PLC 與觸摸屏在原油脫水控制中的應(yīng)用

趙現(xiàn)暉

（東北石油大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

國(guó)內(nèi)多數(shù)油田仍采用傳統(tǒng)電脫工藝除水， 但經(jīng)常存在“倒電場(chǎng)”的現(xiàn)象，影響原油脫水安全生產(chǎn)。 原油含水使得油田儲(chǔ)油罐的利用率下降，同時(shí)，含水后粘度會(huì)增大，為方便原油的集輸及脫水工藝順利進(jìn)行， 通常采取加熱的方式降低粘度，但這相應(yīng)的增加了對(duì)于加熱燃料熱量消耗，不利于節(jié)能。 含水率高會(huì)引起蒸餾塔內(nèi)水蒸氣壓力瞬間抬升，不利于安全生產(chǎn)。 PLC 為控制器、觸摸屏為參量顯示界面的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在對(duì)整個(gè)脫水系統(tǒng)的流量閉環(huán)控制、抽油泵工作方式切換、急停等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠有效避免電脫工藝的弊端。

1 系統(tǒng)原理

結(jié)合原油含水率生產(chǎn)上的要求，脫水控制系統(tǒng)被應(yīng)用于測(cè)量及監(jiān)控原油的操作溫度。 原油溫度對(duì)于換熱器入口原油電磁閥的控制目標(biāo)：原油溫度低于110 ℃，電磁閥關(guān)閉；原油溫度從110 ℃加熱到120 ℃，電磁閥開(kāi)度為0%；原油溫度高于120 ℃，電磁閥打開(kāi)；原油從120 ℃降溫至110 ℃，電磁閥開(kāi)度為100%。 按照以上的控制方案，可知原油入口電磁閥狀態(tài)控制邏輯如圖1 所示。

圖1 電磁閥狀態(tài)控制Fig. 1 Electromagnetic valve state control

整個(gè)脫水系統(tǒng)測(cè)量換熱器上的5 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，溫度信號(hào)在經(jīng)過(guò)PLC 的運(yùn)算處理，由觸摸屏在線顯示各區(qū)域原油溫度，PLC 發(fā)送控制命令用于完成抽油電機(jī)的啟停、 電磁閥的開(kāi)閉、控制方式的切換等。 PLC 與觸摸屏在串行通訊方式下，確保脫水工藝自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原油脫水控制系統(tǒng)選用U 型管式脫水換熱器作為脫水工藝裝置，其結(jié)構(gòu)為單殼程、雙管程。 換熱器左右兩端布置U型導(dǎo)熱油加熱管150 根。 整個(gè)裝置內(nèi)放置5 塊等間距的弓形折流擋板，用以改善原油的換熱效果[1]。 原油脫水系統(tǒng)控制示意圖如圖2 所示，工藝流程：1）采用導(dǎo)熱油加熱含水原油，含水原油的溫度控制進(jìn)油管線上電磁閥的開(kāi)閉；2）含水原油進(jìn)入換熱器，經(jīng)過(guò)5 塊折流板，由U 型導(dǎo)熱油管加熱后流入收集罐。 編號(hào)為TC1-TC5 熱電偶直插到換熱器下方，經(jīng)脫水后的原油輸送到外部裝置；3）產(chǎn)生的水蒸氣被輸送到冷凝水及餾分回收塔。 PLC 對(duì)于溫度、液位等進(jìn)行控制，觸摸屏作為實(shí)時(shí)顯示工藝參數(shù)的人機(jī)界面。 通過(guò)RS232 接口，PLC 將原油溫度存入對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器，觸摸屏讀取儲(chǔ)存器；閥門及抽油泵的控制由PLC 的數(shù)字量輸出DO 控制，按下控制閥門開(kāi)閉的按鈕，PLC 上相關(guān)的數(shù)字量輸出點(diǎn)接通或斷開(kāi)， 從而配合繼電器控制電磁閥及抽油泵的運(yùn)行。

