具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明系统设计如下：
本发明结构框图如图1所示，核心部件采用PLC 1及其数字量扩展模块8，PLC 1具备两个串行通信口，PLC 1通过串行通信口0与质量流量计11连接，串行通信口1与GPRS无线模块2连接；PLC CPU模块1使用扁平电缆连接位于其右侧的数字量扩展模块8，经过串行I/O总线连接扩展从站模块6，并由扩展从站模块6的通信口与触摸屏7连接；CPU模块1及其数字量扩展模块8输入端连接井位传感器9，输出端连接电动机继电器5、蜂鸣器4和油井位置指示灯3，模拟量输入模块输入端连接压力传感器10。
本发明系统工作过程如下：
本发明选用选井阀组13作为油井来液的计量集输装置，选井阀组13内部设计有光电开关传感器，用来检测油井位置。PLC 1控制电动机继电器5线圈通电和断电，从而控制电动机的旋转与停止。电动机与选井阀组13的转轴相连，选井阀组13的阀芯随电动机转轴旋转，阀芯上安装有若干管路接口，其中一个管路接口与选中计量油井的原油出口管路相接，实现该管路单独导通。其余各个管路接口与油井原油入口相连，其油井来液在选井阀组13中部汇合后由总输出口输出。当程序指定一口油井进行计量时，PLC 1对电机继电器5发出信号，电动机带动阀芯旋转，当阀芯到达目标井后，被选中计量的单井来液将通过阀芯从原油出口管路输出，经两相分离装置高效分离后，液相进入质量流量计11进行计量。PLC 1将计量结果传送给触摸屏7和井队数据中心12。确认该井计量完后，PLC 1再给选井阀指令到下一口油井，这样周而复始地循环完成多个油井的单井产量自动选井计量工作。
在本发明中，触摸屏7变量地址与PLC 1存储器地址一一对应，两者硬件连接完毕以后，触摸屏7不仅实时显示现场设备PLC 1的开关量状态和数字变量的值，而且监控PLC 1的运行状态。触摸屏7初始画面设计有4个按钮，分别对应4个主要画面，即计量信息画面、参数设置画面、历史数据查询画面和报警记录画面。其中，
计量信息画面用来显示油井运行参数，主要包括当前计量油井的井号、质量流量计11测量的瞬时值(液量、密度、温度)、PLC 1计算结果(瞬时含水率、日累计液量、日均含水率)、计量时间或准备时间，以及已经计量或准备的时间。当装置处于准备状态时，显示设定的准备时间和已经准备的时间；当装置处于计量状态时，显示设定的计量时间和已经计量的时间。“计量信息”画面，设计有3个图形按钮，分别用来激活选井和时间设定画面、历史数据查询画面和报警记录画面。
参数设置画面用来设置计量参数和报警参数。计量参数包括水密度、油密度和计量修正系数。之所以需要修正计量系数，是因为，在实际测量混合物的含水率时，由于每口油井产出液的温度、压力和含水量等各不相同，即使是同一个计量站的几口油井，它们各自的纯油和纯水的密度都有所不同，而且同一口井的这两个参数在不同时期也存在着差异。为了保证计量精确性，必须结合油品情况并进行大量的试验，以确定较为准确的计量修正系数。报警参数包括压力高报警、温度低报警、流量低报警、压力高时间、温度低持续时间、流量低持续时间。所谓温度低报警、流量低报警、压力高报警，是指单井温度、流量、压力超过了触摸屏7上设定的相应数值，并且温度低、流量低状态持续时间超过了设定的时间范围。
历史数据查询画面用来展示历史数据，历史数据包括采集时间、日累计液量、日均含水率、日累计油量、日均温度、日均压力。日平均数据和日累计数据是根据质量流量计11读出的瞬时数据，在计量时间内经过计算得到的平均值。为了使触摸屏7设计简单美观，15口油井共用一个“历史数据查询”画面。单井计量过程中，PLC程序将各油井的历史数据传递到公共变量中，在查询某口油井的历史数据时，将该井的历史数据显示出来，这样也使得变量数目大大减少。
报警记录画面用来显示报警信息，包括报警时间、报警油井井号和报警类型；由于PLC 1传递字符串时，传递数字而不传递汉字，故将类型代码1，2，3，4，5代表的报警类型提前输入到触摸屏7上，用户只要将PLC 1传递的代表报警类型的数字与触摸屏7上数字对比，就知道报警类型。清晰的报警信息便于工作人员检查和维修设备。
