油水界面测量软件设计

密 级学 号 070233毕 业 设 计（论 文） 题目：油水界面测量软件设计院 （ 系 、 部 ） ： 机械工程学院姓 名：班 级： 测 071专 业： 测控技术与仪器指 导 教 师 ： 张宝生教 师 职 称 ： 副教授2011 年 06 月 12 日北京北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议论文 油水界面测量软件设计 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 学 号： 070233 2011 年 6 月 19北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文）任 务 书学院（系）机械工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 班级 学生姓名 指导教师/职称 张宝生/ 副教授 1.毕业设计（论文）题目油水界面测控软件设计2.任务起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日3. 课题简介油田生产现场迫切需要测量精度高,抗干扰能力强的油水界面监测仪,现有的仪表均不够理想，目前我国应用在原油储罐( 特别是一次沉降罐) 和 污水处理中的油水界面 仪不能完全满 足现场的要求，迫切需要研究能适应油田现场需要的油水界面检测技术。通过油水界面测控软件的设计，了解油水界面测量的方法和工作原理，掌握分段电容信号测量和采集电路的设计，掌握使用计算机数据采集系统采集不同状态下的油水乳化液电信号的方法，了解分析和研究信号的方法，探索解决准确测控油田生产现场油水界面问题的途径，有利于培养学生的工程设计能力和科研能力，题目与学生的专业学习内容联系紧密，工作量适中。4. 主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果）主要参数：（1）采用 A36W-1.2M-F-A-EX 型油水界面测量仪 （2）迪阳公司型号为 DYUSB2008 多功能采集卡。（3）采用 Visual Basic 语言。应提交：（1）毕业实习日记、报告；（2）开题报告；（3）2 万字符的外文翻译和英文资料；（4）毕业设计论文，包括中文综 述、设计详细说明书；（5）油水界面计算机数据采集软件和源程序；（6 ）油水界面测量实验数据5.主要参考文献（1（ MCGS 组态软件教程（2）A36W-1.2M-F-A-EX 型油水界面测量仪使用手册和相关协议 （3）迪阳公司型号为 DYUSB2008 多功能采集卡使用光 盘资料6.进度计划及指导安排（1（ 第 3 周完成文献综述、外文翻译、开题报告初稿，检查所查文献资料，应查阅 25 篇以上，英文 5 篇（2（ 第 4 周学生完成开题报告，总体方案，并将开题报告上传至管理系统，进行开题报告答辩（3（ 第 7 周中期检查：文献综述，外文翻译，教师指导记录，学生工作日记，阶段设计结果（初步的图纸、论文、程序、实验数据等），学院根据管理系统强化管理并抽查部分学生。（4（ 第 13 周完成详细设计、图纸绘制、程序调试和论文等，检查所有毕业设计资料并修改（5（ 第 14 周周五之前上交所有毕业设计（论文）资料，机械工程学院教学委员会对所有毕业设计（论文）答辩资格审查，审查通过后，方可参加第一次答辩。（6（ 第 15-16 周，准备 PPT，答 辩。任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（部、系）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 油水界面测量软件设计I摘 要在原油生产过程中,从油井中开采出来的原油是含有一定水分的,由于油和水的比重不同,原油中的水分会沉降在油罐底部,需要输送到分离罐中进行油水分离,加工处理成低含水率的成品原油,而原油储罐内油水界面高度是保证油水分离正常运行的重要参数。 本文通过分析了国内外油水界面检测技术，利用原油、水、乳化液在介电常数上的不同用电容传感器来实现原油分离罐内油水界面的在线检测，本文详细介绍了采用 MCGS 组态软件设计系统可视化控制的设计思想、流程，用户登录界面、主控制界面、设备界面、显示界面、实时数据库以及运行策略界面的编制，油水界面实时监测功能的实现过程，实验过程中测量数据的记录。