一种油气生产处理半物理仿真控制系统及方法与流程

本发明实施例涉及油气生产处理技术，尤其涉及一种油气生产处理半物理仿真控制系统及方法。

背景技术：

全球能源需求刚性增长，油气需求也持续增长。石油公司也都在持续开发海洋油气资源，海上油气开发将步入快速发展期。海上平油气生产是在海上平台或其它海上生产设施上进行，作业环境恶劣，往往要经受各种恶劣气候和风浪的袭击，再加上油气本身易燃易爆，因此在原油生产和处理过程中设备故障，遭遇各种极端情况和发生事故的可能性很大。同时受海上平台空间的限制，油气生产处理设施与人员住房可能集中在同一平台，因此对平台的安全生产提出了更高的要求。

海上油气生产处理中，油气的脱水、脱盐处理是非常关键的环节。现有技术中，为了提高油气生产的效率和安全性，对油气的脱盐、脱水处理控制过程进行仿真，对油气脱盐、脱水处理控制过程建立软件模型，利用各种算法对模型进行优化，通过改变相关参数，来模拟现场情况。

然而纯软件的仿真系统存在一定弊端，仿真是通过纯软件实现的，各种工艺流程和设备都以虚拟的数字和图形表示，对于现场操作工人和技术人员来讲，纯仿真软件建立的模型并不能和实际生产中的设备很好地对应。在实际生产操作过程中，在遇到故障或极端情况时，需要对实际的生产设备进行调控，从纯软件的仿真系统中设置的参数到实际生产设备参数的调节需要时间进行转换对应，而在实际生产中这个时间越短越好，否则会对安全生产和生产效率产生极为不利的影响。

技术实现要素：

本发明提供一种油气生产处理半物理仿真控制系统及方法，能进行生产运行情况的动态管理和分析、针对典型生产情况分析、为事故预测和诊断专家系统提供模拟环境、对现场人员进行培训、熟悉工艺流程和现场操作、了解工艺机理等，能够缩短现有技术中操作工人和技术人员面对油气生产处理过程中出现的故障和极端情况时的反应时间不能及时作出反应的问题，实现保证生产安全和生产效率的有益效果。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种油气生产处理半物理仿真控制系统，该系统包括：

模拟屏，用于模拟原油处理工艺，生成第一仿真信号；

模拟仿真模块，用于模拟天然气处理工艺、生产水处理工艺以及辅助工艺，生成第二仿真信号；

过程控制系统，用于接收第一仿真信号和第二仿真信号，并对所述第一仿真信号和第二仿真信号进行处理，生成输出信号；

监控模块，用于接收和显示所述输出信号；

所述模拟仿真模块和监控模块位于计算机系统中，所述模拟屏通过硬线电缆与所述过程控制系统实现通信连接，所述计算机系统通过以太网电缆与所述过程控制系统实现通信连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种油气生产处理半物理仿真控制方法，应用于上述第一方面的系统中，该方法包括：

通过模拟屏获取第一仿真信号；

通过模拟仿真模块获取第二仿真信号；

将所述第一仿真信号通过通过硬线电缆传输至过程控制系统，将所述第二仿真信号通过以太网电缆传输至所述过程控制系统；所述过程控制系统对所述第一仿真信号和所述第二仿真信号进行处理，得到输出信号；