圖2 原油脫水系統(tǒng)控制流程Fig. 2 Crude oil dehydration system control process

2.1 PLC

脫水系統(tǒng)選用西門子S7-200 系列PLC 對(duì)原油溫度、液位及抽油泵和閥門的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。 原油溫度控制系統(tǒng)由S7-200 PLC、抽油泵、電磁閥、液位開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。 原油的實(shí)時(shí)溫度通過(guò)智能溫控儀輸入到PLC 的模擬量輸入端，PLC 數(shù)字量輸出連接電磁閥、中間繼電器，抽油泵的啟停包含手動(dòng)和自動(dòng)，自動(dòng)方式下，由原油的液位控制。 脫水系統(tǒng)的操作面板如圖3 所示， 溫控儀用于顯示5 個(gè)指點(diǎn)位置的原油溫度；WECON 觸摸屏實(shí)時(shí)顯示脫水參數(shù)；并安裝泵、電磁閥開(kāi)關(guān)按鈕以及電源指示燈； 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA1-SA3 做工作方式的切換。PLC 與觸摸屏采用串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]，PLC 設(shè)定為主站，觸摸屏設(shè)定為從站，采用9 針的RS232 接口通訊線纜連接主從設(shè)備， 分別在觸摸屏及PLC 上設(shè)置通訊參數(shù)，使波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)格式等保持一致。

圖3 控制系統(tǒng)操作面板Fig. 3 The control system operation panel

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA1 作為進(jìn)油閥的自動(dòng)和手動(dòng)功能切換。 當(dāng)SA1 撥到自動(dòng)擋，SA1B 接通，同時(shí)SA1A 斷開(kāi)；PLC 的輸入點(diǎn)I0.6 接通，進(jìn)油閥的開(kāi)關(guān)完全受控于原油的溫度，程序內(nèi)設(shè)定的上限溫度為35 度，下限溫度為30 度，程序說(shuō)明：1）當(dāng)原油溫度小于30℃時(shí)，RS 觸發(fā)器的輸出Q0.1 為1， 中間繼電器KA2 線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA2 接通，進(jìn)油閥供電電源回路接通，進(jìn)油閥關(guān)閉；2）溫度從30℃上升到35℃過(guò)程，Q0.1仍然為1，進(jìn)油閥仍關(guān)閉；3）溫度大于等于35℃時(shí)，RS 觸發(fā)器的輸出Q0.1 為0，中間繼電器KA2 線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA2 斷開(kāi)，進(jìn)油閥供電電源回路斷開(kāi)，進(jìn)油閥打開(kāi)；4）溫度從35℃下降到30℃過(guò)程中，Q0.1 仍為0， 進(jìn)油閥仍打開(kāi)。 當(dāng)SA1 撥到手動(dòng)擋，SA1B 斷開(kāi)，同時(shí)SA1A 接通，進(jìn)油閥的開(kāi)關(guān)由操作面板的按鈕（SB4，SB5）完成。 進(jìn)油閥的程序流程圖如圖4 所示。

圖4 原油進(jìn)油閥程控流程圖Fig. 4 Crude oil inlet valve program flow chart

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA2 作為回流閥自動(dòng)和手動(dòng)功能切換，當(dāng)SA2撥 到 自 動(dòng) 擋，SA2B 接 通， 同 時(shí)SA2A 斷 開(kāi)，PLC 的 輸 入 點(diǎn)I0.7=1 接通，回流閥的開(kāi)關(guān)受控于導(dǎo)熱油的溫度，調(diào)試溫度為35 ℃，當(dāng)導(dǎo)熱油的溫度大于等于該值，Q0.2 置位接通，中間繼電器KA3 所在回路接通，KA3 的線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA3 閉合，進(jìn)而回流閥所在的供電電源回路接通，回流閥打開(kāi)。 當(dāng)導(dǎo)熱油的溫度低于該值，Q0.2 復(fù)位斷開(kāi)， 中間繼電器KA3 所在回路斷開(kāi)，KA3 線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA3 斷開(kāi)，進(jìn)而回流閥所在的供電電源回路斷開(kāi)，回流閥關(guān)閉。 回流閥的程序流程圖如圖5 所示。

