不同情況下改善或驗證設備的可靠性。（5）射頻導納界面儀射頻導納界面儀以射頻阻抗理論為基礎，通過被測介質呈現的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有測量范圍大、可以克服礦化度和掛油影響等優(yōu)點而應用廣泛。它是在傳統(tǒng)電容式液位計的基礎上進行了改進,增加了探頭根部抗黏附、抗冷凝的功能，但是該方法僅通過電導率一個參數很難完全反映油水乳化液的狀態(tài)，這就使射頻導納界面儀無法跟隨乳化帶的變化，在現場應用中其誤差通常為幾十厘米，最大誤差可達 1 米左右，這很難滿足生產要求。圖 1-4 為億科儀器儀表有限公司生產的射頻導納連續(xù)液位計。射頻導納物位控制技術是一種從電容式物位控制技術發(fā)展起來的，防掛料性能更好，工作更可靠，測量更準確，適用性更廣的物位控制技術， “射頻導納” 中“導油水界面測量軟件設計8納”由阻抗成份，容性成份，感性成份綜合而成，而“射頻”即高頻，所以射頻導納技術可以理解為用高頻電流測量導納的方法。高頻正弦振蕩器輸出一個穩(wěn)定的測量信號源，利用電橋原理，以精確測量安裝在待測量容器中的傳感器上的導納，在直接作用模式下，儀表的輸出隨物位的升高而增加。圖 1-4 頻導納界面儀對一個強導電性物料的容器，由于物料是導電的，接地點可以被認為在傳感器絕緣層的表面，對儀表傳感器來說僅表現為一個電容和電阻組成的復阻抗，從而引起兩個問題。第一個問題是物料本身對傳感器相當于一個電容，它不消耗變送器的能量，（純電容不耗能） ，但掛料對傳感器等效電路中含有電阻，則掛料的阻抗會消耗能量，從而將振蕩器電壓拉下來，導致橋路輸出改變，產生測量誤差。我們在振蕩器與電橋之間增加了一個驅動器，使消耗的能量得到補充因而會穩(wěn)定加在傳感器的振蕩電壓。第二個問題是對于導電物料，傳感器絕緣層表面的接地點覆蓋了整個物料及掛料區(qū)，使有效測量電容擴展到掛料的頂端，這樣便產生掛料誤差，且導電性越強誤差越大。但任何物料都不是完全導電的。從電學角度來看，掛料層相當于一個電阻，傳感器被掛料覆蓋的部分相當于一條由無數個無窮小的電容和電阻元件組成的傳輸線。根據數學理論，如果掛料足夠長，則掛料的電容和電阻部分的阻抗和容抗數值相等，因此用交流鑒相采樣器可以分別測量電容和電阻。這些多參量的測量，油水界面測量軟件設計9是測量的基礎，交流鑒相采樣器是實現的手段。由于使用了上述技術，使得射頻導納技術在現場應用中展現出非凡的生命力。射頻防護（內置濾波器）：對于來自 1.5 米（59″）以外的其它外露傳感器，電纜或輸電線路功率為 5W 的射頻干擾，該變送器電路具有防護功能，即使在導電物料中精度不受影響（6）磁致伸縮式界面檢測儀磁致伸縮式界面檢測儀的工作原理是磁致伸縮效應，其核心的傳感部件是美國 MTS 公司發(fā)明的磁致伸縮線。當開始測量時，檢測儀頭部產生一低電流“詢問“脈沖，此電流同時產生沿波導管內的感應線向下運行的電流磁場。在檢測儀管外配有浮子，此浮子沿測量桿隨著油水界面的波動而上下移動。由于浮子內裝有一組永久磁鐵，所以浮子會同時產生一個磁場。當電流磁場與此浮子磁場相遇時，產生波導扭曲的脈沖，簡稱“回答”脈沖。 “詢問”脈沖發(fā)出至檢測到“回答”脈沖的時間確認為浮子的位置。其優(yōu)點是：首先，沒有強制運動部件，沒有疲勞，是無損傷性檢測，壽命長，穩(wěn)定性好；其次，其扭轉應力波的特異性好，不存在干擾；再次，應力波的傳播速度不變，僅取決于磁致伸縮材料，與其它因素無關。其缺點是：采用插入式安裝，屬于接觸測量，而且由于仍然使用了浮子，所以不適用于原油等高粘度、易粘結的物質。（7）光纖式界面檢測儀圖 1-5 光纖液位計自 1990 年以來，光纖技術用于界面檢測的專利很多，尤以美國為最。主要利用光纖的傳輸功率隨外界介質折射率的變化而變化這一特性來檢測油水界面。光纖式界面檢測儀耐高壓、耐腐蝕、體積小、重量輕、抗電磁干擾、靈敏高、動態(tài)范圍大，并且無電火花，適用于易燃易爆場合。但它也屬于接觸式測量，受介質油水界面測量軟件設計10粘附、溫度變化等因素的影響大。