关键词：油水，界面检测，MCGS油水界面测量软件设计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油水界面测量软件设计III目 录第一章 绪 论 11.1 研究背景及意义 11.2 国内外油水界面检测技术研究现状 21.2.1 国外研究状况 21.2.2 国内研究状况 31.3 本文的主要设计内容 .10第二章 系统整体方案设计 .112.1 总体设计方案选择 .112.2 总体方案设计流程 .112.3 油水界面系统及其实现的功能 122.4 课题的研究方法及问题处理 1224.1 课题研究方法 .122.4.2 研究中出现问题的解决方案 .132.5 本章小结 13第三章 油水界面系统硬件简介 143.1 界面检测仪 .143.1.1 界面检测仪概述 143.1.2 界面检测仪性能参数 143.1.3 界面检测仪的基本原理 153.2 分段电容传感器 163.3 转换串口 .173.3.1 转换串口概述 .173.3.2 转换串口性能参数 .183.4 本章小结 .18第四章 油水界面系统软件设计 .194.1 MCGS 软件简介 .19油水界面测量软件设计IV4.2 界面设计 .214.2.1 建立新工程 214.2.2 实时数据库设置 224.2.3 油水分离界面编制 234.2.4 设备窗口设置 .264.2.5 运行策略设置 .284.3 通讯协议介绍 .294.4 油水界面分离算法研究 304.5 本章小结 33第五章 实验结果分析 345.1 纯水的测量实验 345.2 纯油的测量实验 365.3 油水的混合测量实验 375.4 实验误差分析 .385.5 本章小结 .39第六章 结论与展望 .406.1 结论 .406.2 展望 .40参 考 文 献 41致 谢 .43附 录 .44声 明 .51油水界面测量软件设计V油水界面测量软件设计1第一章 绪 论1.1 研究背景及意义石油作为现代工业社会应用最为广泛的能源物质之一，被喻为是现代工业社会的“血液”，石油工业的发展极大的影响了整个国民经济的发展。然而石油从开采出来到分离、提炼，再到工业、生活的生产、消费却是一个极其复杂的过程，仅原油的开采就是一道纷繁复杂的工序。一般情况下，随着原油的开采，油井内会伴随有大量的水和气同时产出，即实际开采出来的原油是油、气和水的混合物，甚至还会伴随有少量的泥沙。特别是到了油田开采的中后期，原油不能像初期开采时那样，在岩石下受到很大的压力自己就喷出来。为了解决这一问题，通常采用向油田内注水，使枯竭油层的原油漂浮起来同时增大压力进行开采。然而这种方法的缺点是开采出的原油的含水率一般都很高，需要采取工艺处理除去其中的气、水和泥沙等杂质。一般来说，除去泥沙和气体是比较容易的，而除去其中的水却是一个相对比较复杂的过程，油水分离技术就应运而生。在油田生产过程中，油水分离是原油加工中极为重要的环节。而从原油进入联合站以后，要经过诸如沉降、电脱等处理过程水界面控制是分离效果的关键，油田生产的基本工艺流程如下：当原油开采出来后，先送到采油计量站进行计量，再进入联合站。在联合站，经过计量、加热，然后将原油送至一级沉降罐(在一级沉降罐内原油常年保持在 60 左右)，经过沉降分离后送至中间罐，经过脱水泵脱水，再经过二次加热进入二级沉降罐(在二级沉降罐内原油常年保持在 80 左右)，分离后的原油进入电脱水器进行最后的处理，达到含水率标准(0.5%) 后，最后送到成品油储罐。在整个过程中，都需要进行油水界面的测量。而油水界面的准确监测对油品的含水率、污水回收及处理成本都是极为关键的。由于原油的生产过程中面临着这样的一个难题，特别是在原油的采收和储运过程中，油中的水分会沉降在储油罐的底部，占据大量的容积。因此，只有随时将储油罐中的水排出去，才能够充分利用储油罐的容量，处理成低含水率的成品原油。因而，必须将开采出来的油水混合物送入油水分离罐中静置一定的时间，由于油和水的比重不同，在重力的作用下，混合物中的小水滴将会汇聚成大水珠，进而沉淀到分离罐的底部，其中的油层则浮于水层的上面，再通过对分离灌内水层和原油层的分别引出，就实现了油水分离的目的。在这个过程中，对原油层和油水界面测量软件设计2水层分界面的检测非常重要。国外虽然有较成型的仪器，但其昂贵的价格令人望而却步。如今国内许多油田依然采用原始的人工方法进行检测，劳动效率非常低下。国内先后也开发出多种不同形式的油水界面检测仪器，投入使用后，虽然取得了一定的效果，但由于工艺和技术水平等各方面的原因，其稳定性、准确性、实时性、可靠性及成本情况难以适应国内原油生产的实际要求。因此，针对国内原油生产的特点，研究出适合国内原油的油水界面检测技术，开发出高品质的仪器仪表，使国内原油分离灌内油水界面的测量技术迈入一个新台阶，具有重要的社会意义和经济意义。油水界面的检测是原油的开采、脱水、集输、计量、销售、炼化等过程中的重要环节。因此，在油田原油的生产和储运过程中，都要求对储油罐中的油水界面进行检测。