圖5 回流閥程控流程圖Fig. 5 Backflow preventer program flow chart

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA3 作為抽油泵電機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)功能切換。 當(dāng)SA3 撥到自動(dòng)擋，SA3B 接通的同時(shí)SA3A 斷開(kāi)，PLC的輸入點(diǎn)I1.3=1 接通， 抽油泵的啟停完全由脫水原油的液位來(lái)控制，當(dāng)原油的液位處于下限值，對(duì)應(yīng)的下浮球液位開(kāi)關(guān)KS2 接通，KS2 接通使得I0.1=1。 當(dāng)液位處于上限值，對(duì)應(yīng)的上浮球液位開(kāi)關(guān)KS1，KS2 全部接通，Q0.0=1，中間繼電器KA1 線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA1 接通，接觸器線圈得電，主觸頭閉合，抽油泵電機(jī)啟動(dòng)。 當(dāng)原油的液位介于上下限之間，KS2 接通，KS1 斷開(kāi)；Q0.0=1，抽油泵啟動(dòng)；當(dāng)原油的液位低于下限值，KSA，KS2 全部斷開(kāi)，Q0.0=0， 中間繼電器KA1 線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA1 斷開(kāi)，接觸器線圈失電，主觸頭斷開(kāi)，抽油泵電機(jī)停止運(yùn)行。 SA3 撥到手動(dòng)擋，SA3B 斷開(kāi)的同時(shí)SA3A 接通，PLC 的輸入點(diǎn)I1.3=0，抽油泵的啟停由操作面板的按鈕（SB1，SB2）完成。抽油泵啟停控制流程如圖6 所示。

圖6 抽油泵程控流程圖Fig. 6 Pump flow chart of SPC

2.2 觸摸屏

觸摸屏讀取PLC 內(nèi)部對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)溫度值的地址，并且把地址的內(nèi)容顯示到人機(jī)界面[3]。 K 型熱電偶是溫度控制儀的輸入信號(hào)， 溫控儀輸出與溫度對(duì)應(yīng)的是4～20 mA 的電流，溫度和輸出的電流呈線性關(guān)系，電流所對(duì)應(yīng)的溫度值在智能溫控儀上設(shè)定，長(zhǎng)按“set”，把P－SH 高滿度顯示設(shè)定為30，P－SL低滿度顯示設(shè)定為10，當(dāng)熱電偶檢測(cè)的溫度為10 ℃時(shí)，溫控儀輸出4 mA；檢測(cè)的溫度為30℃時(shí)，溫控儀輸出20 mA。 溫控儀的變送4～20 mA 輸出是作為EM235 的輸入。 西門子S7－200 PLC 內(nèi)部模擬量和數(shù)字量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為4～20 mA 和6400－32000，熱電偶測(cè)量溫度與變送輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系為10～30 ℃和4～20 mA，觸摸屏上顯示的溫度即為熱電偶測(cè)量到的溫度，觸摸屏直接讀取PLC 的地址，溫度信號(hào)首先在PLC 內(nèi)被轉(zhuǎn)換為6400－32000 的數(shù)字量，通過(guò)梯形圖程序，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實(shí)際測(cè)量的溫度。 假設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為Y，溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為X， 溫度與數(shù)字量之間的線性關(guān)系為Y=（30－10）/（32 000－6 400）X+K，溫度為10℃時(shí)，電流轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量為6 400，解得K=5。 所以溫度和數(shù)字量直接的關(guān)系為Y=X/1 280+5，X－輸入電流在EM235 內(nèi)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 在STEP7 軟件上的程序如圖7 所示。