本发明采用质量流量计11作为数据采集模块，它可以直接测量质量流量，测量精确度高，可测量流体范围广，同时可做多参数测量，如测量密度、温度。利用一台质量流量计11就能完成通常由流量计、含水分析仪、密度计、温度计等多台仪表才能完成的工作。在使用质量流量计11之前，需要先设置通信参数，包括通信协议、变送器地址、串口波特率和校验方式。必须保证质量流量计11与PLC 1两者通信参数一致，否则不能通信。采用质量流量计11组成的计量系统，可以满足不同流量下油水含量的计量，为分析油井动态状况提供可靠的依据。
PLC模块1是整个控制系统的核心，控制信号来源是油井位置传感器9。油井位置传感器9实际上是光电开关传感器。当选井阀组13的阀芯转动阻隔光电开关传感器的光路时，PLC 1通过监测输入引脚电平的高低就可以识别出阀芯的当前转动位置，如果到达了目标油井位置，则开始计量；如果没有到达目标油井位置，则电动机继续转动，直到到达目标位置为止。PLC模块1的主要功能为：
(1)PLC 1与质量流量计11通信：选井阀组13的阀芯到达计量井位位置后，PLC 1调用协议指令库，与质量流量计11通信，定时读取采集数据，包括瞬时流量、密度和混合温度，将采集到的数据存储在固定V区域中。
(2)计算计量结果：根据质量流量计11采集的混合密度，结合触摸屏7中输入的水密度和油密度，利用公式(1)计算含水率：
含水率＝水密度*(混合密度-油密度)/混合密度*(水密度-油密度) (1)
利用公式(2)(3)得到含油量和含水量：
含油量＝液相质量总量*(1-含水率) (2)
含水量＝液相质量总量*含水率 (3)
其中，液相质量总量是由质量流量计11测量得到质量流量。
利用公式(4)(5)(6)得到日累计液量、日均含水率和日累计油量：
日液量＝(∑Qi/∑Ti)*86400 (4)
日含水率＝(∑(Qi*Ki)/∑Qi)*100％ (5)
日油量＝液相质量总量*(1-含水率) (6)
其中，∑Qi是计量时间内某口油井的瞬时液量总和；∑Ti是某口油井计量时间；Ki是瞬时含水率。
(3)扩展从站模块6与触摸屏7通信：计量过程中，PLC将计量结果传递至触摸屏7“计量信息画面”显示；计量完毕后在“历史数据查询”画面展示历史数据；若出现报警故障，PLC 1将报警信息发送至触摸屏7，方便用户查看。同时，触摸屏7可以控制PLC 1的运行状态，如选井、设定准备和计量时间、设定参数等。
(4)PLC 1与数据中心12无线通信，通过GPRS模块2将计量结果远程传输至井队数据中心12，以便井队管理人员及时掌握生产状况。同时，井队管理人员可以发送命令控制PLC 1，包括选择需要计量的油井、设定参数、设置准备时间和计量时间等。
(5)PLC 1控制计量油井的顺序，通过选井阀组13完成油气单井计量以后，PLC 1发出指令转入到下一口油井进行计量，完成多油井自动连续计量；在电动机带动阀芯转至下一口油井的过程中，下一口选中计量的油井位置指示灯3每秒闪烁一次。
(6)若计量过程中发生超限报警事件，则蜂鸣器4发出声音报警，触摸屏7上显示报警信息，报警信息包括报警时间、报警油井井号和报警类型；同时，PLC 1根据报警类型，控制电动机动作，若在计量某口油井过程中，发生温度低报警、流量低报警或压力高报警，则不再计量该油井，电动机带动阀芯转至下一口选中油井计量；若发生选井阀故障，即在选井过程完成的条件下，在电动机旋转一周的时间内，阀芯没有到达任何油井位置，则电动机停转，等待检修，触摸屏7上出现报警信息；若连续3口油井超限报警，则装置不再计量，电动机直接转至空位，停止。排除故障后，点击触摸屏上“停止报警”按钮，则再次重新启动可编程序控制器程序。
本发明采用GPRS无线模块2将PLC 1计量结果，包括液量、含水率、温度和压力，传递到井队数据中心12。为保证数据传输的可靠性，系统采用TCP(传输控制协议)通讯协议。在数据传输开始之前，首先由数据中心12作为服务器端等待无线模块2的连接，两端经过三次握手协议后建立TCP连接。此后采集站PLC 1就可以将需要发送的数据通过通讯线先传输给无线模块2，由无线模块2再发送给数据中心12。由于数据是允许双向传输的，所以数据中心12可以沿着相反的方向主动向采集站PLC 1发送查询命令或配置数据，包括选井、设置参数、设置准备时间和计量时间等。
本发明系统控制程序设计如下：