1.3 本文的主要設計內容本文主要分為以下幾個部分：第一章， 先提出了本設計課題的背景和研究的意義，然后介紹了國內外對于油水分離研究的現狀和油田原油的生產工藝，界面測量儀的種類，最后是論文的結構。第二章， 總體設計方案的提出，以及總體設計的流程圖，油水界面測量系統(tǒng)要實現的功能。第三章， 對油水測量硬件的介紹，其中包括 A36W 型油水界面測量儀的概述，性能和技術指標，以及分段電容傳感器的工作原理，最后是轉換串口概述。第四章， 軟件部分的設計，簡單介紹了以下 MCGS 組態(tài)軟件，設計過程中對設備窗口，用戶窗口，實時數據庫和循環(huán)策略的參數及變量的設置，Modbus 通訊協(xié)議的概述以及油水界面分離的算法的研究。第五章， 通過編制的界面完成油水界面測量實驗的整體過程，以及實驗數據的記錄。油水界面測量軟件設計11第二章 系統(tǒng)整體方案設計2.1 總體設計方案選擇 （1）在油水混合物中，由于密度不同，會形成上層為油層，下層為水層，在實際油田生產過程中，必須要確定油水界面的位置。（2）關于實現油水界面檢測儀與 PC 的通訊，有以下兩種方案：①通過數據采集卡將數據采集到 PC 中，但是由于界面測量儀輸出的數據本身已經是數字信號，所以不用數據采集卡處理。②用 485-232 轉換串口直接將界面測量儀輸出的數據采集到 PC 中。（3）選擇處理數據的軟件，考慮了三種方案：①阿爾泰數據采集卡軟件，由于上面已經提到本試驗用不到數據采集卡，所以不采用這種方案。②采用 MCGS 軟件實現油水界面的檢測,由于 MCGS 軟件在實現動畫方面的功能比較豐富，可以比較直觀的模擬油水界面檢測的整個過程，所以選擇此方案。（4）通過油水界面分離算法，在 MCGS 軟件中編寫腳本程序，對采集到計算機中的數據進行處理，從而實現油水界面的實時測量，進而完成實驗。2.2 總體方案設計流程油水界面測量軟件設計12圖 2-1 數據傳輸過程A36W 型油水界面測量儀采集到的數字信號通過 UT-216 型 485-232 轉換串口將數據送入計算機中，在組態(tài)軟件 MCGS 中虛擬設備 0 內部設置 22 個通道分別連接對應的 22 個電容傳感器所測得得數字量，組態(tài)過程中直接利用這 22 個通道中的數字量進行組態(tài)設計。圖 2-2 總體流程圖2.3 油水界面系統(tǒng)及其實現的功能將計算機控制技術與油田采油工藝過程相結合，可以提高油田采油過程自動化檢測水平，盡可能多地減輕工人的勞動強度，提高工作效率，同時能夠將油田最關心的一些數據如油田日產油量等數據通過計算機控制自動存儲到實時數據庫中，并能實時顯示，便于油田工作人員操作，本課題所要實現的主要功能如下：（1）通過油水界面檢測儀檢測相關油水界面的數據。（2）將油水界面檢測儀檢測到的數據通過轉換串口輸入計算機中。（3）在 MCGS 中根據相關的算法編寫腳本程序，將所得數據轉換為液位高度。油水界面測量軟件設計13（4）用 MCGS 軟件編制一個界面，可以顯示油，水，乳化液的高度。2.4 課題的研究方法及問題處理24.1 課題研究方法（1）首先確定設計課題，結合本專業(yè)知識選擇與專業(yè)相關的課題，并根據要求，采用 MCGS 實現油水界面的測量監(jiān)控。 （2）仔細閱讀所查的相關資料，對所要設計的實驗系統(tǒng)做細致全面的認識，包括其基本組成、工作原理、應用領域、國際國內研究情況等等。首先分析前人的成果，研究其優(yōu)點及缺點，然后作出關于本課題的設計方向以及設計重點。（3）總體方案設計。通過調研和查閱資料，擬定總體的研究方案。（4）在實驗室內分段電容傳感器上進行試驗調試，明確編程的內容。（5）實驗系統(tǒng)軟件部分的設計與實現。計算相關算法，并利用 MCGS 實現油水界面的檢測。2.4.2 研究中出現問題的解決方案（1）在油水混合物中，由于密度不同，會形成上層為油層，下層為水層，在實際油田生產過程中，必須要確定油水界面的位置。（2）通過 485-232 轉換串口將傳感器中獲得的數據輸入計算機中。（3）建立算法，將所得數據轉變?yōu)橐何桓叨?