称重式油井产量计量系统与数据采集与控制单元设计说明

称重式油井产量计量系统及数据采集与控制单元设计

1绪论

1.1油井产量计量的现状

油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作.对油井产量进行准确、及时的计量

对掌握油藏状况制定生产方案具有重要的指导意义。目前国内各油田采用的油井产量计量

方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方

法等。随着技术的进步，油田越来越需要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动

生产率和油田的管理水平。

油井产量的准确及时计量是油田生产管理中的一项重要工作，对掌握油藏状况和制定生

产方案，具有积极的作用。传统的油井产量计量设备简单、耗资少，且无法实现油井产量的

连续计量，只能近似的求出油井产量，原油系统误差比较大。例如两相分离仪表计量装置

中使用的质量流量计往往会受计量装置中的气体含量、安装位置以及结蜡等因素影响，从

而使计量精度存在一定的误差。而三相分离装置比较麻烦，不仅需要的设备多、仪表多，

而且操作难度大、流程复杂、难于管理且维修费用高。其精度性、可靠性及适应性等方面

难以达到要求。而称重式油井计量装置是一种集分离与计量功能于一身的装置，具有占地面

积小、投资省、计量精度高、操作简便、能耗小、劳动强度低等特点，能够替代传统立式油

井计量分离器量油。

1.2国内外技术

目前油井生产系统流程为延续了40多年传统的“单井一计量站一接转站（或联合站）”

