海洋石油平臺(tái)的水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王慧

（博邁科海洋工程股份有限公司，天津 300457）

海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)中的水處理主要是通過(guò)采用各種技術(shù)將生產(chǎn)水中的油分離出來(lái)，盡可能地降低油的含量，從而達(dá)到符合可以直接排放到海洋的油含量標(biāo)準(zhǔn)。而隨著科技的不斷發(fā)展，PLC這種編程邏輯控制器因其準(zhǔn)確的控制功能，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中不斷得到應(yīng)用。

1 加氣浮選水處理系統(tǒng)的工藝流程

海洋石油平臺(tái)的生產(chǎn)水加氣浮選處理工藝過(guò)程如圖1所示。此處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)的加氣浮選處理，首先將空氣和生產(chǎn)水注入第1個(gè)加氣浮選罐，然后將經(jīng)過(guò)處理后降低了油含量的生產(chǎn)水注入到第2個(gè)加氣浮選罐中，將此罐中剩余的油水混合物排放到指定的收集罐中。再將空氣和第1個(gè)罐中降低了油含量的生產(chǎn)水注入到第2個(gè)加氣浮選罐中，然后將經(jīng)過(guò)處理后符合排放要求的生產(chǎn)水排放到大海里，將此罐中剩余的油水混合物排放到指定的收集罐中。

圖1 水處理系統(tǒng)工藝流程

2 控制系統(tǒng)的硬件組成

該海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)的生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，全部采用自動(dòng)化控制以實(shí)現(xiàn)全部的功能，將所有安裝的測(cè)量?jī)x表及調(diào)節(jié)閥通過(guò)儀表電纜連接到本地控制盤上，然后通過(guò)本地控制盤中的PLC及觸摸屏（HMI）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)控制。目前市場(chǎng)上可供選擇的本地控制盤的防爆形式很多，考慮到海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)上生產(chǎn)水的處理工藝及該系統(tǒng)實(shí)際使用的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，本次選用了正壓防爆形式的本地控制盤。該正壓本地控制盤的工作流程如下。

（1）接通控制盤的主電源。（2）當(dāng)主電源接通后，盤柜上安裝的控制器便會(huì)得電，控制器輸出信號(hào)給控制盤上的電磁閥，電磁閥控制本地控制盤柜上的壓力調(diào)節(jié)器，并向盤柜內(nèi)部填充儀表氣，當(dāng)盤柜內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值，盤柜內(nèi)部的PLC才能得電，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始工作。（3）在系統(tǒng)工作的過(guò)程中，控制器不斷檢測(cè)盤柜內(nèi)部的壓力值，壓力值低于設(shè)定值，控制器輸出信號(hào)給電磁閥，電磁閥控制盤柜上的壓力調(diào)節(jié)器，并向盤柜內(nèi)部填充儀表氣，使盤柜內(nèi)部壓力升高，這樣就可以一直保持盤柜內(nèi)部的壓力能夠滿足工作要求。（4）如果控制盤內(nèi)部的壓力過(guò)低，不能滿足控制盤的工作壓力要求，則會(huì)發(fā)出一個(gè)故障報(bào)警信號(hào)，但是系統(tǒng)不會(huì)停止運(yùn)行。此時(shí)工作人員就需要去現(xiàn)場(chǎng)對(duì)本地控制盤進(jìn)行檢查，查找出故障原因，進(jìn)行修復(fù)，從而保障系統(tǒng)的運(yùn)行。

控制盤的主要技術(shù)參數(shù)有：（1）控制盤應(yīng)用于Zone2的海洋環(huán)境。（2）施耐德的斷路器。（3）控制盤的供電電源為110V AC。（4）控制盤的主電源供電頻率為48～62 Hz。（5）控制盤的內(nèi)部設(shè)有2個(gè)接地排，分別為電氣接地和保護(hù)接地，接地排的材質(zhì)為鍍錫銅。（6）本控制盤采用的是正壓形式。（7）控制盤的防護(hù)等級(jí)為IP56。（8）控制盤的安裝方式為立式安裝。（9）控制盤的柜體材質(zhì)是2 mm后的316L SS。（10）控制盤的柜體大小為1100mm x 600mm x 300mm。（11）控制盤采用底部進(jìn)線的設(shè)計(jì)。（12）控制盤的內(nèi)部有壓力檢測(cè)設(shè)計(jì)，帶有壓力報(bào)警設(shè)計(jì)。（13）控制盤具有自動(dòng)的吹掃功能。（14）控制盤配有觸摸屏。（15）控制盤底端距離接線端子至少200mm。（16）控制盤的重量約為130 Kg。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自動(dòng)控制運(yùn)行，還選用了施耐德的PLC、觸摸屏、電源、輸入輸出卡件、通訊電纜等實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的本地控制。該系統(tǒng)的控制輸入、輸出信號(hào)如圖2所示。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)圖2所示的自動(dòng)控制功能，本系統(tǒng)的硬件配置如下：PLC CPU一個(gè)，4路模擬量輸入/2路模擬量輸出模塊2個(gè)，觸摸屏1臺(tái)，并配有其它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能的輔助元器件。PLC及觸摸屏的技術(shù)參數(shù)有：（1）施耐德的PLC CPU：1個(gè)型號(hào)為TM218LDAE40DR的CPU。交流，24點(diǎn)輸入，14點(diǎn)繼電器＋2點(diǎn)晶體管輸出，螺釘端子，內(nèi)置以太網(wǎng)。（2）施耐德的PLC AI/AO：2個(gè)型號(hào)為TM2AMM6HT的AI/AO 卡件。4路輸入，0～10V或0～20mA，12位精度；2路輸出，0～10V或4～20mA，12位精度。（3）施耐德的觸摸屏：1臺(tái)型號(hào)為HMIGTO2300的觸摸屏。5.7" 65k色觸摸屏，USB，2個(gè)串口。