，通過 MCGS 實現油水界面的檢測，并設計顯示界面，分別顯示出儲油罐內油，水，乳化液的高度。2.5 本章小結本章主要介紹了本設計課題的總體設計方案，其中包括研究中遇到的問題的以及解決方案，本課題研究的方法步驟，這為下一步的設計工作指明了方向，另外還簡單介紹了此系統(tǒng)要實現的功能。油水界面測量軟件設計14第三章 油水界面系統(tǒng)硬件簡介3.1 界面檢測儀3.1.1 界面檢測儀概述圖 3-1 油水界面測量儀示意圖如圖 3-1 所示，A36W 雙界面型油水界面儀是采用微電容串組合，斷層掃描檢測技術研制的一種檢測容器中油、水、空氣多相界面的液位計。其主要用于油田及石油化工行業(yè)進行油水雙界面的檢測，A36W 系列油水雙界面測量儀不僅能測量單一介質的單液位、物位，而且一臺油水雙界面測量儀產品能夠同時準確測量同一工作儲罐內分層的兩種不同介質的兩個液位，如：原油罐內的油位與水位；油水界面測量軟件設計15其產品性能具有其它產品無法實現、無可比擬的優(yōu)越性，此產品主要應用于油田的原油沉降罐、分離罐、計量罐等罐群的液位測量和油水界面分析，也廣泛使用于石油、化工、水利、水文檢測、污水處理、煉鋼廠車間除塵器、加油站、焦煉廠、液化汽廠以及啤酒飲料、食品、制藥等行業(yè)的料位、液位的測量。3.1.2 界面檢測儀性能參數由多段檢測高度為 55mm 的微電容串組合而成的檢測探極（傳感器）與裝在探極頂部的在線自校正式雙界面液位變送器共同組成液位計。其檢測的水面與油面高度以兩組 4-20mA 信號分別輸出，可遠傳至微機或二次顯示儀表進行顯示和控制。（1）變送器工作電壓：DC12V（由專用安全柵供電）（2）專用安全柵輸入電壓：DC24V（3）有效檢測范圍（量程）：0～10 米(其它量程可另行定制）（4）變送器輸出：兩路 4～20mA（5）防爆等級：ExibIIBT4（6）適用介質：各種液體（7）工作溫度：-40～+80℃（8）探極與罐壁距離：小于 1 米（過大應考慮加輔助電極）3.1.3 界面檢測儀的基本原理油水界面測量軟件設計16圖 3-2 界面測量儀工作原理在一定的空間內介質的變化將會引起很多的物理量的變化，如：變化較敏感的電場、磁場；那么電場和磁場物理量的變化將會間接的反映介質單位體積及介質特性的變化；利用這一原理結合矩陣式分布的傳感探極結構，在高速大規(guī)模集成電路單片機的有序控制下實時獲取電場、磁場物理量的變化信息，并對這些信息進行分析、計算，按一定的規(guī)律進行量化處理、轉化，就能準確無誤的知道介質單位體積及介質特性的變化；然后將介質液位、物位的變化量轉換成工業(yè)標準電信號輸出并傳遞給 PLC、工業(yè)采集模塊、工控計算機等采集設備進行監(jiān)視控制。由于位于液罐下層的水，中層的油，和上層的空氣，各自的介電常數 ε 有較大差異，因此由上至下多段微電容串各自 55mm 的檢測電極與罐壁之間構成 n 個層面檢測電容，每個電容的電容量都與其和罐壁之間介電常數 ε 成正比。 如圖 3-2 所示，由單片機構成的變送器對各段電容從下至上逐段進行掃描檢測，并由軟件對檢測結果進行分析、判斷、比較、計算，并由標準 485 信號或雙 D/A-mA 變換模塊以兩路各自 4～20mA 恒流信號輸出。實際應用中，油和水之間界面不是一個清晰的界面，油水之間在不同情況下是不同狀態(tài)的油水混合層，其介電常數在水和油之間變化，其大小與這一層面中油水混合比例有關，含水越多，ε 越大。因此，判斷油水界面的 ε 閥值是一個相對值。使用中通過調整放大倍數，即可改變這個閥值。為了在安裝時可以檢查調整各層面的檢測值，變送器設置調零、放大兩只電位器，通過按鍵即可檢查從下至上第一至最末段檢測值，通過兩電位器可以進行空氣段調零和油段、水段、混合段的調整，退出按鍵操作即可輸出油面、水面4～20mA 信號。變送器可以通過軟件判斷方式選擇合適的工作狀態(tài)，無須手動調節(jié)電位器。3.2 分段電容傳感器下面圖 3-3 為例來介紹一下分段電容傳感器的檢測原理，這是一個 10 段式分段電容傳感器結構簡圖及等效電容圖，只有最上部的電容傳感器沒有完全充滿介質，其他傳感器全部都充滿了介質，有的充滿了水，有的充滿了原油。