准确地对原油储油罐内油水界面进行检测，及时地反映原油储罐中油水界面的状态，对管理部门减少能耗、降低成本、实现油田的自动化管理起着重要作用。准确地检测油罐内油水界面是实现原油分离灌自动放水的重要保障，也是储运系统管理和计算原油储量的主要依据，在自动化技术中占有着重要的位置。油水界面检测技术，在原油的开采、加工、储运等过程中都起着重要作用。为了满足油田现场生产的实际需要，迫切需要结合国内原油的特点和生产实际，将高新技术引入到原油储罐内油水界面检测的研究开发中，研制出新型、准确度高、稳定性好的高品质油水界面检测仪器，从而解决目前各种油水界面检测过程中存在的问题，从根本上提高我国油水界面的检测技术水平。1.2 国内外油水界面检测技术研究现状1.2.1 国外研究状况在 19 世纪末 20 世纪初，国外就己经出现了关于油水分离的理论。60 年代末至 80 年代初，国外主要研制和使用的是各种钢带浮子液位计，大多都是对每个油罐进行独立安装，现场显示，这类仪表的主要缺点是机械摩擦影响了计量精度，浮子在滑动杆上容易被敷住。随着对计量精度要求的不断提高，出现了伺服式液位计，由于其使用了伺服马达，消除了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度，油水界面测量软件设计3其液位的计量精度也得到极大地提高。这一时期的典型产品是美国 VAREC 公司生产的 2500 型钢带浮子液位计和 6500 型伺服式液位计，荷兰 NRAF 公司的 SH型伺服动力液位计等。德国的 ENRAF 一 ONIUS 公司于 80 年代末期推出了串式电容物位测量系统，该系统采用多级串式电容液位传感器。90 年代中期，曼彻斯特理工大学的电子工程系成功地研制出了分段电容阵列法，这种方法的电容传感器不但对传感器的制作工艺要求很高，而且对安装维护的要求也很高。近几年，美国研制出了磁致伸缩液位计，这种传感器同时可以测温，具有很高的测量精度，但是它的致命缺点是不适合测量粘稠的原油。1.2.2 国内研究状况在国内，由于起步比较晚，油水分离技术依然处于初始的研究阶段，目前依然普遍采用传统的重力油水分离方法。重力分离法原理简单、成本低，目前不但在国内，在世界上也是最主要的油水分离方法。重力法的关键技术和难点在于原油与水的界面检测技术，即油水界面检测技术。虽然油水界面检测技术发展了很多年。但是，由于原油与水混合物成分的复杂性，到目前为止还没有可以十分有效地应用于国内各油田的产品推出。近些年随着大庆油田等国内大型油田都己经临近了枯油期，原油中的水分含量也越来越高，油田迫切需要能有效地解决油水分离的一种技术，因此不断地加大对该技术的资金投入，同时业内人士们的不断关注和油水界面检测技术的不断发展，推动了油水界面检测技术的迅速发展。目前，已有不少可以小规模应用于特定油田的技术出现，并且也相继出现了一批专门制造这一类检测仪器的公司，如北京创新思成科技有限公司、山东力创、兰州科庆仪表公司等。而且检测手段和方法也得到了长足的发展，目前，不但有传统的电容式和浮球式等，射频技术和光纤技术等新技术也开尝试应用于油水界面的检测，已经取得一定成果。1.3 界面测量仪器分类目前油田含油废水处理的重要性日益受到关注与重视，污水中的油的再次分离回收以及提高污水的排放指标已成为重要的能源问题和环境问题。在原油脱水与生产过程中，原油储罐动态油水界面的准确测量关系到净油外输含水率的控制和联合站盘库系统的精确度。由于原油储罐油和水可以组成不同形态的油水乳化液，在界面处形成一个乳化带，乳化带的宽度和状态是随机变化的，而普通的界油水界面测量软件设计4面仪无法准确测量油水界面和乳化带的宽度。另外，乳化带是一个随机的、复杂的过渡带，含水率、沥青的浓度、矿物质的含量、界面的弹性 、压力等参数都会影响该过渡带的稳定性。由于上述原因，在原油生产过程中，原油储罐油水界面的准确检测一直没有很好的方法。目前很多原油储罐仍然使用手工检测界面，通过测量电导率的变化确定油水界面的位置，但此方法只能大致估计油水界面的位置和乳化带宽度。这个问题一直没有得到很好的解决。下面介绍各种界面分离仪器：（1）浮子式界面检测仪图 1-1 浮子式界面检测仪图 1-1 所示浮子式界面检测仪就是将特定密度的浮子置于油水界面之上，并将浮子与容器外的弹簧、马达等通过推挽钢带联成一体。当浮子随着界面升降时，弹簧马达随之正反转，这样就将界面高度转换成了马达的转角信号，继而转变成电信号进行处理、显示。在大型容器中，一般还需要加装钢丝作为浮子的导向轨道。浮子法简单易行，有一定的精度。但对粘度大的原油，浮子容易被粘结，尤其当液面剧烈波动时，钢带随之剧烈晃动，短期内可导致钢带的疲劳断裂。一旦钢带断裂，对大型油罐而言，其维修是极其困难的，因为不仅需要排空罐内液体，进罐维修人员还面临有毒、缺氧、黑暗、易燃易爆等恶劣处境。