PLC在油田油水分离控制系统中的应用

               

其中游离态水脱除区和复合电脱水区的主要设备分别为游离态水脱除器和复合电脱水器。在这两种设备中，原油和水的分界面以及罐和输油管线内的压力的准确检测，是保证这两设备油水分离工艺效果的关键。油水界面高度一般采用放水阀调节，罐内和输油管内压力由油出口调节器调整。而实际上这两个参数存在着相互关联和影响的关系，因此设计的自动控制系统必须对这两个参数的相互影响关系进行综合考虑，从而使构建的控制系统更加稳定而合理的运行。

对于加热区而言，其主要作用是将原油加热到一定的温度以便于复合电脱水器的进一步作业。而温度的控制时加热工艺的关键，温度太低会对下一个关节的工艺效果造成不良影响，温度太高又会浪费电能。因此在油水分离控制系统的设计过程中，应该充分关注原油脱水工艺的温度要求，以达到对加热器的精确自动化控制，以达到节约能源的目的。

净化油输出区由净化油罐和缓冲罐组成，其中需要控制的参数时缓冲罐的出口流量，而缓冲罐的出口流量又与油出口调节阀的开度和输油泵的转速有关，因此只要对反应油出口调节阀开度的缓冲罐液位和压力及反应输油泵转速的变频器输出给定进行控制就能够达到要求。

二、控制系统的总体构成

联合站一般由相距较远的几个工作区组成，因此油水分离控制系统就要实现在总控室和各工作区都能对整套装置的运行状态实现自动监控，并能够按照检测获得数据对其进行自动控制。为了满足以上要求我们在总控室以工控机作为上位机，以Rockwell Automation的SLC500 PLC为下位机，工控机和SLC500 PLC之间采用DH+网搭建数据通信网络，实现过程控制数据从下位机向上位机的工控机上传，同时实现将操作人员在工控机上进行的操作指令向位于下位的SLC500 PLC发送，使SLC500 PLC按照该操作指令对各生产环节进行远程控制。

由于联合站的各工作区之间一般都有较远的距离，为了实现工作区和总控室之间的信息交互，在距离较远的工作区和总控室之间，需要搭建DeviceNet网络。DeviceNet网络是基于现场总线技术的开放性网络系统，它具备布线方便、节点扩展性强的优势，它的节点数最多可以扩展到64个，且所有节点都支持I/O和热插拔，这就对在线修改网络配置提供的便利，此外它的使用性很强，对低端设备、变频器和操作终端都可以实现连接。

在硬件位置设置上，将工控机和SLC500 PLC安装于总控室，这样可以方便SLC500 PLC通过本地的I/O模块对就近的复合电脱水区和加热区设备进行直接控制。将用于游离水脱除区的液位、压力数据采集和调节阀控制信号输出的现场Flex I/O作为DeviceNet网络的一个节点。净化油输出区主要数据采集和控制装置有Flex I/O、变频器、人机接口界面（Panel View1400），其中的Flex I/O用于对该区的液位、压力等数据采集和调节阀、变频器控制信号的输出模块，并将这些装置挂在DeviceNet网络上形成一个独立站点。将人际界面接口Panel View1400设置在净化油输出区是为了操作人员能在该区对整个系统进行远程控制。控制系统的硬件构成如图2所示。                                                                               

                                         图2：油水分离控制系统硬件构成图

前文已近说明了油水分离控制系统中需要监控的主要参数有：油水界面高度、液位、温度、压力和流量等，这些参数的采集由相应的仪表或传感器完成，其中的流量则由变频器的输出反馈检测获得，由这些数据采集设备获得的数据信号首先会被转换成4~20mA的电流信号，再将该信号输送给SLC500 PLC的本地输入模块或者DeviceNet网络上的Flex I/O输入模块，并且为了保护设备在期间要加入安全栅。控制信号同样是4~ 20mA的电流信号，并通过对应的输出模块输出到相应的执行机构完成控制功能。

三、程序编制

软件系统由SLC500 PLC控制程序和显示操作程序两部分组成。其中的控制程序使用Rockwell的Rslogix500软件编制，实现生产过程数据采集和相关控制功能。显示操作程序又包括工控机和人机接口界面，工控机的显示操作程序采用Rockwell的RSView32TM组态软件编制，实现对各类现场参数的显示、控制和编制报表等功能。在Panel View1400上采用Panel Builder软件编制其显示和控制画面，实现生产过程的远程监控功能。