的“三级布站”模式。国内所采用的计量方式主要有立、卧式两相分离器。人工取样化验

含水率，智能涡轮测气仪测气。

与国内相比，在采出过程，转油站，联合站，油气输送网络等系统的自动化程度与使

用的技术基本相同，只是某些设备比国内先进。外输与计量系统的控制主要包括精度计量

系统的控制、罐区自动控制、换热及泵或压缩机的自动控制，其他辅助设备的控制，安全

系统的自动控制等。这些自动控制系统从技术方面讲都比较常规，只是国外主要设备先进，

自动化程度较高。国内的计量系统的控制可以实现自动计量过程，但自动化程度不高，设

备不够先进，与国外的计量系统存在差距

美国、苏联的油井计量装置整体自动化水平比我们高。其计量装置中选井控制，界面、

液位控制，计量过程都实现了自动化；选井阀有多通阀也有三通阀，而我国选井多采用手

动，这就使自动化水平降低很多。美国的微机应用水平高，性能稳定可靠，而我们的微机

在油井计量中的应用才刚刚开始，其可靠性、稳定性、技术水平等都不理想⑵。

在油井计量中，采用多通阀选井，整个计量过程中针对不同阶段，采用不同的计量方

法。按照最恶劣的情况建设设计油田，即采用三相分离计量法，随着开采进行原油中含水

率的升高，由最初的两相分离法逐渐过渡到采用三相分离法。为了实现在线连续计量，可

以结合一些仪表配套使用⑶。

随着世界自动化技术的飞速发展，我国油气田自动化技术也得到了快速提高。在采油

井的产液量、含水率和产气量的计量上，为适应低产油井的需要，提出了许多新的计量方

法，研制了相应设备，如三相不分离计量、功图法量油；生产过程控制系统PLC、DCS和

SOTA系统的应用。另外，随着老油田进入高含水期，油井计量的难度越来越大，提高目前

井口计量精度和管理水平，已成为油田生产中亟待解决的一个重要课题。油气田生产过程监

测控制和企业管理一体化信息技术，是未来油气田自动化发展的主要方向⑷。

(1)向仪表化方向发展。随着技术的进步及各种气体和液体流量计的广泛应用，油井

产量计量中采用操作读数方便简单的仪表成为必然趋势。

(2)向高精度方向发展。随着油田开发的进行，生产状况越来越难以掌握，为了及时

的掌控油田生产情况，高精度仪表的使用成为必须的条件。另外高精度仪表的成本随着技

术的不断成熟，成本越来越低，促使其应用范围不断扩大。

(3)向快速化方向发展。随着经济发展的加速，为了及时掌控油田油井的生产装况,

必须缩短油井产量的计量周期，提高计量速度。

(4)向自动化方向发展。自动化技术的应用降低了人工劳动强度，提高了劳动生产效

率。在油井产量的计量过程实现自动化生产既是现下的目标，也是将来发展的唯一方向。

1.3油井计量技术存在的问题

(1)计量时间短，误差大

传统油井计量流程复杂、投资大，”三天量一回，以点代面”计量方式导致单井日累计

液量存在较大的误差，使得单井日报表液量不能真实地表现油井的实际产能状况；例如，

玻璃管量油在进入高含水期后，由于单位时间内液量的增加，量油时间缩短到1〜2min,

甚至更短。用如此短时间内的产量代表24h的产量，造成的误差往往达到10%以上。

(2)人工测定原油含水率误差大

要准确测量油井的产油量，就必须准确测出原油平均含水率。当前油田自动化和生产

分析设计工作没有有机地结合，没有利用自动采集了的实时数据来建立以提高油井产量和

系统效率为目标的工况诊断、优化设计、功图法量油计算分析系统；由于目前采用人工取

样的方式测定原油含水率的精度与操作者的技能状况有很大关系，测量误差较大，有时几

次测量值的平均差值率高达20%〜30%在这种状况下单井的产油量与产水量计量值很难反

映真实状况。而且建站时建有的在线含水分析仪，实际生产过程，从未使用过而全部报废

拆除了。

(3)产气量流量计多未运行

尽管配置了计量油井产气量的流量计，但实际上使用情况并不好，尤其是低气液比的

井经常发生气管线窜液现象，造成计量装置失灵，最终结果是计量误差较大。大部分未能

正常运行，许多计量站甚至从未用过。加之孔板多年不检定，即使在用也很难说清其计量

的准确度。

(4)建站投资高、设备占地面积大。

国内油田在油井计量方面做了大量研究，实现了油井自动计量。但仍存在诸多问题，

当前的油井自动化主要是将功图、电参数等数据传回中心控制室，主要是采集而没有控制

功能，没有利用数据深度加工分析结果实现工艺控制，不能进行完整意义上的实时优化、

智能控制。如：由于采用单罐计量，不能真正实现24h连续计量；用于液位检测的仪表易发

生挂料、卡死现象，造成电动阀误动作，计算结果不准确;在线含水分析仪现场使用效果不理

想；分离器压油比较困难等回咒总之，我国目前的油井计量技术还需向高精度、高速率、高

自动化的方向发展。因此，深化油井实时动态监测分析优化技术的研究与应用，对提高油

井整体技术管理水平有着较大的技术空间和实际意义⑸。

为了有效克服以上问题，本次设计将引用PLC技术。PLC是一种专门在工业环境下应用

而设计的数字运算操作的电子装置。对于油田计量的具体工作来说，系统会根据预先设定好

的顺序进行自动地循环、计算和控制，也可以人为地中断机器的工作并进行适时调整。计量的

控制主要分为自动、指定、停止3个过程。采用这种装置不仅提高了作业的连续性，降低了

工作成本，提高了作业效率，并且比以前的传统技术更具有可持续发展性，测量精度也得

到进一步的提升，提高了油田各项指标资料的准确性。

1.4主要研究内容

本课题研究的新型油井自动计量系统的创新之处在于，一是采用了力矩平衡原理，实

现了油井真正意义上的称重计量；二是在翻斗式称重计量的基础上，采用PLC自动进行数据

的采集、传输与井位选择控制。利用PLC与上位机PC机通讯，进行远程控制，实现自动控制

多井连续计量等多种计量方式。

翻斗式称重计量通过两个计量料斗轮流翻转称重的方式实时在线计量油井原油的产量，

