原油自动计量系统设计与应用研究

摘要：随着自动化技术的不断进步，采油自动计量作为采油行业的重要生产环节，是油田数字化、精细化管理的核心基础设施，其重要性与必要性体现在数据精准、生产安全、降本增效、管理决策、合规与数字化转型五大核心维度，是现代油田高效、安全、可持续运营的必备保障，本文以PLC为技术核心，对自动计量控制系统的设计与应用，旨在设计一套高效、稳定和经济的设计方案。

引言

本文以多通阀作为选井作业的核心设备，通过汽水分离器滤除计量管线内的蒸汽，保障流体平稳流入流量计与含水分析仪；在此基础上对原油流量进行累计换算，最终得出精准的计量结果。设计原油自动计量系统的整体设计思路并依托现场试验，验证该PLC程序在实际工况下稳定性及工艺适配效果。

1.系统设计与实现

1.1 自动计量系统的总逻辑构架设计

自动计量系统总体架构采用分化逻辑设计可分为选井逻辑、计量逻辑、停止逻辑及故障报警逻辑，共四套逻辑。其中选井逻辑、计量逻辑为主干，故障报警逻辑贯穿始终，故障报警逻辑触发后最终指向停止逻辑。

计量思路：当上位机发下单井计量信号至PLC系统后，PLC系统会进行系统识别，需要计量的井号，通过多通阀体旋转转至设定阀位，当阀位反馈等于需设定阀位时，多通阀停止转动并触发计量程序，并在设定时间内开始计量。当计量完成后，多通回到选井步骤，继续选井。

1.2.选井逻辑设计

多通阀在计量流程中,根据型号不同有8/10/12/14/16个进油口、2个出油口（其中一个是进分离器的计量口，一个是进外输管汇的集输口）。正常工作时，8/10/12/14/16个进油口的来油有一个通过计量口进入分离器，其它进油口的来油则通过管汇口进入外输管汇。本文以16式多通阀为例，通过手动或自动方式选择某口油井的来油进入分离器，用来计量产量，其余正常外输。如下图功能表示，多通阀实质上起到了替代多井三通阀的作用，并且简化了管汇流程。

电动头带动阀芯做圆周运动，选中计量的单井来油将通过从计量线口输出，其余的单井来油均直接进入集输管汇口径输出。多通阀有5路阀位信号线，通过5路信号的排列组合来确定多通阀已转至的阀位。

1.2.1.初始运行与阀位状态校验

启动，系统开始“运行指令”。首先检查“设定阀位是否等于反馈阀位？”即确认阀门是否已到达设定阀号的位置。如果阀位设定值不等于阀位反馈值，，多通阀的电机会继续转动，流程会回环等待，持续进行判断，直到阀体转动到设定阀位的阀号与反馈的阀位的号两者相等时，电机停止运转。流程走向下一步进——计量环节。

1.2.2.计量与数值递增

计量环节，执行“计量逻辑”，进行实际的流量计量。计量完成后，执行“设定阀位+1”操作。实际操作为多通阀转向下口井的并开始相同操作

1.2.3.循环与停止

本位以16式阀位为例，判断当前的阀的设定值“是否大于16？”如果数值不大于16，数值加1。流程直接返回到最开始的“选阀”，准备进行下一次计量。

当达到16次后，系统进一步判断“是否循环计量？”如果配置为继续循环，系统执行“设定阀位值至1”然后流程回到起点的“选阀”判断，重新开始新一轮的计量。如果为非循环模式，则流程执行“停止逻辑”，系统停止运行。

系统每次运行都会先确保阀门到位，然后进行一次计量并计数。它默认以16次为一个工作周期。当一个周期结束后，如果系统设定为“循环计量”，它会自动复位计数器并重新开始；如果不是循环模式，则在完成这16次后自动停止。

图1.选井逻辑图

1.3.计量过程逻辑设定

计量过程逻辑，涵盖了从任务启动、过程计时、数据上传到任务结束及复位的全过程。具体逻辑如下：

1.3.1.任务启动与初始化

当选定目标后，正式触发“计量开始”信号。系统随即“获取计量设定时间”，即读取预设的本次计量需要持续的时长，为接下来的计时做准备。

1.3.2.计时与数据处理（核心循环）

进入“计时”阶段。在此期间，系统并行执行两项关键操作：

第一步，数据清零：为了防止旧数据干扰，在计时前系统会执行“数据清零”操作，确保本次计量结果不被上一次的所覆盖。之后系统实时进行“累计瞬时流量”的计算，将每一时刻的流量值累加，以得出总流量。当计时达到之前获取的“设定时间”后，判定为“计量完成”，如计量时长设定为60分钟时，当满60分钟后，则计量完成。