PLC 1控制程序由主程序和子程序两部分组成，系统的体系结构如图2所示。按功能模块划分，PLC 1控制程序可分为4个模块，包括数据采集模块、油井位置控制模块、计算处理模块和数据传输模块。其中，数据采集模块由图2所示的读数据子程序完成，PLC 1从质量流量计11读出瞬时流量、温度、密度等数据后，通过质量流量计内部定义的协议，由串行通信口上传至PLC 1。PLC 1接收瞬时数据，结合触摸屏7上输入的已有数据，在计算程序模块计算瞬时数据和日累计数据。数据采集模块和计算程序模块都由井位控制模块所调用，井位控制模块包括图2所示的各井子程序和位置控制程序。各井子程序将计算程序模块计量的结果发送到触摸屏7显示并存储，最后通过无线模块2把油田计量站数据传到井队数据中心12，并随时准备接受远程井队数据中心12通过无线模块2发送的命令和参数。
本发明PLC 1控制过程如下：
PLC 1控制程序流程图如图3所示，控制过程按如下步骤执行：
(1)调用“时间同步子程序”，实现PLC 1与触摸屏7时间同步。触摸屏7断电后，其内部时钟就会丢失，回到出厂时的状态。用PLC 1的时间同步触摸屏7系统时钟，同时可以在触摸屏7上修改PLC 1的时钟，从而间接地修改了触摸屏7的系统时钟。时间同步以后，触摸屏7就可以显示当前时间，同时获得采集数据的时间和报警时间。
(2)调用“井号设定子程序”，此程序用于修改油井的井号。现场油井的使用状态有时需要调整，可以将以前计量油井的井号更改为“备用”状态，也可以为原来“备用”状态的油井设置井号并计量该油井。在PLC 1程序中修改井号，触摸屏7上显示的井号也相应改变，达到随时修改油井号的目的。
(3)调用“选井子程序”，PLC 1读入触摸屏7上选井情况，若用户修改了选井情况，则下一循环周期PLC 1按照用户指定顺序计量。
(4)调用“量程换算程序”，压力传感器10将压力转换为标准量程的电流信号后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与压力成正比的数字量。量程换算指令将模拟量输入信号转换为压力信号。
(5)调用“顺序计量程序”，根据选井情况，依次计量各油井。顺序计量过程为：操作人员在触摸屏上点击“计量”按钮，启动顺序计量的起始条件，若此时选井阀阀芯不在任何一口井位置，则电机带动阀芯旋转，直到到达了K号井。若用户选择了K号井，则调用K号井子程序，计量该油井，计量过程为：电动机继电器5线圈通电，电动机转动，带动计量集输装置的旋转体将需要计量的支线与计量分管导通，形成密闭计量通道，实现该支线介质的单独计量；其他支线来介质经旋转式分配器汇合后由总输出口输出。在K号井计量完成后，触摸屏7显示瞬时含水率、日累计液量、日均含水率等计算数据；同时，PLC 1发送指令转入到下一口井进行计量；若没有选择K+1号井，则判断是否选择了K+2号井，若选择了K+2号井，则调用K+2号井子程序，计量该油井，计量过程同K号井；若没有选择K+2号井，则依次判断是否选择了下一口井，直至15号井。若选择了15号井，则调用15号井子程序，计量该油井，计量过程同K号井，若没有选择15号井，则返回1#井，继续判断选井情况。如此周而复始顺序计量各个选中油井，完成多口油井自动连续计量过程。
(6)调用“读数据子程序”，PLC 1调用通信协议指令库，每秒钟从质量流量计11地址单元读一次瞬时流量、密度、温度等数据并将数据存储在相应存储器中。
(7)若在计量某口油井过程中发生压力高报警、温度低报警或流量低报警，则不再计量该油井，蜂鸣器4声音报警，电动机转至下一选中油井计量，同时将报警信息(包括报警时间、报警油井井号和报警类型)传递至触摸屏7显示；若发生选井阀故障，即在选井完成的条件下，在电动机旋转一周的时间内，阀芯没有到达任何一口油井，则电动机停转，等待检修，触摸屏7上出现报警信息；若连续3口油井超限报警，则装置不再计量，电动机直接转至0位，停止，同时蜂鸣器4声音报警，PLC 1将报警信息传递至触摸屏7。检修以后，点击触摸屏7上“停止报警”按钮，则再次重新启动程序。
(8)调用“计算程序”，PLC 1将从质量流量计11中读出的数据应用于计算程序中，并结合触摸屏7上输入的已有数据，根据公式，计算瞬时含水率、日累计液量、日累计油量等重要数据。
(9)调用“数据查询”子程序，将计算结果传递至触摸屏7显示，通过点击各油井“数据查询”按钮，将采集时间、日累计液量、日均含水率、日累计油量、日均温度、日均压力等数据直观展示。
用户操作过程按以下步骤执行：