消除了油气分离效果差、稠油沾粘带来的计量误差。其计量原理是在两个计量料斗上各安装

一个称重力传感器，计量目标油井原油（含油气），由计量罐顶部进入计量罐，经过罐内的

分离器进行油气分离后，油气从罐的上部出口流出，原油进入左料斗（假设），随着左料斗

承重的增加，当增加到一定量时，平衡被破坏，左右料斗围绕轴心翻转，右料斗开始对原

油进行计量，左料斗开始泻油，同时右料斗开始承载原油。这样左右料斗不断轮流工作,

对原油计量。

PLC采集称重力传感器数据，并通过通信线路传输到上位的PC机，PC机对其接受的数据

进行处理，计算出在一定时间内料斗称量的原油重量，即可得到该口油井在这一时间的产

量。采用这种自动计量系统，不仅消除了油气分离效果差、稠油沾粘带来的计量误差，还

克服了由手动选井进行原油产量的计量给工业生产带来的不便。具有人机交互方便、显示

画面直观、传输数据可靠、计量结果准确等优点，实现了油井的液、气、两相计量，具有

成本低、自动化程度高、计量精度高等特点。

具体研究内容包括以下几个方面：

(1)设计油井自动计量系统；

(2)硬件设备的原理及选型；

(3)控制系统的联网与通信。

2总体方案设计

油井计量装置由多通阀、储罐、S7-200PLC,计量罐、泵、加热源、气体流量计、温度

和压力传感器以及工控机组成。原油计量的过程是在计量罐中进行的，它是油井自动计量

装置的主要部分，它由罐体、伞形分离器、承液盘、翻斗、降液管、加热盘管、称重力传

感器、侧装浮球液位开关等部件构成，其中主要的计量部件是翻斗（其中称重力传感器是该

计量装置的主要部件，能够得到一系列的读数，进而求得原油的产量）。

2.1机械结构简介

计量装置的机械结构部分包括：计量罐、伞状油气分离器、降液管、承液盘、连通管、

计量料斗、称重力传感器、支架钢丝网、浮子调节器、进出油管线等。这些部件结构按一

定布局安装在计量罐内，与计量罐外的多通阀一起构成的机械整体成为计量系统的机械结

构，如图2.1所示。

黜口、蛀即

进油管饯

瓜皿ti励i口（成,即

连通管

承液最30-OOMD频，ST

降液生

力卷部出翱I、

目勃坤出口

浮刊节釉口

多路进油管线

口稣中拆版胃口城,藤）

图2.1计量装置的组成

2.1.1多通阀

数控多通阀主要由多通阀体、电动执行器及控制器等组成。

(1)多通阀的结构原理

主要由阀体、阀盖、阀芯组件、连接架组成。阀侧体上有多口油井来油入口，一个集

输汇口，一个计量出口。阀芯有一个水平入口，一个向下的出口，水平入口与要计量的油

井入口相通，向下的出口与计量出口相通，阀芯的水平入口与阀体上周围来油入口的密封

是借助弹簧预紧力压紧密封环来实现的。当多通阀在电动执行器的驱动下转动阀芯时，阀

芯的水平入口顺次与来油的入口相通。

图2.2多通阀

(2)多通阀的特点

多通阀的计量选井是在控制器软件的控制下工作的，控制器发出选井计量指令后，电

动执行器开始带动多通阀转动，当转动到选井指令要求的井号时，多通阀会自动停止转动,

被选定的油井来油会从计量出口流出，其余井的来油汇聚从集输出口流出。

多通阀计量是在传统计量工艺管汇配套立式分离器计量的基础上，将人工切换流程

(上、下排闸门)改变为利用多通阀自动切换，通过手动或者自动方式选择某口油井的来

液进入分离器，在分离器配套装置上设计自动液位采集系统，利用分离器量油计量原理自

动计量单井产液量。多通阀计量优点为：第一，操作简单、方便，劳动强度低。操作中只

需轻轻点击控制箱的按键，将计量井基本数据输入控制箱，计量操作通过集输计量选通装

置控制箱来控制集输计量选通装置的操作，无需进行十几次阀门的操作；操作程序化、流

程化、自动化，大大降低了员工的劳动强度。第二，实现全天候计量，保证油井产量客观、

真实、准确。该自动计量技术可以根据需要设定计量周期，它可以按照设定的时间进

行自动计量，微机随时记录量油结果；可以每天对油井进行多次计量，跟踪1口油井任意

时间段的出油情况，保证了油井计量的准确性。第三，低成本投入，操作所需空间小。使用集

输计量选通装置，1个计量站一般只需要使用1套或者2套集输计量选通装置，占地面

积小，投资仅为传统计量装置的40%~60%o多通阀的结构特点，决定了采用多通阀的计量

站工艺管汇实际操作所需空间相对较小，配套房间设施或保温设施规模小，可实现简易配

套防护、保温。虽然多通阀计量装置改变了人工切换流程（上、下排闸门）的操作方法，

但它的计量基础仍然是分离器计量原理，所以对处于高含水期特别是特高含水期且气液比

低的油井计量后的排液十分困难。

多通阀的使用，可以实现由同一个计量罐分时、循环计量多口油井。多通阀的应用可

以实现多井的全自动选井与计量。这不仅克服了手动操作带来的不便，而且工作效率也能

得到很大提高。

2.1.2伞形气液分离器

稠油的油气比低，产气量少，油井产出的油气混合物，经进油口进入计量罐上部的油

气分离器，落在散油帽上进行扩散，相对密度较大的油沿壁下滑到分离器的下部，经承液

盘缓冲后从出油管（降液管）排出。气体由于相对密度较小，在伞面上与液体分离后集中

上升，同时气体中的小油滴附在伞壁上聚集，附着壁上而流下，气由出气口排出。伞斜面

的另一作用是使进入分离器的油散附壁上滑下，起到稳定油、水界面的作用，进而使计量

准确。

2.1.3承液盘

承液盘的作用是收集经过油气分离器分离出来的原油和水，集中由降液管落入到计量

料斗中计量，同时也起到对落下的原油缓冲作用，减少原油起沫以及原油进入计量料斗时

产生的冲击。

2.1.4计量料斗

计量料斗时计量装置的核心部件，其中一个料斗进油达到设定值时，料斗翻转倒油，

同时另一个料斗进油，当达到预设值时又翻转倒油，另一个同时进油，如此反复循环工作

完成计量过程。料斗中承油的重量则通过各自的称重传感器读取。