（一）SLC500 PLC控制程序

SLC500 PLC的主程序由现场数据采集、过程控制和报警控制等三部分程序构成。在数据采集程序中要实现现场信号的采集、整定转化及发送给上位机和人机接口界面用于显示。并且要完成将各种控制设置值转换成PLC能够处理的数字量的工作。为了确保现场采集数据不受各种干扰源的干扰而失真，还需要再数据采集程序中加入滤波程序，滤波程序的处理流程如图3所示。

                              图3 滤波程序流程图

过程控制程序的主要功能是对液位、压力等参数进行PID调节控制。SLC500 PLC中专门设置有PID调节的指令模块，PID指令模块的执行过程和传统的汇编语言中对函数的调用过程相类似，此处不再赘述。为了在紧急情况或是控制系统出现故障时能够进行应急操作控制，有必要设置一个旁路控制方式，即实现手动控制和自动控制的转换，在旁路控制方式时通过手动方式对系统进行控制，而自动控制方式则由PID调节器按照控制流程实现自动调节控制。

报警控制程序中设置了上限报警和下限报警两种报警状态，并且为了达到对异常情况声光报警的要求，在现场设置了红黄绿三色指示灯和能够发声报警的蜂鸣器，同时为了对蜂鸣器报警及时复位，设置了消音按钮。报警控制程序如图4所示。

                                 图4：报警控制程序 

            程序首先把采集到的各类现场数据和预先设置好的上、下限控制值（阀值）做比较，如果某个现场数据超出超出限制阀值，则输出高电平给用于控制相应报警指示灯和蜂鸣器的中间继电器使其吸合，将报警指示灯点亮，同时使蜂鸣器鸣叫实现声光报警，工人员听到声音报警信号后按下消音按钮就可以将蜂鸣器关闭，而指示灯仍然处于点亮状态，如果想让指示灯熄灭，工作人员必须详细的查找报警原因，并采取必要措施使异常情况得到回复后，指示灯才会自动熄灭。当整个系统中没有超出阀值的异常信号时，绿色指示灯常亮，这是表示整个系统处于正常的运行状态。此外，为了确保油水分离系统安全，在报警程序中还对关键的参数报警设计了自动回复功能，从而实现当出现紧急情况时，无需人为操作，系统便可以自动采取措施进行应急处理。比如：油水分离系统正常运行时，必须确保油出口管汇压力保持在其阀值以内，而该压力如果过高而未及时恢复则会引发严重后果，因此通过程序的自动回复应急处置功能可以自动加大调节阀的开度和外输油区的变频器给定（转速），达到及时降低压力保护阀件和防止原油泄露的目的。

（二）显示操作程序

上位机和人机接口界面中的现实操作程序采用Rockwell Automation提供的Rsview32TM组态软件来编制，其显示操作程序主要由各种界面组成，其中有现场工艺参数的显示界面、PID调节控制的手动操作界面和自动控制模式切换、报警监视界面等。而上位机的显示界面又包括参数的汇总、参数设置、历史数据记录和归档、趋势图显示、报表打印输出等界面。鉴于RSView32TM具有的强大的图形处理能力，可以把各个工艺流程编制成形象、直观的流程图以便于工作人员对现场工艺状况的监视和控制，同时考虑到PanelBuilder软件在图形处理方面的局限性，可以将RSView32TM中编制好的流程图，通过DeviceNet网络导入到PanelBuilder程序中，使其作为PanelView的背景画面，从而使上位机和人机接口界面具有相同的显示操作界面，以方便操作人员操作和监控。

四、结束语

该油水分离控制系统投运后的应用效果充分证明，该系统具有几个方面的特点，一是由于该系统采用PID调节控制模式，可以实现各参数的平稳、精确控制，实现了良好的控制品质；二是控制系统具有的功能齐全，人机界面友好，工作人员操作起来方便，监视和控制画面美观、形象，操作方法易学易懂；三是系统提供的强大的数据处理能力使班报、日报和历史趋势曲线以及重要报警信息的查询和保存变得十分方便并且可以根据需要随时进行打印输出；四是由于系统采用DeviceNet网络，为控制方案调整、增加控制节点或扩大控制能力提供了便捷的方法。总之，该系统投运后必然会为减轻工作人员的工作强度和提升油田企业降本增效的能力都具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]钟秋海.现代控制理论[M].北京:高等教育出版社2004,(11).

[2]牛国新,王育欣,姜国强. 油水分离控制系统设计与应用[J].装备制造技术,2008,3.

[3]史黎岩.油田油水分离控制系统信息化建设[J]. 内蒙古石油化工,2007,8.

[4]Rockwell Automation SCL500 Instruction ReferenceMan-ual[M/CD].2000,1.