從上至下等效為 10 個電容: ,1C, 2… 10：油水界面測量軟件設計17圖 3-3 傳感器結構及等效電容圖從圖中可以看出 ~ 中都是同一種介質原油 ， 和 中也是同一種介1C6 8C910質水，只有 中有原油和水兩種介質，由于各段電容長度、內徑和外徑都相等，7不難得出：＜ = = = = ＜ ＜ = = (3-1),12345678910~ 的電容值是需要經過測量才能得到的，而只要得到了這十個電容值也1C0就得到了上面的關系式，我們就可以判斷出 ， 和 充滿的是介質水， ~8C9102C充滿的是介質原油， 中充入的是原油但沒有充滿， 中充有原油和水兩種6 1C7介質，也就是說原油與水的分界面在 段電容傳感器中，由于每個傳感器的高度7都為 L。 ，很容易得到油水界面高度為:H= K L 。+ 。XL由于 L。的精度是由制造工藝決定的，一般來說 L?？梢宰龅檬志_的，可見 H 的精度僅受 精度的影響。再來看 的測量過程， 通過上式來計算，X X但首先必須求得 C。和 k，由于 和 ，進而受一些因素影響而不是常數，相油r?水r應的 C。和 k 就也不是常數，必須通過測量來獲得 和 ，進而求得 C。和油r?水rk。注意到 ~ 中都充滿了介質原油，而 ， 和 都充滿了介質水，既然26 8C910充滿的都是同一種介質，就可以利用公式通過 ~ 的測量值來求得原油的相對26介電常數 ，通過 ， 和 的測量值求得水的相對介電常數 ，再分別取油r?8910 水r?其平均值作為最后計算時所使用的參數以提高測量精度。求出了 和 ，油水油 水界面的計算問題也就迎刃而解了。3.3 轉換串口油水界面測量軟件設計183.3.1 轉換串口概述圖 3-3 轉換串口本試驗采用 UT-216 接口轉換器如圖 3-3，為了便于配有不同標準串行接口的計算機或智能儀器之間進行遠程數據通訊，必須進行標準串行接口的相互轉換。UT-216 接口轉換器可以為點到點、點到多點的通信提供可靠的連接，點到多點每臺轉換器可允許連接 32 個 RS-422 或 RS-485 接口設備，數據通訊速率 300-115.2KBPS，帶有電源指示燈及數據流量指示燈可指示故障情況、支持的通訊方式有 RS-232 到 RS-422、 RS-232 到 RS-485 轉換。 連接上位機的主通信口，采用標準串行 RS485 通訊口，使用接線端子。信息傳輸方式為異步方式，起始位 1 位，數據位 8 位， 停止位 1 位，無校驗；數據傳輸缺省速率為 9600b/s。確保適用一切現有的通信軟件和接口硬件，不需要對以前的基于 RS-232 的工作方式作任何軟件的修改。 3.3.2 轉換串口性能參數（1）兼容 RS-232、RS-485 TIA/EIA 標準。（2）自動發(fā)送/接收數據，無需外部的流量控制信號 (RTS)。（3）通信速率：300BPS-115.2KBPS 。（4）能夠連接 32 個 RS-485 或 RS-422 接口設備。（5）通訊距離: 1，200 米（9，600BPS） 。（6）電源及數據流量指示燈,可檢測故障點。（7）工作方式：步半雙工（RS-485）或異步全雙工(RS-422) 通用無跳線設置。（8）RS-485/422 提供每線 600W 的防雷保護和防止共地干擾。（9）電氣接口：DB9 孔型到 DB9 針型及 RJ-45 連接器。油水界面測量軟件設計19（10）傳輸介質：絞線或屏蔽線。3.4 本章小結本章主要介紹了本研究課題中用到的分段式電容式油水界面測量儀的性能，參數和工作原理，以及轉換串口的技術指標。第四章 油水界面系統(tǒng)軟件設計4.1 MCGS 軟件簡介組態(tài)軟件是指用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，使計算機或軟件按照配置自動的執(zhí)行特定的任務，以滿足使用者的要求。