计量料斗如图2.3所示。基于力矩平衡原理的采油井原油产量计量装置的工作原理是：

通过多通阀选井后将采油井原油输送至计量罐，原油途经油气分离设备、缓冲装置和集液

盘后，以稳定的液态流进一个计量料斗（假设为右料斗进油）。在布置计量料斗的位置时，

要满足两个条件：一是保证料斗的上、下表面都在水平面上，但由于加工制造方面上的误

差，料斗上、下表面可能并不平行，此时要保证料斗下表面处于水平位置上，这样才使来

油的重心

铅垂线始终与料斗中心线重合；二是保证三角形回转支撑板的侧面回转中心0102在铅垂方

向上，这样能保证右料斗重心线到0102连线的距离L2是一个定值，减小重心偏移误差。

当传感器与料斗连接后，左、右料斗只能围绕0102有转动趋势，但不能真正回转.图2.3

为计量料斗示意图

右称重传感器

左称重传感器

图2.3计量料斗

2.1.5连通管

连同计量罐腔体，保证灌顶与罐底产生一定的压力差，这个压力差作为罐底出油口排

油的动力，并配合浮子调节器保持罐底的液位高度。

2.1.6浮子调节阀

浮子调节器是油气分离器上必不可少的液面控制机构，它能将设备内的液位自动控制

在一定的范围内，避免设备发生抽空或冒顶事故，保证设备安全运行。油气两相分离器将

油气混合物来液分离成液态（原油和水）和气态（天然气），压力由天然气出口处的压力控

制阀控制，液面由控制器（浮子调节器）控制的出油阀调节。同时在本设计中还采用差压

变送器测量罐底液体的液面高度，与浮子调节控制系统一起构成冗余形式的罐底液体液面

监控系统。

油气三通调节阀的结构主要由阀体、阀芯、阀盖、转臂、转轴、阀杆、导向盘及阀座

等组成。作用方式为合流，能够满足油气分离后，对油和气分别进行调节与测量，并再重新混

合进入混输集油流程的工艺要求。该阀有两个进口和一个出口，上面的阀芯用来调节天然气

的流量，下面的阀芯用来调节原油的流量。两个阀芯作用相反，当上面的阀芯关小的同时，下

面的阀芯就开大。原油和天然气的流向总是使各自的阀芯处于流开状态，这种结构能使调节

阀处于比较稳定的状态之中。由此可见，该阀是一种油气合一的合流调节阀。

图2.4浮子调节阀

2.2主要性能参数的确定

在确定了计量系统的结构和功能后，经过分析、调研，确定的本研究开发的计量系统

主要性能参数如下：

(1)罐内介质温度：50~200℃

(2)工作环境温度：-20〜35℃

(3)工作压力：1.6MPa

(4)介质：原油

(5)测量精度:±3.5%

(6)测量通道数量：24通道

(7)量程：0〜960T/d

(8)最大循环测量次数：12次/d

本次设计时，初步确定一口井的计量时间为5分钟，24口井循环计量一次需要2小时，

每天(24小时)循环12次。每分钟两个料斗各翻转3次，即称重6斗，每个料斗设计最

大容积量为120kg,则每口井每分钟可以计量重量为720kg。测量通道数指利用一套计量

系统可以对24口油井产量进行计量管理。最大循环测量次数指在24小时内，对24口井可

以循环进行12次测量，当管理的油井数小于24时，循环测量次数可以适当提高。

2.3控制系统的设计方案

2.3.1计量装置机械结构

总体方案的机械结构部分主要包括计量罐与多通阀。计量罐主要由罐体、伞状油气分

离器、计量料斗、称重力传感器、浮子液位调节器、加热盘管等主要部件构成。

2.3.2自动控制系统结构

本设计计量系统采用通用手段，使用PLC作为下位机，工控机作为上位机，同时使用

组态软件作为上位机软件进行监控。这里采用的是西门子S7-200PLC与WinCC组态软件,

基于PPI协议实现对油井的自动计量系统的设计。下位机主要负责实现原油计量系统各项指

标的数据采集、暂存及短期存储、数据格式转换及基本计算等功能。上位机主要负责实现数

据分析及长期存储，画面监控，报表打印及远程传输等功能。在本系统中，采用PC/PPI协议

实现上下位机的数据通信诃，如图2.2所示。这样的控制系统省去了人工记数的麻烦，控

制精确，显示画面直观。

(1)上位机系统结构

上位机采用研华工控机，监控软件采用WinCC组态软件；编程软件采用

V4.0STEP7MicroWINSP6o

(2)下位机系统结构

考虑到控制系统的稳定性与以后的可扩展性，下位机系统由西门子S7-200PLC若干现

场与远传的仪表和传感器(温度传感器、压力传感器、差压变送器以及力传感器)、PPI通讯电

缆、24V直流电源等构成，作为原油计量数据采集系统。

(3)上下位机通讯

上、下位机通讯采用PPI通讯协议，利用PC/PPI电缆建立通讯。采用一个RS232,一

个RS485作为通讯端口。

2.4控制系统的设计要求

(1)对计量罐罐底原油液位高度进行控制，以保证罐底出油口始终在原油液面之下，

防止天然气随原油一起输送。同时还要保证料斗始终位于原油液面之上，以免料斗受到浮

力，影响计量精度。在计量罐上设置差压传感器，测量罐底原油液位高度。当计量罐内压

力足够时，依靠该压力可以将原油压出计量罐，进入计量站的储罐，完成脱水等工艺过程。

依靠浮子调节系统自动维持计量罐内一定高度的原油液面。当罐内压力较低、不足以克服

管道等外部阻力时，原油无法排除计量罐，此时，要启动罐外的油泵，强制排油。另外，

考虑到微差压传感器的可靠性，可以在计量罐底部，沿高度方向布置若干个液位开关，对

原油液面进行不连续监测。

（2）对罐内（罐顶）天然气压力、温度进行测量，监测罐内压力。这样保证计量罐内

压力不超过设计压力，避免重大事故发生。对温度监测目的是将罐内温度控制在一个合理

范围，既要保证原油的流动性，又要防止由于温度过高造成轻质组分随气体排出。测量结

果分为现场显示和远传计算机显示。

（3）对罐底压力、温度进行测量，监测罐底压力。测量结果分为现场显示和远传计算

机显示。当差压传感器出现故障时，可以利用罐底压力与罐内压力的差值对罐内原油液位