(1)时间同步：触摸屏7主画面左上角设计有“设置时间”按钮，该按钮点击事件激活“时间设置”画面。在该画面IO域设置当前时间，并点击“OK”按钮。同时，在触摸屏7“区域指针”页内，建立“日期/时间PLC”，指向PLC 1中存放时间信息的区域。
(2)选井：在触摸屏7“计量信息”画面，设计有一个图形按钮，点击图形按钮，进入“计量时间设定”画面。在该画面设计有15个选井按钮，对应15口油井，这些按钮为取反按钮，可以选择和取消某口油井的计量。例如1号井选井按钮，对应变量M1.1，当M1.1为1，表示选择了1号井，再次点击该按钮，M1.1为0，表示取消计量1#井。同样，可以点击不同的选井按钮，以增加或减少需要计量的油井个数，即使某口油井正在计量过程中，也可以取消计量，那么该井油井位置指示灯3熄灭，电动机旋转，转至下一口选中油井计量。
(3)设定准备和计量时间：在“计量时间设定”画面，每个选井按钮下方都对应一个IO域，用来输入每口选定油井需要计量的时间。取计量时间内采集到的数据平均值，换算为日数据。“计量时间设定”画面设计有“准备时间设定”按钮，点击此按钮，即可切换到“准备时间设定”画面。在此画面IO域输入每口选定油井的准备时间，为了提高计量精度，准备时间至少为30分钟。
(4)输入计量和报警参数：在触摸屏7参数设置画面输入计算程序需要的计量参数和超限报警参数。计量参数包括水密度、油密度和计量修正系数。其中，计量修正系数的具体数值由化验含水来确定。在正确温度和压力参考下取样试验，将测量含水值与实际含水值相比较，调整计量修正系数，将误差调整到标准允许范围内。由于每口油井的地质情况、含气量不同，每增加一口新井，必须重新测定其油密度和水密度，并输入准确的计量修正系数。报警参数包括压力高报警、温度低报警、流量低报警、压力高持续时间、温度低持续时间和流量低持续时间。当单井压力高于触摸屏7上设定的数值，温度、流量低于触摸屏7上设定的数值，并且压力高持续时间、温度低持续时间、流量低状态持续时间超过了设定的时间范围，则蜂鸣器4声音报警，触摸屏7显示报警信息。
(5)设置质量流量计11与PLC CPU模块1通信参数：通信参数包括通信协议、变送器地址、串口波特率和校验方式。本发明中采用的质量流量计11数字通信协议为MODBUS协议，从站默认地址为1，串口波特率指定为9600，校验方式为奇校验。必须保证质量流量计11与PLC CPU模块1两者通信参数一致，否则不能通信。
(6)启动PLC 1程序：将模式选择开关置于“RUN”位置，启动PLC程序，PLC 1控制电动机旋转，依次计量选中油井，实现多井自动计量。操作人员根据现场情况，选择需要计量的油井，包括步骤：
点击选井按钮，取消需要计量的油井；
点击选井按钮，增加需要计量的油井；
点击选井按钮，取消正在计量的油井。
同时，用户可以随时修改准备时间、计量时间、计量参数和报警参数。
(7)查看历史数据，点击初始画面“数据查询”按钮，进入“历史数据查询画面”，该画面有15个选择按钮，对应15口油井，点击任何一个选择按钮，就可以进入该井的“各井历史数据”画面，显示该井最近14次采集记录，包括采集时间、日累计液量、日均含水率、日累计油量、日均温度、日均压力。用户可以对比各个时段各井产量变化，以直观掌握油井生产情况。
(8)查看报警记录：点击初始画面“报警记录”按钮，进入“报警记录”画面，查看报警情况，分析报警原因，采取适当措施解决报警故障。如果出现选井阀故障报警或连续3口井出现报警信息，电动机停转，阀芯停止在0位，维修人员检修完毕后，点击触摸屏7上“停止报警”按钮，再次启动PLC 1程序。
(9)修正计量系数：在实际测量混合物的含水率时，即使是同一个计量站的几口油井，它们各自的油密度和水密度都有所不同，而且同一口井的这两个参数在不同时期也存在着差异。所以必须周期检查质量流量计的计量结果，以确保计量精确性。在计算含水率时，输入的油、水密度的值，尤其是油密度的值，必须结合油品情况并进行大量的试验。操作方法是，在一定温度下，利用质量流量计测量某口油井的原油密度，并设定油密度，测量含水率。同时，对同一口油井，现场加密取样后用准确度为±1％的石油含水电脱分析仪测量的含水率，与质量流量计检测结果相比，若后者较大，说明油密度设置偏低，调整修正系数，使两者差距减小，直到达到误差范围内。相反，若质量流量计测量含水率比实际含水率小，说明油密度设置偏高，调整修正系数，将误差调整到标准允许范围内。