1.3.3.数据上传与状态更新

计量完成后，系统立即执行“云组态读取计量结果”，即将刚才累计好的流量数据上传至云端或上位机组态系统进行记录和展示。数据上传完毕后，执行“设定阀位+1”。这里的“设定阀位”在此处充当了计数器的功能，每完成一次计量，数值加1，用于记录已完成的计量次数或作为下一轮任务的索引。

1.3.4.循环机制

自动复位/循环：流程的最后有一条回环线，从“设定阀位+1”直接指回了起点的“选井逻辑”。这意味着在完成一次计量并更新计数后，系统不会停止，而是自动返回第一步，重新进行选井判断，准备开始下一口井或下一轮的计量任务，形成一个连续的自动化作业闭环。

1.4.停止逻辑设定

当计量程序完成一轮全井计量后未启动循环计量、系统触发报警信号时或手动触发停止按钮时，即刻触发停止逻辑，停止逻辑启动后，立即关闭选井逻辑与计量逻辑，将安全阀位数值赋值至设定阀位，待设定阀位与反馈阀位数值匹配时，多通阀停止转动，就此进入停止状态。

当报警触发、手动停止或计量计划完成不循环计量这三个条件中任意一个被满足时，执行“将安全阀位赋值至设定阀位”的操作；随后判断设定阀位是否等于反馈阀位，若判定结果为是（即设定阀位与反馈阀位相等），则执行“停止计量”动作。

1.5.故障报警逻辑设定

故障报警逻辑是保障整套计量系统安全稳定运行的核心保护机制，可有效防止仪表因高温损毁、管线因高压破损，以及阀体电机、主板被烧毁。针对稠油井计量作业的工况特点，为保障计量系统安全运行，特设定三类常见的报警保护机制，分别为高温报警、高压报警、阀体故障报警，各报警机制的设计初衷与保护目标如下：

1) 高温报警：因来液蒸汽高温易造成仪表烧毁，且高温环境会导致计量数据失准，为此设立该保护机制，规避上述双重风险；

2) 高压报警：为防止系统压力过高造成仪表、管线损坏，专门设定该保护机制，保障设备与管路的结构完整性；

3) 阀体故障报警：若多通阀因电路、信号孔等故障，无法识别设定阀位而持续转动，极易造成电机烧毁，为此设立该保护机制，对阀体电机形成有效防护。

为了保护计量设备的安全性所以设定三类报警任意一个发生都会触发停止逻辑。

该流程图描述了一个包含三个并行监测条件的报警与停机逻辑，具体逻辑表述如下：

系统会依次或并行对以下三个关键指标进行监测判断：

温度监测判断条件，计量线温度是否高于设定温度（如120℃）？

压力监测判断条件，计量先压力是否高于设定压力（如0.7MPa）？

阀体状态监测判断条件，阀体转动是否超过3分钟？（找不到制定阀位）

上述三个判断条件，只要任意一个或多个条件满足，即触发了高温报警、压力报警或阀体故障报警中的任意一项，信号就会汇聚并触发“总报警”。一旦“总报警”被触发，系统将立即执行“停止逻辑”，即停止当前的运行程序或设备运作，以确保安全。

简而言之，这是一个多重安全保护机制。系统实时监控温度、压力和阀体动作时间。一旦发现温度过高、压力过大或者阀门卡滞（转动超时），就会分别发出对应的单项报警，并最终汇总为总报警，强制系统停止运行。

2. 实验设计

2.1.系统概述与设计目标

本实验平台旨在模拟真实的油气田单井计量场景，构建一套高可靠性、高精度的自动化计量测试环境。系统设计严格遵循工业现场标准，以PLC为核心控制器，通过集成多通阀切换、高精度流量采集及含水分析技术，实现了对多口油井的轮流自动计量。该平台不仅验证了控制算法的有效性，还为后续的大规模现场部署提供了坚实的数据支撑和硬件测试基础。

2.2.硬件架构与选型配置

选用和利时LE5119系列PLC作为主控单元。该系列控制器具备强大的逻辑运算能力和丰富的扩展接口，能够完美适配多节点、多任务的复杂控制需求。其内置的高性能处理器确保了在多点并发控制下的稳定性。