高度进行监测。一般这种监测原油液位高度方法不是很好，测量精度不高，其原因是罐内

和罐底的压力是以兆帕级单位表示，而原油液位高度产生的差压是千帕级的。利用罐底温

度监测可对罐内原油温度进行监测，以控制加热热源，保证罐内原油不凝结。

（4）多通阀位于罐外，被选中的油井的原油通过管路送入到计量罐的上部，经过油气

分离后，进行原油计量。多通阀接受PLC送来的开关量信号（4位8421码），反馈阀位开

关量信号（4位8421码）又送回到PLC,以控制所选油井是否到位。多通阀自己有单独的

控制柜，它接受PLC指令控制阀位变化。

（5）计量料斗采用两个称重力传感器，输出4〜20mA信号送入到PLC,以实时测量料

斗内原油重量。另外在料斗回转轴上设置两个触点，分别控制两个位置开关，当料斗翻转

到位置时，该开关被闭合，PLC时刻监测这两个开关量信号，以判断料斗是否翻转，计算计

量时间，并据此开关量信号采集力传感器信号，得到料斗翻转时的重量。根据料斗翻转时得

到的重量值进行计算，得到原油重量和产量。

2.5工作原理

单井来液进入计量站内的多通阀装置后，通过阀内光电开关传感器使阀芯处于某一井

位，同时将井位信号传递至PLCoPLC控制电动机带动阀芯旋转，当阀芯到达目标井后，

目标井的来液通过阀芯从计量口管路输出，经气液分离后，液相进入质量流量计进行计量,

气相通过气体流量计进行计量。质量流量计测出液相的密度、温度和质量流量等参数，气

体流量计测出气相流量。PLC自动按照用户设定的采集时间间隔，将采集的温度、压力、

流量、气量等参数经过运算后，通过人机交互界面进行显示，同时通过GPRS无线通讯模

块将采集的计量数据实时传送至上位机的远程监控系统。系统在计量完一口油井后，会自

动转至下一口油井继续进行计量，直至完成多口油井的自动计量与远程监控。

图2.5工作原理图

3计量系统的硬件设计

3.1PLC基本结构与性能

3.1.1PLC的产生背景

在可编程控制器问世以前，继电器在工业控制中占据主导地位。传统的继电器、接触

器与PLC比较起来具有明显的缺陷，比如体积庞大、运行缓慢、可靠性低，更为严重的是其只

能适用于固定的接线方式，一旦生产工艺或对象需要改变时，原有的接线就需要更换，实用时

很麻烦，所以本课题将采用PLC。

PLC是可编程逻辑控制器(ProgramLogicController)的简称。1968年，美国通用

汽车公司为其提出了著名的“GM十条”⑪，其主要内容是：

(1)编程方便，可现场修改程序。

(2)维修方便，可采用插件式结构

(3)可靠性高于继电器系统

(4)体积小于继电器系统

(5)可将数据直接送到管理计算机

(6)成本可与继电控制盘竞争

(7)输入的是AC115V

(8)输出可以是AC115A/2A以上

(9)扩展时原系统改变最小

(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4kb

3.1.2PLC的特点

(1)抗干扰能力强，可靠性高

在硬件设施上，对电源变压器、CPU、编程器等主要部件均采用严格的措施进行屏蔽以

防外界干扰；在软件上设置监控程序定期检查外界环境，一旦发现故障立即把现状态存入

存储器，待故障修复外界环境正常后，恢复到故障发生前的状态继续工作。

（2）灵活通用

与继电器比起来，接线非常简单，只需修改程序就可以改变控制功能。同一台PLC也

可以用于不同的控制对象，因此具有很大的灵活性、通用性。此外，PLC产品还具有多样

化、系列化的特点，结构形式多样。同一系列又有高中低档之分，能够满足不同规模、要求

的工业控制。

（3）编程简单、使用方便

PLC的编程语言通常有梯形图、指令表、顺序功能图等。但是，目前大多数的PLC采用

的是梯形图语言编程。梯形图语言与继电器电路原理图非常接近，继承了传统继电器控制线路的清

晰直观，易学易懂，这是选用PLC最重要的原因之一。

（4）设计、安装、调试方便

用程序（软接线）代替硬接线。PLC采用软件编程取代继电器硬件接线实现控制功能。

由于其硬软件齐全，使得设计安装及接线工作量大为减少。其用户程序可以先模拟调试，

调试好再到现场联机统调。

（5）体积小、重量轻、功耗低

在体积上PLC是继电控制系统的五分之一；在耗电方面，比继电器控制系统节能50%

以上；能够迅速排除故障，维修方便。

3.1.3PLC的硬件组成

PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来，实际上是一种专用于工业控制的计算

机。其种类繁多生产厂家也很多，产品结构也各不相同。但其组成和工作原理基本相同，

都采用典型的计算机结构。PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、电源

和编程工具组成。Pic硬件结构如图3.1

PLC基本单元

输出端口

输入端口电源

编程器

写入器-通

信

打印机-接存储器

人机界面-口

上位计算机一

PLC」

图3.1PLC的硬件结构图

(1)CPU

CPU是中央处理器(CentreProcessingUnit)的英文缩写。CPU一般由控制电路、运

算器和寄存器组成。它作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。主要完成以下功能：

a将输入信号送入PLC中存储起来

b按存放的先后顺序取出用户指令，进行编译

c完成用户指令的各项操作

d将结果送到输出端

e响应各种外围设备的请求

(2)存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路、用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和一