一般来说，断带就意味着浮子式界面检测仪的废弃，可见其维护性是很差的。（2）差压式界面检测仪差压式界面检测仪是根据压力差原理工作的，不同界面高度会导致液体密度不同，仪表的两个差压变送器检测到的压差就不同。在两个差压变送器位置保持不变的情况下，检测到的压差与介质的密度成正比，不同比例的油水混合物具有油水界面测量软件设计5不同的密度值，所以通过检测仪检测到的压差就可以推导出油水界面的位置。差压式界面检测仪完全在罐外安装，易于维护。但是，罐底引压管线(或介质接触面)常被沉淀物、粘稠介质堵塞，影响压力传递，尤其在寒冷季节堵塞更加严重，必须定期排污，维护量大。另外，该方法属于间接测量方法，测量精度受液体密度的影响，而分离罐中原油密度受水份、含水率、温度及压力的影响会发生变化，导致界面检测出现误差。所以说差压式界面检测仪用在原油分离罐中是一种维护量大、精度不高的方法。利用内含填充液(如硅油)的引压管线，能防止引压管线堵塞，但发兰取压面压力膜片仍会受到高粘度、易结晶液体的粘结和冲击等因素的不利影响而使其寿命和测量精度降低。美国 FisherRosemount(费希尔一罗丝蒙特)公司采用一种双差压法测量，简称 HTG 系统，即利用上、中、下三点的静压求出两个差压，通过比较消除了密度的影响，但该方法对非匀相液体的测量是无效的。（3）电容式界面检测仪图 1-2 容界面检测仪对圆柱壳金属容器，在其中心竖直插入一根电极，则电极与容器壁之间就可视为一个柱型电容器。油水界面以上部分的电容器以油为电介质，油水界面以下部分的电容器以水为电介质，两者并联构成了整个电容， 此电容进行必要的转换，就可以得到油水界面的位置。这种方法灵敏度高，动态响应特性好，其中电容测试转换电路的抗干扰性能是关键的。它的缺点是容器内工作温度、湿度、压力以及电极腐蚀等会影响测量精度，测量输出经常漂移，须定期重新标定，而且价格也比其他几种。（4）雷达超声波式界面检测仪油水界面测量软件设计6该方法将超声波发生器和接收器放入油罐中，利用超声波在油和水中传播速度的不同来测量界面位置。其优点是有效地克服了挂油问题，但由于发送和接收距离限制使其精度下降，并且不能实现储油罐油量的准确计量。近年以微波为基础的传感器已被用于乳化液层的检测。但此系统很昂贵，此外微波的高能量使得该技术不适合检测可燃液体。因此国外提出了一种新的以超声波为基础，用于多层液面测量（MLLM）的硬件装置。超声波检测系统包括一对位于充满硅油的 U 形管上层的超声换能器，超声波通过液体传送到可移动的不锈钢镜子，这个镜子作为超声波的反射器。该器件测试通过纵向介质面的超声波的传播速度，测试的位置不同，介质组成也不同。相比其他技术，该方案是安全的，且不需要移动任何构件。不过，该设备没有扩展到工业储油罐，因为超声波通过三种不同的介质（如从硅油到金属 U 型管的目标液体）时将会严重的衰减。此外，频率较高的超声波信号用于乳化液层的检测。在高储油罐中，超声波传感器的角度（通常多于 3 度）所引起的误差可以忽略不计。多层界面检测设备包括两个分别位于纵向位置的超声波传感器（分别是发射器和接收器） ，分别检测储油罐内油和水之间乳化液的高、低液面。两种传感器在同一水平面内上下运动，提供该液面的信息。但是该系统不适合在相对较高的储油罐内运动（即高于 3 米的油桶） 。原因之一是接收超声波的传感器产生相对较弱的回波信号，如果他们的分离距离超过几米超声波很难到达发射器。此外，该系统使用频率相对较低的超声波（即低于 80KHZ） ，从而影响测量精度并阻碍设备检测。另一个缺点是传感器和内壁之间的连接松散，较薄的油插入他们之间，使得传感器的不能移动。因此储油罐中经常需要频繁的维护。在此提出了一种可以克服上述弊端的工业样机超声设备。该系统不包括任何移动部件，在油桶中以多种方式，在不同高度传递超声波，可以检测工业油桶乳化液中的液面。 整个系统是模块化的由一维数组的超声换能器组成，他们通过不锈钢屏蔽线以链的方式连接到一起，嵌入式发射机是基于计算机（RISC）处理器执行控制，数据采集，实时模式识别任务。在夏季，这种设计的可以持续在 70 度高温储油罐内工作。石油领域中，这种设备用于过程控制，如界面检测设备或储油罐中插入具有特殊管道的乳化液检测设备。这条管道纵向安置在储油罐上，并覆盖整个油桶的高度，包含了几个洞，让液体进入其内部。由于液体流动使测量设备移动，因此，油水界面测量软件设计7这些管道内液体将提供相应的液位，和在储油罐纵向位置的液体密度。如图 1-3为乳化液层检测系统地硬件设备，这一设备被插入立罐，在纵向位置上由两个平行的不锈钢组成的，并且相互之间分隔 5 厘米。这里包括了 28 个高频超声换能器，每个传感器包括感应器和他的相应的电子产品。 