将所述输出信号通过所述硬线电缆传输至所述模拟屏和/或通过所述以太网电缆传输至监控模块。

本发明实施例的技术方案中，提供的油气生产处理半物理仿真控制系统包括模拟原油处理工艺并生成第一仿真信号的模拟屏，模拟天然气处理工艺、生产水处理工艺以及辅助工艺并生成第二仿真信号的模拟仿真模块，接收并处理第一仿真信号和第二仿真信号后生成输出信号的过程控制系统，接收和显示输出信号的监控模块，其中，模拟仿真模块和监控模块位于计算机系统中，模拟屏通过硬线电缆与所述过程控制系统实现通信连接，计算机系统通过以太网电缆与所述过程控制系统实现通信连接。相对于现有技术提供的纯软件仿真系统，本发明增加模拟屏的技术方案，在进行油气生产处理控制过程的模拟中，在模拟屏上进行相关操作，调节原油处理工艺的仿真数据，能够缩短在实际生产操作过程中遇到故障或极端情况时工作人员的反应时间，实现了保障安全生产和生产效率的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种油气生产处理半物理仿真控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种油气生产处理半物理仿真控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种油气生产处理半物理仿真控制系统的结构示意图。本发明实施例中的系统可以对油气生产处理的过程进行模拟，适用于高校实训教学和培训实际生产工作人员。如图1所示，该系统1包括模拟屏10，用于模拟原油处理工艺，生成第一仿真信号；模拟仿真模块21，用于模拟天然气处理工艺、生产水处理工艺以及辅助工艺，生成第二仿真信号；过程控制系统30，用于接收第一仿真信号和第二仿真信号，并对所述第一仿真信号和第二仿真信号进行处理，生成输出信号；监控模块22，用于接收和显示所述输出信号。其中，模拟仿真模块21和监控模块22位于计算机系统20中，模拟屏10通过硬线电缆50与过程控制系统30实现通信连接，计算机系统20通过以太网电缆60与过程控制系统30实现通信连接。

其中，模拟屏10可以为硬件实体设备，且主要是用来模拟原油处理工艺流程，可以模拟温度、液位、压力和开关量的变化，而且能够观察模拟屏10中各设备的状态显示。模拟仿真模块是专门用于计算机仿真的计算机软件。过程控制系统30，是一种以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。本发明实施例中的过程控制系统30可以为油气生产设施的过程控制系统30，由控制柜、冗余处理器(centralprocessingunit，cpu)、控制电源、数字量信号模块、模拟量信号模块、继电器、空气开关、隔离器、导线、走线槽等组成。监控模块22是用于人机界面交互的监控软件。以太网交换机40是基于以太网传输数据的交换机，以太网采用共享总线型传输媒体方式的局域网，采用的协议标准、或者传输介质不一样，当然其接口形式也可能不一样。交换机采用的协议标准、传输介质或接口形式不同，传输数据的速度可能不同。

示例性的，在模拟屏10中模拟原油处理工艺，生成第一仿真信号，计算机系统20中的模拟仿真模块21模拟并加载现场的信号。可以加载的信号可以包括生产水处理系统，天然气系统，火炬放空系统，化学药剂系统，开/闭排系统，计量系统和仪表气/工厂风系统等工艺流程中的设备及管路上的开关量信号、模拟量信号等。第一仿真信号和第二仿真信号分别通过硬线电缆50和以太网电缆60与过程控制系统30实现通信连接，过程控制系统30会对接收到的仿真信号进行处理，并将处理的结果输出到模拟屏10和监控模块22进行显示。

需要说明的是，输出信号在通过硬线电缆50传输至模拟屏10中时，模拟屏10中的设备的状态信息会发生变化，通过观察模拟屏中设备和开关的状态来验证原油处理工艺段程序控制的正确性，若程序出错，工作人员可以通过模拟屏10及时发现异常，并作出应急反应，调整相关设备的参数，以此保障安全生产和生产效率。

输出信号还可以传输至监控模块22，监控模块22位于计算机系统20中，计算机系统20还包括显示器(图中未示出)，输出信号经过监控模块22输出至显示器中，可以在显示器中显示动态流程图，关断图和趋势图等。此外，监控模块22还具有报表功能和报警监测功能。例如，在系统检测到异常情况/报警发生时，过程变量超出了指定的软件报警阈值。在这种情况下将触发一个声光报警来通知给操作者。如果过程变量不自动调节，那么可通过操作员操作来降低风险，并且相应的报警将被记录在报警打印机，将报警记录进行存储以备将来检索。在监控画面上，系统能自动显示该报警发生的位置，发生时间，及相应的报警值。系统可以设定多个报警级别，例如3个，每个报警级别均设置一定的报警阈值，并配合不同的报警方式。