些其他信息。

(3)输入输出接口

对于PLC来说，输入输出接口是PLC与外界连接的接口，相当于PLC的“眼”、“耳”、

“舌输入接口用来采集开关量输入信号和模拟量输入信号，而输出用来连接被控对象中

各种执行元件。

(4)电源

PLC电源是指外部的交流电经过整流、滤波、稳压转换成满足PLC中的CPU、存储器、

等内部电路工作所需要的直流电源或电源模块。

(5)编程工具

编程工具供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。它是PLC最重要的外围设备，

实现了人与PLC的连系对话

3.1.4PLC的主要性能指标

(1)I/O点数

这是PLC最重要的一项技术指标。所谓I/O点数即PLC面板上连接输入输出信号用的

端子的个数，常称为点数，用输入点数与输出点数之和表示。

I/O点数越多，外部可接入的输入部件和输出部件就越多，控制的规模就越大。因此,

I/O点数是衡量PLC性能的重要指标之一。

(2)程序容量

系统程序存放在系统程序存储器中。这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量。

,用户程序存储容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字节为单位来计量。

(3)扫描速度

扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以执行一字节

所用的时间来衡量扫描速度。

(4)指令条数

这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能

越强。PLC指令一般分为基本指令和高级指令两部分。

(5)内部继电器和寄存器

内部继电器和寄存器对的额配置情况是衡量PLC硬件功能的一个主要指标。它用于存

放变量状态、中间结果、数据等，还提供许多辅助继电器和寄存器。如定时器、计数器、

系统寄存器、索引寄存器等以便用户编程使用。

(6)编程语言及编程手段

编程语言是PLC厂家为用户设计的用于实现各种控制功能的编程工具。避开I安城语

言一般分为梯形图、语句表、顺序功能图得等几类，不同厂家的PLC编程语言类型有所不

同，语句也各异。

(7)高级模块

PLC除了主控模块外还可以配置各种高级模块。主控模块实现基本控制功能，高级模块

这可实现某些特殊功能。高级模块的配置反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的

一个重要标志，主要由A/D、D/A、高速计数、高速脉冲输出、PID控制、速度控制、液位控

制、温度控制等。

3.2控制系统的网络结构

本系统采用工控机和PLC组成一个上下位式控制系统。使用PLC作为下位机，同时使

用WinCC组态软件作为上位机软件开发平台。根据自动控制系统的设计要求及要实现的功能，

本章将完成工控机和PLC系统以及传感器的硬件的选型，实现对多口油井的自动控制与产

量计量。

3.2.1自动控制系统的网络结构设计

本设计自动控制系统网络结构主要分为三层：上位机监控层、PLC控制层和电气设备

执行层，如图3.2所示。

本控制系统采用工控机为上位机，其作用就是对整个系统进行监控、调节。根据已经

设计好的程序，上位机能够时时监控每一个测点的信号，如计量罐内的温度、压力和液位、

多通阀的选井状态和计量井号、报警信息等，并判断出其所处的状态并根据设定好的程序

进行调节。同时可以参与对系统的运行控制，如通过控制面板设置将要计量的油井号以及

计量时间等，还可以对数据进行管理，如查看历史计量结果、生成数据报表并打印等。

PLC作为下位机，负责采集各传感器传输来的信号，同时将控制要求转换成对底层电气

设备的控制信号。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序

信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据，转化成数字信号反馈给上位机。下

位机和上位机一样都需要编程，都有专门的开发系统。上位机和下位机的关系可以理解为

主机和从机的关系

电气设备执行层作为网络结构的最底层，包括各类传感器以及电动阀门和动作开关等

设备。各类传感器将现场的环境信息以及设备的运行状态信息经信号传输电缆传送到PLC

控制层；电动阀门接受PLC控制层的控制，自动启停，使不同油井的产出液按一定要求进

出计量罐。PLC控制层接受电器执行层传输来的信号，完成对数据采集工作，同时将控制要

求转换成对底层电气设备的控制信号；上位机监控层，可实时监测和查看系统的运行状态，

如计量罐内的温度、压力和液位、多通阀的选井状态和计量井号、报警信息等，同时可以

参与对系统的运行控制，如通过控制面板设置将要计量的油井号以及计量时间等，还可以

对数据进行管理，如查看历史计量结果、生成数据报表并打印等。

工控机

打印机

上位机监控层

PC/PP1电缆

PLC控制层S7-200PLC

信号传输电缆

电气设备执行层百O

图3.2控制系统网络结构

3.2.2自动控制系统要实现的功能

现场采集工况数据的各类传感器、数据传输电缆、PLC控制单元、作为上位机承载编

程软件的工控机，以及WinCC组态监控软件；现场控制功能由现场指示工况的各类现场仪表,

以及手动阀门、开关等。系统功能的实现如图3.3所示。

现场仪表信号采集与预处理上位机

图3.3系统功能框图

对多井来油自动选井的油井自动计量装置的控制功能主要包括以下几个方面：

(1)对设备的运行控制

根据设定条件，控制油、气管线阀门的自动启停，实现计量流程的自动化控制。

(2)监测功能

液量监测：监测计量罐内计量的液体重量，完成产液量的计量；

流量监测：监测分离出来的气体流量，完成气体流量的计量；

温度监测：监测计量罐内的原油温度，保证原油的流动性，同时在温度过高或过低时,

系统发出报警；如配备加热装置，当温度过低时，可启动加热装置对计量罐进行加热。

压力监测：监测计量罐的内部压力，在压力过高时，系统发出报警；

液位监测：监测计量罐内底部液位的高度，保证设备内的液位自动控制在一定的范围

内，避免设备发生抽空或冒顶事故，同时在液位过高或过低时，系统发出报警；

多通阀运行监测：监测多通阀的电机运行以及阀芯位置，实现对多井的进油管线进行

选井控制;

