0 引 言
随着我国陆上油田的开发进入中、后期，开采难度逐步增加，各种深井、超深井、水平井、低渗井等类型的复杂油井相继出现。相应地，固井工作对油井水泥的各种物理、化学性能要求也越来越多、越来越高，单单靠增加水泥品种已经远远不能解决问题。于是大量应用多种油井水泥外加剂、外掺料来改变固井水泥浆的性能以满足现场固井生产的需要。传统的“湿混”方案由于密度的检测与控制较为困难、一次固井过程所需要的物料量不好掌握以及某些外加剂不溶于水等缘故，应用受到一定程度的限制；于是与之对应的“干混”工艺应运而生，油井水泥干混技术绝大多数是以压缩空气为动力，使几种粉状物料在气化状态下分级稀释，从而完成均匀混拌。
本系统是由石油大学（华东）自动化系开发、与胜利油田新潮技术公司产品“油井水泥干混装置”配套的监控系统，克服了国外同类产品的不足，更适合于我国的国情，该系统已经成功地应用于青海油田特车公司油井水泥干混厂。
1 工艺过程及控制要求
通常，油井水泥干混装置都是由原料罐区、药品罐区、成品罐区和混拌罐区等主要设备以及配套的动力装置（压缩机、储气罐等）、水泥／药品拆袋和转运装置六大部分组成。其目的是在常规水泥中加入一定比例的几种添加剂，并使这几种粉状物料在气化、流化状态下均匀混合，从而达到各种固井水泥的性能指标。
该装置在实际工作过程中要求有手动、自动、统计三种方式。其中，手动方式要求通过工业PC显示器，利用鼠标操作来实现人工打开、关闭某一气动截止阀、调节阀，进而控制水泥、添加剂等物料的流向与流量，这种操作方式类似于国内早期引进的同类产品在人工操作台上的操作；自动方式则要求从原料罐、药品罐的充气、出料开始，经过若干中间流程，一直到合格的成品进入成品罐，全过程自动控制与监视以及相应的故障处理，该操作方式是本系统的重点；统计方式要求实时监控各个罐的物料进、出量（各罐物料的进出都通过电子称进行计量），最后以日报、月报、年报的形式形成报表，以便核算生产成本与生产效率，为进一步生产管理提供依据。
2 监控系统设计
2．1 硬件设计
系统硬件设计主要考虑的是系统的性能价格比，鉴于上述控制要求，选用了西门子公司SIMATIC STEP 7中型PLC和艾讯公司AX6145工业PC构成该监控系统。SIMATIC STEP 7采用模块化的系统结构，可以根据系统规模，灵活地选择输入／输出接口模块的数量与类型，其技术指标为DI／DO512点，AI／AO128点、内部RAM40K、程序最大容量为256K，完全可以满足本系统的需要，利用它完成对现场设备的控制与参数检测。AX6145工业PC采用Intel Pentium 200处理器、32M内存、2M显存、32XCD，满足S7PLC对上位监控设备的要求，并且性能稳定、可靠，适合于工业现场使用，利用它完成对整个工作过程的监控与人机对话。PC与PLC之间通过SIEMENS PROFIBUS－NET模块CP－342和插入PC的通信卡S75412／PG5412进行连接。现场一次设备选用通用的压力变送器、称重仪、电动调节阀、开关电磁阀和电容式料位开关等常规仪表。整个监控系统硬件结构如图1所示。
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图1 系统结构图
2．2 软件设计
整个系统的软、硬件结构实际上就是一个小型的分散型控制系统。上位监控软件选用美国Intellution公司的组态软件FIX6．02，其运行平台为Windows NT 4．0 Workstation， FIX与SIEMENS通信卡S75412／PG5412之间由FIX提供的S7 Driver来实现通信，通信卡与PLC之间由S75412的随卡驱动程序连接，S7 Driver和S75412驱动程序通过组态设置正确后即可正常工作，下位控制功能通过对PLC编程实现。
上位监控软件FIX已经提供了丰富的数据处理、图形显示、人机交互等功能，基本上满足了系统的实际需要。三种工作方式分别是这样实现的：手动方式由操作者通过FIX的运行环境——VIEW界面，用鼠标点按不同按钮、拖拉相应的操作手柄从而改变FIX DATABASE中数字量、模拟量输出值，然后由FIX DATABASE通过I／O DRIVER直接驱动PLC的输出接口，而现场开关量与模拟量的值由PLC自动采集，然后通过I／O DRIVER读入FIX数据库并显示在FIX的VIEW界面上；统计方式通过FIX与Excel 7．0之间的动态数据交换（DDE），将数据传送给Excel的WorkSheet，然后对Excel接收到的数据利用VBA进行编程，实现报表的自动生成与打印功能；较为困难的是该系统自动工作方式，自动工作过程中要求人机交互进行，某些步骤必须由人工做出选择，方可进入下一步，FIX与PLC均无法直接实现。为此，利用FIX COMMAND LANGUAGE的编程功能编写了这部分人机交互程序，通过FIX向PLC下传不同的运行标志来控制PLC完成相应的功能，从而实现工艺过程的自动控制。