图 1-3 乳化液层检测系统硬件在这个项目中，设计超声波工业设备，实施，并实时精确的检测 6 米储油罐的乳化液层。该设备易于维护和安装，是模块化的。该设备的所有物理部件都是不锈钢的，可以提供更好的抗腐蚀性。该装置由 28 个传感器组成，它们分别单独以多种方式被激活，以避免串扰问题。随着将来的工作，该设备将得到改善，以提供乳化液的液体组成，检测油桶中存在的沙沉积物，在不同情况下改善或验证设备的可靠性。（5）射频导纳界面仪射频导纳界面仪以射频阻抗理论为基础，通过被测介质呈现的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有测量范围大、可以克服矿化度和挂油影响等优点而应用广泛。它是在传统电容式液位计的基础上进行了改进,增加了探头根部抗黏附、抗冷凝的功能，但是该方法仅通过电导率一个参数很难完全反映油水乳化液的状态，这就使射频导纳界面仪无法跟随乳化带的变化，在现场应用中其误差通常为几十厘米，最大误差可达 1 米左右，这很难满足生产要求。图 1-4 为亿科仪器仪表有限公司生产的射频导纳连续液位计。射频导纳物位控制技术是一种从电容式物位控制技术发展起来的，防挂料性能更好，工作更可靠，测量更准确，适用性更广的物位控制技术， “射频导纳” 中“导油水界面测量软件设计8纳”由阻抗成份，容性成份，感性成份综合而成，而“射频”即高频，所以射频导纳技术可以理解为用高频电流测量导纳的方法。高频正弦振荡器输出一个稳定的测量信号源，利用电桥原理，以精确测量安装在待测量容器中的传感器上的导纳，在直接作用模式下，仪表的输出随物位的升高而增加。图 1-4 频导纳界面仪对一个强导电性物料的容器，由于物料是导电的，接地点可以被认为在传感器绝缘层的表面，对仪表传感器来说仅表现为一个电容和电阻组成的复阻抗，从而引起两个问题。第一个问题是物料本身对传感器相当于一个电容，它不消耗变送器的能量，（纯电容不耗能） ，但挂料对传感器等效电路中含有电阻，则挂料的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，产生测量误差。我们在振荡器与电桥之间增加了一个驱动器，使消耗的能量得到补充因而会稳定加在传感器的振荡电压。第二个问题是对于导电物料，传感器绝缘层表面的接地点覆盖了整个物料及挂料区，使有效测量电容扩展到挂料的顶端，这样便产生挂料误差，且导电性越强误差越大。但任何物料都不是完全导电的。从电学角度来看，挂料层相当于一个电阻，传感器被挂料覆盖的部分相当于一条由无数个无穷小的电容和电阻元件组成的传输线。根据数学理论，如果挂料足够长，则挂料的电容和电阻部分的阻抗和容抗数值相等，因此用交流鉴相采样器可以分别测量电容和电阻。这些多参量的测量，油水界面测量软件设计9是测量的基础，交流鉴相采样器是实现的手段。由于使用了上述技术，使得射频导纳技术在现场应用中展现出非凡的生命力。射频防护（内置滤波器）：对于来自 1.5 米（59）以外的其它外露传感器，电缆或输电线路功率为 5W 的射频干扰，该变送器电路具有防护功能，即使在导电物料中精度不受影响（6）磁致伸缩式界面检测仪磁致伸缩式界面检测仪的工作原理是磁致伸缩效应，其核心的传感部件是美国 MTS 公司发明的磁致伸缩线。当开始测量时，检测仪头部产生一低电流“询问“脉冲，此电流同时产生沿波导管内的感应线向下运行的电流磁场。在检测仪管外配有浮子，此浮子沿测量杆随着油水界面的波动而上下移动。由于浮子内装有一组永久磁铁，所以浮子会同时产生一个磁场。当电流磁场与此浮子磁场相遇时，产生波导扭曲的脉冲，简称“回答”脉冲。 “询问”脉冲发出至检测到“回答”脉冲的时间确认为浮子的位置。其优点是：首先，没有强制运动部件，没有疲劳，是无损伤性检测，寿命长，稳定性好；其次，其扭转应力波的特异性好，不存在干扰；再次，应力波的传播速度不变，仅取决于磁致伸缩材料，与其它因素无关。其缺点是：采用插入式安装，属于接触测量，而且由于仍然使用了浮子，所以不适用于原油等高粘度、易粘结的物质。（7）光纤式界面检测仪图 1-5 光纤液位计自 1990 年以来，光纤技术用于界面检测的专利很多，尤以美国为最。主要利用光纤的传输功率随外界介质折射率的变化而变化这一特性来检测油水界面。光纤式界面检测仪耐高压、耐腐蚀、体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏高、动态范围大，并且无电火花，适用于易燃易爆场合。但它也属于接触式测量，受介质油水界面测量软件设计10粘附、温度变化等因素的影响大。1.3 本文的主要设计内容本文主要分为以下几个部分：第一章， 先提出了本设计课题的背景和研究的意义，然后介绍了国内外对于油水分离研究的现状和油田原油的生产工艺，界面测量仪的种类，最后是论文的结构。