其他设备的监测：监测其他电动阀门的运行状况，根据各自的运行信息判断其状态。

通过监测阀门的开、关状态，实现对设备运行的安全稳定性的实时掌控。

整套油井的自动计量装置具备完善的控制与监测的功能，既能满足对流程的控制，同

时还能获得详细的系统信息。

3.3自动控制系统要实现的要求

(1)控制系统设计的总体要求

系统高安全可靠性：控制装置靠近计量罐及多条输油管线，要求具有较高的系统的安

全可靠性，要求不仅要保证计量的准确性，而且系统应该提供报警提示、应急处理等安全

措施。

操作维护方便：设计系统的操作应直观便于掌握，维护时易于查找和排除故障，因此,

可以采用带指示灯的继电器和功能模块化PLC便于维护人员检测。

高性价比：系统设计需考虑整体的成本及其能带来经济效益。

(3)控制系统设计的一般步骤

控制系统设计的一般步骤如图3.4所示，先对自动控制系统所要完成哪些任务，以及

功能如何实现进行一个整体评估，根据评估结果再去进行各类硬件选型，软件设计，编写

程序，最后进行现场调试，直到能实现预期的功能，达到控制要求。

图3.4控制系统设计的一般步骤

3.4上位机的硬件设计(工控机)

工控机配置

工控机采用研华工控机610Lo

硬件配置:P4631CPU,DDR6771G内存，SATA160GB硬盘，19in(lin=25.4mm)显示器;