本发明实施例提供了一种油气生产处理半物理仿真控制系统，包括用于模拟原油处理工艺，生成第一仿真信号的模拟屏10，用于模拟天然气处理工艺、生产水处理工艺以及辅助工艺，生成第二仿真信号的模拟仿真模块21，用于接收第一仿真信号和第二仿真信号，并对第一仿真信号和第二仿真信号进行处理，生成输出信号的过程控制系统30和用于接收和显示输出信号的监控模块22。其中，模拟仿真模块21和监控模块22位于计算机系统20中，模拟屏10通过硬线电缆50与过程控制系统30实现通信连接，计算机系统20通过以太网电缆60与过程控制系统30实现通信连接。相对于现有技术中的纯软件仿真，本发明增加模拟屏的技术方案在进行油气生产模拟仿真时，在原油处理工艺，模拟和输出的信号和现场环境相符，更容易被工作人员理解针对典型生产情况分析、为事故预测和诊断专家系统提供模拟环境、对现场人员进行培训、熟悉工艺流程和现场操作、了解工艺机理等，能够缩短现有技术中操作工人和技术人员面对油气生产处理过程中出现的故障和极端情况时的反应时间不能及时作出反应的问题，实现保证生产安全和生产效率的有益效果。

可选的，所述模拟屏10中设置有电位计和按钮，调节所述电位计和按钮，生成所述第一仿真信号，所述输出信号包括第一输出信号，所述过程控制系统30接收所述第一仿真信号并对所述第一仿真信号进行处理，生成第一输出信号。

其中，电位计作为一种位置传感器，广泛应用于各类需要反馈位置信息的地方。电位计是通过改变电阻膜上下电阻比率来实现输出电压改变的，在此过程中，端电压和端电阻不会随外部位置变化，和一般滑动变阻器不同。本发明实施例中，电位计主要包括温度电位计，液位电位计，压力电位计和流量液位计等。按钮可以控制各设备的开关状态，故障，和报警信息。第一仿真信号是指通过模拟屏10获取的信号。第一输出信号是指第一仿真信号经过过程控制系统30处理后生成的信号，输出后成为第一输出信号。

示例性的，模拟屏10主要模拟原油处理系统的工艺流程，电位计用来模拟压力、液位、温度、流量等模拟量输入信号，按钮用来模拟开到位、关到位、故障、报警等数字量输入信号，这些模拟量输入信号和数字量输入信号共同构成第一仿真信号，第一仿真信号通过硬线电缆50传输至过程控制系统30，并且经过处理后输出第一输出信号。

可选的，所述模拟屏10中还设置有指示灯和数码管，用于接收并显示所述第一输出信号。

其中，指示灯用于指示有关照明，灯光信号，工作系统的技术状况，并对异常情况发出警报灯光信号。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，是显示屏其中一类，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字参数。

示例性的，模拟屏10中的端子排与硬线电缆50相连，从而实现模拟屏10与过程控制系统30的通信连接。第一仿真信号经硬线电缆50传输至过程控制系统30并被处理，然后输出第一输出信号至模拟屏10，第一输出信号在模拟屏10中通过指示灯和数码管进行显示，操作人员通过观察模拟屏10的显示信息来判断原油处理工艺段程序控制是否正常。

可选的，所述模拟屏10中还设置有模拟设备，所述模拟设备至少包括：一级原油换热器、一级原油分离器、二级原油加热器、三相高效分离器和电脱水器，依据所述原油处理工艺的pid图纸设置模拟设备、电位计、按钮、指示灯和数码管的位置。

其中，模拟设备用于模拟原油处理工艺流程中实际使用的设备，模拟设备可以包括一级原油换热器、一级原油分离器、二级原油加热器、三相高效分离器和电脱水器等原油处理工艺流程中实际使用的设备的模拟器件，也可以根据需要增加或删减。在模拟屏10上设置相应的模拟设备，接收第一输出信号，来验证原油处理工艺流程的正确性，监测生产过程是否正常，安全。pid图纸是原油处理工艺的管路和仪表流程图(pipinginstrumentdiagram，pid)。依据pid图纸在模拟屏10上设计并在相应位置布置模拟设备、电位计、按钮、指示灯和数码管。