圖7 電流－溫度轉(zhuǎn)換程序Fig. 7 Current-the temperature conversion program

觸摸屏上電后，首先進(jìn)入“初始畫面”即原油脫水系統(tǒng)控制界面，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕，進(jìn)入主畫面，主畫面由系統(tǒng)控制、系統(tǒng)狀態(tài)、初始畫面組成，點(diǎn)擊“系統(tǒng)控制”進(jìn)入控制界面，進(jìn)油閥開(kāi)關(guān)按鈕，回流閥開(kāi)關(guān)按鈕，電機(jī)啟停按鈕。 點(diǎn)擊“主畫面”按鈕，將返回到主畫面，在主畫面下點(diǎn)擊“系統(tǒng)狀態(tài)”，進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控畫面，畫面實(shí)時(shí)地顯示原油及導(dǎo)熱油溫度參數(shù)。 同樣，點(diǎn)擊右下角“主畫面”按鈕，將返回到主畫面[4]。 PLC 熱電偶采集溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA 信號(hào)輸入到PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊， 在PLC 內(nèi)部經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，將實(shí)際測(cè)到的原油及導(dǎo)熱油溫度值保存到VD12，VD16，VD20，VD24，VD28，VD32 存儲(chǔ)器中，分別對(duì)應(yīng)原油的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)TC1、TC2，TC3，TC4，TC5 及導(dǎo)熱油溫度，如圖9 所示。觸摸屏和PLC 通訊成功后，PLC 將VD12，VD16，VD20，VD24，VD28，VD32 這5 個(gè)溫度值發(fā)送給觸摸屏的數(shù)值輸入/顯示控件，預(yù)先將對(duì)應(yīng)的控件與存儲(chǔ)器地址做正確的映射[5]。 實(shí)現(xiàn)了在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示溫度參數(shù)， 觸摸屏上的溫度采用32 位浮點(diǎn)數(shù)顯示，溫度值帶有一位小數(shù)點(diǎn)。 將觸摸屏上顯示的溫度與操作面板上溫控儀測(cè)到的溫度做比較，兩者一致，程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)試成功[6]。

對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)畫面下的各個(gè)按鈕作以下說(shuō)明：在使用觸摸屏的按鈕控制閥門和電機(jī)時(shí)， 需要預(yù)先將對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（SA1，SA2，SA3）撥到手動(dòng)擋。 1）首先進(jìn)油閥的開(kāi)關(guān)按鈕與PLC 的輸出點(diǎn)Q0.3 關(guān)聯(lián)，SA1 撥到手動(dòng)。當(dāng)按下“開(kāi)進(jìn)油閥”，Q0.3 復(fù)位。 中間繼電器KA7 線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA7斷開(kāi)，中間繼電器KA4 的線圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)KA4 斷開(kāi)，進(jìn)油閥打開(kāi)。 按下“關(guān)進(jìn)油閥”，Q0.3 置位。 中間繼電器KA7 線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA7 接通，中間繼電器KA4 的線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)KA4 接通，進(jìn)油閥關(guān)閉；2）SA2 撥到手動(dòng)，回流閥的開(kāi)關(guān)按鈕與PLC 的輸出點(diǎn)Q0.4 關(guān)聯(lián)， 按下 “開(kāi)回流閥”，Q0.4 置位，中間繼電器KA8 線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA8 接通，從而使中間繼電器KA5 的線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA5 接通，回流閥打開(kāi)；按下“關(guān)回流閥”，Q0.4 復(fù)位，中間繼電器KA8 線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA8 斷開(kāi)，從而使中間繼電器KA5 的線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA5 斷開(kāi)，回流閥關(guān)閉；3） SA3 撥到手動(dòng)， 抽油泵電機(jī)的啟停按鈕與PLC的輸出點(diǎn)Q0.5 關(guān)聯(lián)，按下“啟動(dòng)抽油泵”，Q0.5 置位，中間繼電器KA9 線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA9 接通，從而使中間繼電器KA6 的線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA6 接通，接觸器的線圈通電，主觸頭閉合，抽油泵電機(jī)啟動(dòng)；按下“停止抽油泵”，Q0.5 復(fù)位，中間繼電器KA9 線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA9 斷開(kāi)，從而使中間繼電器KA6 的線圈失電，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KA6 斷開(kāi)，接觸器的線圈斷電，主觸頭斷開(kāi)，抽油泵電機(jī)停止運(yùn)行。 控制回路的電氣原理圖如圖8 所示。

圖8 控制回路電氣原理圖Fig. 8 The control circuit of electric schematic diagram

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)證明，脫水系統(tǒng)的控制精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，原油脫水后含水率0.5%以下， 抽油泵對(duì)原油的液位反應(yīng)靈敏，在上下限液位點(diǎn)，抽油泵啟停正常。 溫控儀的溫度讀數(shù)與觸摸屏上的顯示誤差在0.1 ℃左右，能夠滿足原油脫水工藝要求。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可方便地實(shí)現(xiàn)功能切換，原油的溫度有效地控制電磁閥的開(kāi)閉。 PLC 與觸摸屏聯(lián)合使用，提高了原油脫水的自動(dòng)化控制水平， 可對(duì)油田上傳統(tǒng)脫水裝置進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善原油脫水的生產(chǎn)效率。

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