2个RS-232串口。

软件配置：监控软件采用WinCC组态软件；编程软件采用V4.0STEP7Micro

IIIIIIIIIIIIIIIIIII

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII

AXAAMTECH

WINSP60

图3.5研华工控机610L

3.5下位机（plc）选型及模块配置

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，

从美国、德国、日本等引进的PLC产品和国内厂家组装自行研发的产品，已有几十个、上百

种型号。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不

同。使用的场合也各有侧重。因此，合理的选择PLC,对于提高PLC控制系统技术经济指标

有着重要意义

3.5.1PLC的机型选择

PLC选型的基本原则是在满足计量要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性

价比。

主要根据整个控制系统所需实现的功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，是否

易于扩展，有无特殊功能要求等।⑵。由于本系统以开关量控制为主并带有部分模拟量的控

制，涉及到温度、压力、流量、液位等连续量，应该选用带有A/D转换的模拟量输入模块

和带有D/A转换的模拟量输出模块，佩接相应的传感器、变送器（对温度控制控制系统可选

用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型PLC.该控

制系统有6个开关量的输入，1个开关量输出。另外，PLC需要对接收到的模拟量电信号进

行进A/D转换，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在小2个

扫描周期之后才能反应到输出端，这在本控制系统中是被允许的，本系统对扫描速度及其

它方面无特殊要求。

本系统合考虑总体控制要求和可靠性，选用西门子公司的S7-200系列PLCoS7-

200PLe的结构小巧但功能强大，在单独或连网使用时都能很好的实现控制功能。与其它PLC

相比具有：高可靠性、高性价比、内置集成功能丰富、通讯功能强大、扩展模块丰富、程

序结构先进、寻址方法灵活；编程软件功能强大且使用方便诬

3.5.2确定I/O点数

在S7-200PLC中，I/O输入输出点的地址与设备在系统中的物理位置有关。I/O输入

输出点的种类有数字量输入I(DI)、数字量输出Q(DO),模拟量输入(AI)、模拟量输出

(AQ)。各种类型的I/O点的地址按照各自的种类分别排列。本设计的自动控制系统的I/O

有数字量输入、数字量输出、模拟量输入及模拟量输出。

数字量输入DI：多通阀阀位反馈4个DI、左接近开关、有接近开关

数字量输出DO：多通阀阀位动作接触器、智能报警器信号(启动、停止)。

模拟量输入AI：称重力传感器2个、温度传感器2个、压力变送器2个、差压传感器、

含水分析仪、气体流量计。

模拟量输出：泵的转速调节。

重量、温度、压力、气体流量、含水率等模拟量，通过传感器和变送器转换为

0~20梯或4~20梯的标准电流信号，再由PLC的A/D转换器，将这些信号转换成数字量

进行内部运算。经过分析统计共需要数字量输入I/。点6个，数字输出I/O点1个，模拟

量输入I/O点8个，模拟量输出I/O点1个。

3.5.3容量估算

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。

(1)I/O点数的估算

I/O点数PLC的I/O点的价格比较高，因此应该合理的选用PLC的I/O点的数量，在满

足控制要求的前提下力争使用I/O点最少，但必须留有一定的备用量。根据被控对象的输入

信号和输出信号的总点数，并考虑到今后调整和扩充，一般应加上109n5%的备用量。

理论设计的I/O点数：16个

实际需要的I/O点数：18个

(2)用户存储器容量的估算

用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。需要的用户存储容量由用户

程序的长短决定。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、

运算处理量、程序结构等。因此，只能粗略的估算。

一般可按下式估算，再按实际需要留出20犷30%的余量。

存储容量=开关量*10+模拟量通道数*100

按上式计算后得出存储容量为1080

考虑到备用量后的存储容量为1350

选用2kb内存足够。

3.5.4模块选型

模块选择的原则：应考虑简单，方便与通用。

可以满足控制要求的模块规格往往有多种，选择时应以线路设计简化、外部控制元件

尽可能少为原则。例如，输入应优先选择金额直接与外部检测元件连接的模块，以避免接

口转换；输出应优先选择直接驱动负载的模块，以减少中间继电器等。同时，各模块应尽

可能统一，不仅利于采购，减少设备还可以提高部件的互换性，为设计、调试、维修提供

帮助。当系统还需要配套其他控制装置时，部件的生产厂家不宜过多，批量订货不仅可以

降低成本，更重要的是同一生产厂家的部件兼容性好，技术要求统一，可为系统设计维修

服务提供方便。

(1)CPU模块

CPU作为中央处理器是PLC的核心部件，控制着对其它所有部件的操作。CPU主要由控

制电路、运算器和寄存器组成。本设计中选择的CPU模块为CPU224XPCN,它适合于小型控

制系统，共有14DI/10D0,满足开关量输入输出基本要求，并留有余量，另外还有2路模

拟量输入。CPU模块有一个24VDC传感器电源，它主要用于为本模块端子和扩展模块的继电器

线圈提供24VDCoCPU的I/O地址分配如表3.Io

表3.1CPU的I/O地址分配表

I/O地址输入/输出信号10地址输入/输出信号

10.0多通阀阀位110.4左接近开关

10.1多通阀阀位210.5右接近开关

10.2多通阀阀位3Q0.0多通阀动作接触器

10.3多通阀阀位4

(2)模拟量输入模块

模拟量采集模块选用EM231CN,AI4xl2bit,支持4通道模拟量输入，可以是电压或电流

信号。本设计采用2块AI4的EM231模拟量输入模块，统筹分配I/O地址，完成对温度、压

力、差压变送器、气体流量计、含水分析仪的信号采集。2块模拟量输入模块加上CPU

的两路模拟量输入通道，分配好模拟量地址，富余一路模拟量通道备用。EM231I/O点数

分配如表3.2o

表3.2模拟量I/O地址分配表

I/O地址输入信号I/O地址输入信号

AIW0左料斗重量AIW10罐底温度

AIW2右料斗重量AIW12罐底压力

AIW4罐顶温度AIW14含水率

AIW6罐顶压力AIW16气体流量

AIW8罐内液位

(3)开关量输入模块

考虑到工况，开关量输入模块的信号采用交流输入，接线方式采用汇点式。

(4)开关量输出模块

考虑到价格因素，以继电器作输出的性价比较高，既可以用于驱动交流负载，又可以

用于直流负载；而且适用的电压范围较窄、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的

能力较强。接线方式采用分组式。同时要注意输出模块的输出电流必须大于负载的额定电

流，如果出现实际负载电流较大输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

3.6传感器选型

传感器的选型标准【14】：

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量

环境合理的选择传感器，是在进行某个量测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，

与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决

于传感器的选用是否合理。

(1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行一个具体的测量工作，首先要考虑如何选用何种原理的传感器，这方面要分析

多方面因素之后才能确定。因为即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可以采用,

哪种原理的传感器更为合适，需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑如下一些问

题：量程大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式为接触式还是非接触式、线的引

出方法、国产还是进口、价格是否合理等。

(2)灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,

与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的

灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高则应选

择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小

越好

(3)频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真

的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械

系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的

误差。

(4)线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度

保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择

传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量

精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给

测量带来极大的方便。

(5)稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定

性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的

稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传

感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传

感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定

性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

(6)精度要求

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要

环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的

精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比

较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度

高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传

感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感

器的性能应满足使用要求。

本系统计量的设计精度为不低于5%,故理论上传感器的精度要求越高越好，但考虑到

经济性(精度越高价格也越高)，因此，在满足计量精度要求的前提下，精度尽可能的低一

些。

(7)工作温度

本系统计量对象是原油，而被计量原油的温度一般在左右，故而计量罐内温度也在左

右。一般油井出口处原油温度达不到，在进入计量罐之前需加热，使原油处于良好的流动

状态，加热时又要避免原油中的低沸点组分挥发混入天然气中被带走，综合考虑之后将计

量罐内温度定在。工作压力。

3.6.1称重力传感器的选型

本设计的料斗称量装置安装在计量罐内，安装称重传感器的机械结构适合使用测拉力

的称重传感器，因此本设计中选用的是轮辐式测拉力的称重传感器，这类称重传感器具有

低外形、抗偏载、精度高、强度好等特点。由于称重传感器处于计量罐内部，所以的工作

温度必须在之上。

量程范围：料斗的设计容积为，取原油密度，则料斗最大称油量为，最合理的称量范

围是量程的，故应该选择称量上限为的传感器。

综上所