利用PLC的5路DI（数字量输入）通道实时捕获多通阀阀位反馈信号（24V电压信号），精确判断阀门是否到达指定工位，同时通过DO（数字量输出）通道驱继电器，继电器驱动交流接触器来控制多通阀电机的启停，实现精准选井。

数据采集仪表选择：采用质量流量计与在线含水分析仪。流量计负责监测瞬时流量、管线压力及温度；含水仪则实时分析流体中的含水率，为计算参量及纯油量提供关键参数。

2.3.控制逻辑与底层通讯

针对工业现场的实时性要求，将PLC程序的扫描周期设定为200ms。这一设置在保证控制响应速度（如阀门动作确认、紧急切断）的同时，有效避免了过短周期带来的CPU负载过高问题，确保了系统的长期稳定运行。

PLC利用自带的RS485接口构建现场总线网络。采用ModbusRTU等标准协议，以轮询方式高效采集流量计和含水仪的内部寄存器数据，包括瞬时流量、累积流量、压力、温度、含水率。这种串行通讯方式抗干扰能力强，布线简洁，适合分散式仪表接入。

2.4.上位机系统与数据管理

上位机采用先进的云组态技术，打破了传统局域网的限制。通过4GCPE（数据传输单元）模块，PLC将处理后的关键数据打包上传至云端服务器。云平台界面直观展示了各井口的实时工况、阀门状态及计量进度，支持远程监控与故障诊断。系统配备独立数据库，用于持久化存储历史计量数据。

考虑到4G网络的带宽限制及云端服务器的资源占用，数据采集与上传频次被科学设定为1次/10s。这一策略既满足了生产报表对数据连续性的基本要求避免数据丢失，又有效降低了通信流量成本和服务器写入压力，实现了运算效率与资源占用的最佳平衡。

3.结果与讨论

经过多轮严格的选井逻辑测试与现场运行验证，系统表现稳定且各项指标均符合预设方案要求。在云组态监控平台上，不仅能够清晰查询到多通阀每日、每口油井的自动计量结果包括产液量、产油量、含水率等关键生产数据，还能通过直观的可视化界面实现对生产全过程的透明化管理。如从数据库调用结果所示表1所示：

表1.数据库计量结果值

具体而言，系统的监控与反馈能力体现在以下几个方面：

全维度数据追溯与可视化，云组态平台建立了完善的数据档案，支持对历史计量数据的深度挖掘。用户可以随时调取任意时间段、任意单井的生产曲线，对比分析产液量与含水率的变化趋势，为油井的动态分析和配产调整提供精准的数据支撑。

实时工况监测与状态感知，通过云组态的报警与监控界面，操作人员可以实时掌握系统的“健康状态”。界面动态刷新显示管线的实时温度、压力以及多通阀的当前阀位反馈。这种可视化的状态呈现，使得远程巡检成为可能，大幅降低了对现场人工巡查的依赖。

智能报警与故障快速定位，系统内置了多重安全逻辑，一旦监测数值（如超压、超温）或设备状态（如阀位超时、通讯中断）异常，云平台会立即触发分级报警机制。

闭环调控与运维优化，基于实时的报警反馈与数据分析，运维人员可以从被动响应转变为主动干预。当发现某口井工况波动或阀门动作迟缓时，可及时调整控制策略或安排针对性维护，从而有效保障多通阀及整个计量系统的平稳运行，延长设备使用寿命，确保油气计量的准确性与连续性。

4.结论

本文完成了自动计量系统的程序开发与设计，设计一个自动化的周期性计量过程。系统先确定对象并设定时间，在计时过程中同步清理内存和累积流量数据。计量完成后立即上传结果并增加计数，随后自动回到起点准备下一次任务，实现了无人值守的连续计量作业。

通过系统性测试验证了系统运行机制的可靠性、稳定性与安全性。研究结合四种核心逻辑，充分论证了该自动计量系统的技术可行性，最终形成一套高效、稳定且兼具经济性的完整设计方案。后续研究可进一步探索系统与智能化技术的深度融合路径，助力自动计量系统向更高阶的智能化方向迭代升级。

参考文献

［1］吴倩.国产PLC在水电厂快速闸门控制系统的应用［J］.水电站机电技术，2025，48（9）：19-21.

［2］吕锴.基于PLC的智能照明控制系统设计与应用研究［J］.中国照明电器，2025，（6）：156-158.