國際上比較著名的組態(tài)軟件有 InTouch 和 iFIX 等，國內也涌現出了組態(tài)王， MCGS 和力控等一批組態(tài)軟件，組態(tài)軟件一般由圖形界面系統(tǒng)，實時數據庫系統(tǒng)，第三方程序接口組件和控制功能組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現場過程圖形畫面；實時數據庫系統(tǒng)用于實時存儲現場控制點的參數；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與氣態(tài)應用程序交換數據；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。組態(tài)軟件通過 I/O 驅動程序從縣城 I/O 設備獲得實時數據，對數據進行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀的顯示在計算機屏幕上；另一方面按照組態(tài)軟件要求和操作人員的指令將控制數據送給 I/O 設備，對執(zhí)行機構實施控制或調整控制參數。組態(tài)軟件 MCGS 是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows 平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現場數據的采集與監(jiān)測、前端數據的處理與控制，可運行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp 等操作系統(tǒng)。 MCGS 組態(tài)軟件包括三個版本，分別是網絡版、通用版、嵌入版。具有功能完油水界面測量軟件設計20善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構造自己的應用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數據采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現場采集站、人機界面等專用設備。MCGS 全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件（以下簡稱 MCGS 工控組態(tài)軟件或MCGS）是一套 32 位工控組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運行于 Windows95/98/Me/NT/2000 等多種操作系統(tǒng)，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、雙機熱備、工程報表、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、食品、制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實驗室等多種工程領域。在 MCGS 中的數據不同于傳統(tǒng)意義的數據或變量，它不只包含了變量的數值特征，還如下圖 4-1 所示，系統(tǒng)各個部分均以實時數據庫為公用區(qū)交換數據，實現各個部分協(xié)調動作。設備窗口通過設備構件驅動外部設備，將采集的數據送入實時數據庫；由用戶窗口組成的圖形對象，與實時數據庫中的數據對象建立連接關系，以動畫將與數據相關的其它屬性（如數據的狀態(tài)、報警限值等）以及對數據的操作方法（如存盤處理、報警處理等）封裝在一起，作為一個整體，以對象的形式提供服務。這種把數值、屬性和方法定義成一體的數據稱為數據對象。MCGS 用數據對象來表述系統(tǒng)中的實時數據，用對象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義的值變量。把用數據庫技術管理的所有數據對象的集合稱為實時數據庫。實時數據庫是MCGS 的核心，是應用系統(tǒng)的數據處理中心，形式實現數據的可視化；運行策略通過策略構件，對數據進行操作和處理。