第二章， 总体设计方案的提出，以及总体设计的流程图，油水界面测量系统要实现的功能。第三章， 对油水测量硬件的介绍，其中包括 A36W 型油水界面测量仪的概述，性能和技术指标，以及分段电容传感器的工作原理，最后是转换串口概述。第四章， 软件部分的设计，简单介绍了以下 MCGS 组态软件，设计过程中对设备窗口，用户窗口，实时数据库和循环策略的参数及变量的设置，Modbus 通讯协议的概述以及油水界面分离的算法的研究。第五章， 通过编制的界面完成油水界面测量实验的整体过程，以及实验数据的记录。油水界面测量软件设计11第二章 系统整体方案设计2.1 总体设计方案选择 （1）在油水混合物中，由于密度不同，会形成上层为油层，下层为水层，在实际油田生产过程中，必须要确定油水界面的位置。（2）关于实现油水界面检测仪与 PC 的通讯，有以下两种方案：通过数据采集卡将数据采集到 PC 中，但是由于界面测量仪输出的数据本身已经是数字信号，所以不用数据采集卡处理。用 485-232 转换串口直接将界面测量仪输出的数据采集到 PC 中。（3）选择处理数据的软件，考虑了三种方案：阿尔泰数据采集卡软件，由于上面已经提到本试验用不到数据采集卡，所以不采用这种方案。采用 MCGS 软件实现油水界面的检测,由于 MCGS 软件在实现动画方面的功能比较丰富，可以比较直观的模拟油水界面检测的整个过程，所以选择此方案。（4）通过油水界面分离算法，在 MCGS 软件中编写脚本程序，对采集到计算机中的数据进行处理，从而实现油水界面的实时测量，进而完成实验。2.2 总体方案设计流程油水界面测量软件设计12图 2-1 数据传输过程A36W 型油水界面测量仪采集到的数字信号通过 UT-216 型 485-232 转换串口将数据送入计算机中，在组态软件 MCGS 中虚拟设备 0 内部设置 22 个通道分别连接对应的 22 个电容传感器所测得得数字量，组态过程中直接利用这 22 个通道中的数字量进行组态设计。图 2-2 总体流程图2.3 油水界面系统及其实现的功能将计算机控制技术与油田采油工艺过程相结合，可以提高油田采油过程自动化检测水平，尽可能多地减轻工人的劳动强度，提高工作效率，同时能够将油田最关心的一些数据如油田日产油量等数据通过计算机控制自动存储到实时数据库中，并能实时显示，便于油田工作人员操作，本课题所要实现的主要功能如下：（1）通过油水界面检测仪检测相关油水界面的数据。（2）将油水界面检测仪检测到的数据通过转换串口输入计算机中。（3）在 MCGS 中根据相关的算法编写脚本程序，将所得数据转换为液位高度。油水界面测量软件设计13（4）用 MCGS 软件编制一个界面，可以显示油，水，乳化液的高度。2.4 课题的研究方法及问题处理24.1 课题研究方法（1）首先确定设计课题，结合本专业知识选择与专业相关的课题，并根据要求，采用 MCGS 实现油水界面的测量监控。 （2）仔细阅读所查的相关资料，对所要设计的实验系统做细致全面的认识，包括其基本组成、工作原理、应用领域、国际国内研究情况等等。首先分析前人的成果，研究其优点及缺点，然后作出关于本课题的设计方向以及设计重点。（3）总体方案设计。通过调研和查阅资料，拟定总体的研究方案。（4）在实验室内分段电容传感器上进行试验调试，明确编程的内容。（5）实验系统软件部分的设计与实现。计算相关算法，并利用 MCGS 实现油水界面的检测。2.4.2 研究中出现问题的解决方案（1）在油水混合物中，由于密度不同，会形成上层为油层，下层为水层，在实际油田生产过程中，必须要确定油水界面的位置。（2）通过 485-232 转换串口将传感器中获得的数据输入计算机中。（3）建立算法，将所得数据转变为液位高度，通过 MCGS 实现油水界面的检测，并设计显示界面，分别显示出储油罐内油，水，乳化液的高度。2.5 本章小结本章主要介绍了本设计课题的总体设计方案，其中包括研究中遇到的问题的以及解决方案，本课题研究的方法步骤，这为下一步的设计工作指明了方向，另外还简单介绍了此系统要实现的功能。油水界面测量软件设计14第三章 油水界面系统硬件简介3.1 界面检测仪3.1.1 界面检测仪概述图 3-1 油水界面测量仪示意图如图 3-1 所示，A36W 双界面型油水界面仪是采用微电容串组合，断层扫描检测技术研制的一种检测容器中油、水、空气多相界面的液位计。其主要用于油田及石油化工行业进行油水双界面的检测，A36W 系列油水双界面测量仪不仅能测量单一介质的单液位、物位，而且一台油水双界面测量仪产品能够同时准确测量同一工作储罐内分层的两种不同介质的两个液位，如：原油罐内的油位与水位；油水界面测量软件设计15其产品性能具有其它产品无法实现、无可比拟的优越性，此产品主要应用于油田的原油沉降罐、分离罐、计量罐等罐群的液位测量和油水界面分析，也广泛使用于石油、化工、水利、水文检测、污水处理、炼钢厂车间除尘器、加油站、焦炼厂、液化汽厂以及啤酒饮料、食品、制药等行业的料位、液位的测量。