上位监控软件的总体框图如图2所示，即系统开始（启动“青海油田油井水泥监控系统”图标）之后，首先初始化系统：上位机、PLC自检，两者均正常以后，分别设置FIX DATABASE中数字量与模拟量的输出值和PLC输出模块默认的初始状态，根据人工选择，分别进入自动、手动、统计、退出4种方式。
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图2 上位监控软件总体框图
自动工作时，共有4种混拌方式，分别加入不同的添加剂和实现不同混拌过程。其中：第1种混拌方式的上位监控程序框图如图3所示。通过按键选择进入第1种工作方式，上位监控软件向PLC下传混拌方式1标志，并打开方式1参数输入表，参数包括选定的原料、药品罐号、混拌比例、混拌时间等，参数输入结束后，提问是否开始混拌，若否，退出方式1，返回监控状态，并清除下传的方式1标志；若是，将设置好的参数下传，启动方式1混拌过程的自动控制，即原料罐／药品罐充气→原料／药品计量→几种药品的比例加入控制→第1次加水泥稀释／混拌→第2次加水泥稀释／混拌→第3次集中混拌→将成品送入成品罐。混拌过程中根据PLC上传的过程标志由上位机给出相应的文字、声音提示，如：“原料罐正在充气，请稍候！”、“计量罐正在进水泥，请等待！”、“计量罐出口比例阀故障，请…”等等，同时，流程图上直观地显示工艺过程的各个参数与状态。以上正常的工艺过程是典型的顺序控制，PLC和上位软件都容易实现；若某过程出现故障，如原料管线堵、药品罐漏气等情况，要求PLC软件有相应的应急处理方法且在上位监控设备上做出提示，编程实现这部分逻辑关系较为复杂。总之，上位监控软件充分利用了FIX的特点，使整个监控过程轻松、灵活、高效。
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图3 自动方式1上位监控程序框图
下位控制软件主要是完成各种混拌过程的自动控制与相应的故障处理、应急处理，同时为上位监控设备提供工作过程的状态标志与运行参数。另外，生产还要求在PLC程序执行过程中随时可以退出自动方式，返回手动状态，以应付各种突发事件。程序的编制采用的是SIMATIC STEP7结构化的编程方式，自动工作时PLC程序总体结构如图4所示。由于PLC采用循环扫描的工作方式，故将各种工作方式都放在一个大循环当中。其中，初始化操作、混拌方式1至混拌方式4以及收尾工作都是不同的程序模块PB1～PB6，PB模块和故障处理程序当中某些功能相同，但每次调用时参数不同的部分也都做成独立的功能模块FB1～FB9、数据模块DB1～DB5，除此之外还用到周期运行的组织块OB1、上电初始化组织块OB100等模块，根据上位监控设备下传的不同标志和混拌的不同进程决定是否调用相应的模块。需要说明的是本系统中PID控制规律是采用PC与PLC相结合的方法实现的，由于控制器给定值的计算较为复杂且某些参数还会随着外加剂的不同、使用环境温度的变化而改变、PLC处理数据运算的能力不强等缘故，采取在上位设备系统参数输入结束后（参见图3上位监控程序框图）由人工选定计算公式、输入计算系数，混拌过程开始后，由上位机根据物料流量计算PID给定值、完成PID运算，然后将运算结果通过FIX的AO模块传送给PLC的模拟量输出模块，从而控制调节阀的开度。这样，简化了PLC的编程工作。运行结果表明：该方法控制效果与直接由PLC完成PID运算基本一致。总之，控制程序充分利用了SIMATIC STEP7结构化设计的优点，使整个控制程序条理清楚、调试、维护方便。
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图4 PLC控制软件总体框图
3 现场应用
该系统充分利用了PLC体积小、功能强、可靠、通用、易维护的特点和工业PC抗干扰能力强、简单、直观的优点，构成了一个分散型监控系统，圆满地完成了用户提出的监视、控制要求。