可选的，所述第二仿真信号包括第二模拟量信号和第二数字量信号，所述第二模拟量信号至少包括压力、液位、流量和温度信号，所述第二数字量信号至少包括阀门状态、报警和故障信号；

调节所述模拟仿真模块21中所述第二模拟量信号和/或所述第二数字量信号的参数，生成所述第二仿真信号，所述输出信号包括第二输出信号，所述过程控制系统30接收所述第二仿真信号并对所述第二仿真信号进行处理，生成第二输出信号。

其中，第二仿真信号是指在模拟仿真模块中输入相关参数，生成的仿真信号，包括第二模拟量信号和第二数字量信号。第二模拟量信号包括压力、液位、流量和温度信号等，第二数字量信号至少包括阀门状态、报警和故障信号。第二输出信号是第二仿真信号传输至过程控制系统30，并经过处理后输出的信号。

示例性的，在计算机系统20中，调节模拟仿真软件中关于天然气处理工艺系统、生产水处理工艺系统、火炬放空系统、化学药剂系统、开/闭排系统、计量系统、仪表气/工厂风系统等工艺流程中的设备及管路上的开关量信号、模拟量信号等。调节其中的压力、液位、流量和温度信号等模拟量信号和阀门状态、报警和故障信号等数字量信号，生成第二仿真信号。第二仿真信号经过以太网电缆60传输至过程控制系统30并经过处理，生成第二输出信号。

可选的，所述过程控制系统至少包括冗余处理器31，所述冗余处理器31用于处理所述第一仿真信号和所述第二仿真信号。

其中，冗余处理器31是指在过程控制系统30中重复配置多个处理器，当系统发生故障时，冗余配置的处理器介入并承担故障处理器的工作，由此减少系统的故障时间，对称多处理器能让多个cpu分担工作以提供某种程度的容错。

需要说明的是，冗余处理器中的程序和功能是通过加载在计算机系统中的过程控制模块23定义的，过程控制模块23依据软件工程设计规范，结合用户的实际需求，对pcs生产过程中各项功能进行分析后作出的详细设计。本发明实施例中为了加强过程控制系统的程序查找、维护方便，在程序设计过程中将程序划分为多个子程序，各子程序按功能性划分为以下几个部分：检测功能，可以检测的参数类型有压力、温度、液位、流量、油水界面、设备的运行状态等。信号类型有4～20ma、1～5v的标准信号，也有少量其他类型的信号诸如脉冲信号、无源触点信号、铂热电阻信号等；程序化的逻辑控制功能；pid闭环控制功能，是海上平台应用最广泛的一种控制方式，如温度调节回路、压力调节回路和液位调节回路等。这些控制由可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，plc)系统进行pid运算，并由模拟量输出(analogoutput，ao)模块输出4～20ma电流信号去控制执行机构；顺序控制功能，是针对众多控制阀按一定时间间隔顺序开、关，以达到控制生产过程的目的；故障检测功能；容错功能；与其它系统之间通信功能和在线添加、删除或修改程序功能。

示例性的，第一仿真信号和第二仿真信号传输至过程控制系统30中并主要经过其中的冗余处理器31进行处理。冗余处理器31之间也可以存在数据的交互，共同完成数据的处理分析，或者其中某一个或几个处理器进行处理，其它处理器处于待机状态。

上述实施例相对于现有技术中的纯软件仿真，增加模拟屏10的技术方案在进行油气生产模拟仿真时，在原油处理工艺，模拟和输出的信号和现场环境相符，更容易被工作人员理解针对典型生产情况分析、为事故预测和诊断专家系统提供模拟环境、对现场人员进行培训、熟悉工艺流程和现场操作、了解工艺机理等，能够缩短现有技术中操作工人和技术人员面对油气生产处理过程中出现的故障和极端情况时的反应时间不能及时作出反应的问题，实现保证生产安全和生产效率的有益效果。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种油气生产处理半物理仿真控制方法的流程示意图。该方法可应用于上述实施例中的系统中，如图2所示，该方法具体包括：