3.1.2 界面检测仪性能参数由多段检测高度为 55mm 的微电容串组合而成的检测探极（传感器）与装在探极顶部的在线自校正式双界面液位变送器共同组成液位计。其检测的水面与油面高度以两组 4-20mA 信号分别输出，可远传至微机或二次显示仪表进行显示和控制。（1）变送器工作电压：DC12V（由专用安全栅供电）（2）专用安全栅输入电压：DC24V（3）有效检测范围（量程）：010 米(其它量程可另行定制）（4）变送器输出：两路 420mA（5）防爆等级：ExibIIBT4（6）适用介质：各种液体（7）工作温度：-40+80（8）探极与罐壁距离：小于 1 米（过大应考虑加辅助电极）3.1.3 界面检测仪的基本原理油水界面测量软件设计16图 3-2 界面测量仪工作原理在一定的空间内介质的变化将会引起很多的物理量的变化，如：变化较敏感的电场、磁场；那么电场和磁场物理量的变化将会间接的反映介质单位体积及介质特性的变化；利用这一原理结合矩阵式分布的传感探极结构，在高速大规模集成电路单片机的有序控制下实时获取电场、磁场物理量的变化信息，并对这些信息进行分析、计算，按一定的规律进行量化处理、转化，就能准确无误的知道介质单位体积及介质特性的变化；然后将介质液位、物位的变化量转换成工业标准电信号输出并传递给 PLC、工业采集模块、工控计算机等采集设备进行监视控制。由于位于液罐下层的水，中层的油，和上层的空气，各自的介电常数 有较大差异，因此由上至下多段微电容串各自 55mm 的检测电极与罐壁之间构成 n 个层面检测电容，每个电容的电容量都与其和罐壁之间介电常数 成正比。 如图 3-2 所示，由单片机构成的变送器对各段电容从下至上逐段进行扫描检测，并由软件对检测结果进行分析、判断、比较、计算，并由标准 485 信号或双 D/A-mA 变换模块以两路各自 420mA 恒流信号输出。实际应用中，油和水之间界面不是一个清晰的界面，油水之间在不同情况下是不同状态的油水混合层，其介电常数在水和油之间变化，其大小与这一层面中油水混合比例有关，含水越多， 越大。因此，判断油水界面的 阀值是一个相对值。使用中通过调整放大倍数，即可改变这个阀值。为了在安装时可以检查调整各层面的检测值，变送器设置调零、放大两只电位器，通过按键即可检查从下至上第一至最末段检测值，通过两电位器可以进行空气段调零和油段、水段、混合段的调整，退出按键操作即可输出油面、水面420mA 信号。变送器可以通过软件判断方式选择合适的工作状态，无须手动调节电位器。3.2 分段电容传感器下面图 3-3 为例来介绍一下分段电容传感器的检测原理，这是一个 10 段式分段电容传感器结构简图及等效电容图，只有最上部的电容传感器没有完全充满介质，其他传感器全部都充满了介质，有的充满了水，有的充满了原油。从上至下等效为 10 个电容: ,1C, 2 10：油水界面测量软件设计17图 3-3 传感器结构及等效电容图从图中可以看出 中都是同一种介质原油 ， 和 中也是同一种介1C6 8C910质水，只有 中有原油和水两种介质，由于各段电容长度、内径和外径都相等，7不难得出： = = = = = = (3-1),12345678910 的电容值是需要经过测量才能得到的，而只要得到了这十个电容值也1C0就得到了上面的关系式，我们就可以判断出 ， 和 充满的是介质水， 8C9102C充满的是介质原油， 中充入的是原油但没有充满， 中充有原油和水两种6 1C7介质，也就是说原油与水的分界面在 段电容传感器中，由于每个传感器的高度7都为 L。 ，很容易得到油水界面高度为:H= K L 。+ 。XL由于 L。的精度是由制造工艺决定的，一般来说 L。可以做得十分精确的，可见 H 的精度仅受 精度的影响。再来看 的测量过程， 通过上式来计算，X X但首先必须求得 C。和 k，由于 和 ，进而受一些因素影响而不是常数，相油r水r应的 C。和 k 就也不是常数，必须通过测量来获得 和 ，进而求得 C。和油r水rk。注意到 中都充满了介质原油，而 ， 和 都充满了介质水，既然26 8C910充满的都是同一种介质，就可以利用公式通过 的测量值来求得原油的相对26介电常数 ，通过 ， 和 的测量值求得水的相对介电常数 ，再分别取油r8910 水r其平均值作为最后计算时所使用的参数以提高测量精度。求出了 和 ，油水油 水界面的计算问题也就迎刃而解了。3.3 转换串口油水界面测量软件设计183.3.1 转换串口概述图 3-3 转换串口本试验采用 UT-216 接口转换器如图 3-3，为了便于配有不同标准串行接口的计算机或智能仪器之间进行远程数据通讯，必须进行标准串行接口的相互转换。