s210、通过模拟屏10获取第一仿真信号。

示例性的，通过模拟屏10获取原油处理工艺过程的仿真信号，调节模拟屏10中的电位计来模拟原油处理过程中压力、流量、液位、温度等模拟量输入信号的变化，通过调节按钮，用来模拟开到位、关到位、故障、报警等数字量输入信号，生成第一仿真信号。

s220、通过模拟仿真模块21获取第二仿真信号。

示例性的，通过模拟仿真模块获取天然气处理工艺、生产水处理工艺以及辅助工艺过程的仿真信号，调节模拟仿真软件中设备及管路上的开关量信号、模拟量信号等。调节其中的压力、液位、流量和温度信号等模拟量信号和阀门状态、报警和故障信号等数字量信号，生成第二仿真信号。

s230、将所述第一仿真信号通过通过硬线电缆50传输至过程控制系统30，将所述第二仿真信号通过以太网电缆60传输至所述过程控制系统30；所述过程控制系统30对所述第一仿真信号和所述第二仿真信号进行处理，得到输出信号。

示例性的，本步骤的具体实现过程可包括：

模拟屏10中的端子排与硬线电缆50相连，硬线电缆50与过程控制系统30的信号输入模板和信号输出模板相连，因此模拟屏10与过程控制系统30实现了通信连接。通过模拟屏10获取的第一仿真信号传输至过程控制系统30中的冗余处理器31中；

位于计算机系统20中的模拟仿真模块21和监控模块22，通过以太网电缆60与过程控制系统30实现通信连接；

第一仿真信号和第二仿真信号在过程控制系统30中被处理，得到输出信号。其中，第一仿真信号和第二仿真信号在过程控制系统30中被处理的过程可参照上述实施例所提供的内容，此处不再赘述。

s240、将所述输出信号通过所述硬线电缆50传输至所述模拟屏10和/或通过所述以太网电缆60传输至监控模块22。

示例性的，第一仿真信号第一输出信号，第二仿真信号经过冗余处理器31处理之后得到第二输出信号。第一输出信号通过硬线电缆50传输至模拟屏10。并且在模拟屏10上进行显示，第二输出信号通过以太网电缆60传输至监控模块22，并在计算机系统20中的显示器中进行显示。其中具体的显示过程可参照上述实施例提供的内容，在此不再赘述。

本实施例二提供了一种油气生产处理半物理仿真控制方法，可应用于上述实施例提供的任一所述的系统中。通过模拟屏10和模拟仿真模块21分别获取第一仿真信号和第二仿真信号，然后将述第一仿真信号通过硬线电缆50传输至过程控制系统30，将第二仿真信号通过以太网电缆60传输至过程控制系统30，两种仿真信号在过程控制系统30中被处理，得到输出信号，再将输出信号通过硬线电缆50传输至模拟屏10和/或通过以太网电缆60传输至监控模块22。通过采用上述技术方案，在进行油气生产模拟仿真时，在原油处理工艺，模拟和输出的信号和现场环境相符，更容易被工作人员理解针对典型生产情况分析、为事故预测和诊断专家系统提供模拟环境、对现场人员进行培训、熟悉工艺流程和现场操作、了解工艺机理等，能够缩短现有技术中操作工人和技术人员面对油气生产处理过程中出现的故障和极端情况时的反应时间不能及时作出反应的问题，实现保证生产安全和生产效率的有益效果。

上述实施例相对于现有技术中的纯软件仿真，增加模拟屏10的技术方案在进行油气生产模拟仿真时，在原油处理工艺，模拟和输出的信号和现场环境相符，更容易被工作人员理解针对典型生产情况分析、为事故预测和诊断专家系统提供模拟环境、对现场人员进行培训、熟悉工艺流程和现场操作、了解工艺机理等，能够缩短现有技术中操作工人和技术人员面对油气生产处理过程中出现的故障和极端情况时的反应时间不能及时作出反应的问题，实现保证生产安全和生产效率的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。