UT-216 接口转换器可以为点到点、点到多点的通信提供可靠的连接，点到多点每台转换器可允许连接 32 个 RS-422 或 RS-485 接口设备，数据通讯速率 300-115.2KBPS，带有电源指示灯及数据流量指示灯可指示故障情况、支持的通讯方式有 RS-232 到 RS-422、 RS-232 到 RS-485 转换。 连接上位机的主通信口，采用标准串行 RS485 通讯口，使用接线端子。信息传输方式为异步方式，起始位 1 位，数据位 8 位， 停止位 1 位，无校验；数据传输缺省速率为 9600b/s。确保适用一切现有的通信软件和接口硬件，不需要对以前的基于 RS-232 的工作方式作任何软件的修改。 3.3.2 转换串口性能参数（1）兼容 RS-232、RS-485 TIA/EIA 标准。（2）自动发送/接收数据，无需外部的流量控制信号 (RTS)。（3）通信速率：300BPS-115.2KBPS 。（4）能够连接 32 个 RS-485 或 RS-422 接口设备。（5）通讯距离: 1，200 米（9，600BPS） 。（6）电源及数据流量指示灯,可检测故障点。（7）工作方式：步半双工（RS-485）或异步全双工(RS-422) 通用无跳线设置。（8）RS-485/422 提供每线 600W 的防雷保护和防止共地干扰。（9）电气接口：DB9 孔型到 DB9 针型及 RJ-45 连接器。油水界面测量软件设计19（10）传输介质：绞线或屏蔽线。3.4 本章小结本章主要介绍了本研究课题中用到的分段式电容式油水界面测量仪的性能，参数和工作原理，以及转换串口的技术指标。第四章 油水界面系统软件设计4.1 MCGS 软件简介组态软件是指用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，使计算机或软件按照配置自动的执行特定的任务，以满足使用者的要求。国际上比较著名的组态软件有 InTouch 和 iFIX 等，国内也涌现出了组态王， MCGS 和力控等一批组态软件，组态软件一般由图形界面系统，实时数据库系统，第三方程序接口组件和控制功能组件组成。图形界面系统用于生成现场过程图形画面；实时数据库系统用于实时存储现场控制点的参数；第三方程序接口组件用于组态软件与气态应用程序交换数据；控制功能组件用于生成监控所需的控制策略。组态软件通过 I/O 驱动程序从县城 I/O 设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观的显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态软件要求和操作人员的指令将控制数据送给 I/O 设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。组态软件 MCGS 是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp 等操作系统。 MCGS 组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。具有功能完油水界面测量软件设计20善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。MCGS 全中文工业自动化控制组态软件（以下简称 MCGS 工控组态软件或MCGS）是一套 32 位工控组态软件，可稳定运行于 Windows95/98/Me/NT/2000 等多种操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。在 MCGS 中的数据不同于传统意义的数据或变量，它不只包含了变量的数值特征，还如下图 4-1 所示，系统各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据送入实时数据库；由用户窗口组成的图形对象，与实时数据库中的数据对象建立连接关系，以动画将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。MCGS 用数据对象来表述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义的值变量。把用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。实时数据库是MCGS 的核心，是应用系统的数据处理中心，形式实现数据的可视化；运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理。