圖2 控制輸入輸出信號(hào)

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)描述

海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)除了需要具備一定的硬件設(shè)備配置外，還需要具備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制這些硬件的軟件程序。本系統(tǒng)的自動(dòng)控制軟件的設(shè)計(jì)，主要是完成采集與處理系統(tǒng)內(nèi)儀表的模擬量和調(diào)節(jié)閥的數(shù)字量信息，從而完成系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制及系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)描述

本自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC應(yīng)用程序是基于施耐德的PLC軟件來(lái)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)控制。以下是本控制系統(tǒng)的控制邏輯。

（1）首先給本地控制盤提供110V AC主電源，此時(shí)本地控制盤面上的上電指示燈會(huì)顯示為紅色，代表此時(shí)盤柜的主電源已經(jīng)接通，但此時(shí)系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)。（2）在本地控制盤柜的盤面上設(shè)置了系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，工作人員可以按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，此時(shí)本地控制盤得電，繼而使得PLC得電，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行?？刂票P面上的系統(tǒng)運(yùn)行指示燈會(huì)變成綠色，代表此時(shí)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)。（3）系統(tǒng)正常運(yùn)行后，就需要PLC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制。如果加氣浮選罐1中液位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的液位高高值，則將該罐上的液體排出，管線上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)大，加快罐內(nèi)液體的排放速度，將罐內(nèi)的液體液位降低；如果加氣浮選罐1中液位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的液位低低值，則將該罐上的液體排出，管線上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)小，降低罐內(nèi)液體排放的速度，將罐內(nèi)的液體液位升高。如果加氣浮選罐2中液位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的液位高高值，則將該罐上的液體排出，管線上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)大，加快罐內(nèi)液體排放的速度，將罐內(nèi)的液體液位降低；如果加氣浮選罐2中液位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的液位低低值，則將該罐上的液體排出，管線上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)小，降低罐內(nèi)液體排放的速度，將罐內(nèi)的液體液位升高。如果符合排放要求的生產(chǎn)水流經(jīng)的管線中壓力值達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的壓力高點(diǎn)，則將該管線上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)大，增加管線的液體排放能力，從而降低管線中的壓力值；但如果符合排放要求的生產(chǎn)水流經(jīng)的管線中壓力值達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的壓力低點(diǎn)，則將該管線上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)小，降低管線的液體排放能力，從而升高管線中的壓力值。通過(guò)幾個(gè)調(diào)節(jié)閥的精確調(diào)節(jié)功能保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確運(yùn)行。（4）系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中還有一些流量，壓力的高低值報(bào)警功能，通過(guò)報(bào)警功能，如果一旦發(fā)生報(bào)警，本地控制盤上設(shè)置的蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，提醒現(xiàn)場(chǎng)的工作人員得知系統(tǒng)運(yùn)行已出現(xiàn)故障，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。（5）在系統(tǒng)控制盤柜的盤面上設(shè)置了緊急停止按鈕，如果有緊急情況需要停止系統(tǒng)的運(yùn)行，工作人員可以通過(guò)按下緊急控制按鈕來(lái)停止系統(tǒng)的運(yùn)行，此時(shí)控制盤面上的系統(tǒng)停止指示燈會(huì)變成紅色，代表此時(shí)系統(tǒng)已停止運(yùn)行。此緊急控制按鈕是蘑菇頭的形狀，在按下此緊急運(yùn)行停止按鈕后，如果想要重新啟動(dòng)系統(tǒng)，必須將此按鈕復(fù)位才可以重新給本地控制盤上電。這樣就可以充分的保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)描述

本控制系統(tǒng)使用的觸摸屏采用的是一個(gè)5.7”屏幕大小的施耐德觸摸屏，該觸摸屏上顯示的內(nèi)容與系統(tǒng)實(shí)際的工作流程相對(duì)應(yīng)，觸摸屏與PLC通過(guò)RS485通訊協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊，就可以實(shí)時(shí)的接受PLC傳輸過(guò)來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。于是現(xiàn)場(chǎng)的工作人員可以通過(guò)觸摸屏界面顯示的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)的觀察到罐內(nèi)的液位高度，以及排放大海的管線中的壓力值、流量值等。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，首先工作人員會(huì)聽(tīng)到本地控制盤上蜂鳴器的報(bào)警，然后工作人員可以通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏下方的系統(tǒng)報(bào)警按鈕進(jìn)行報(bào)警信息的準(zhǔn)確查詢，通過(guò)查詢工作人員可以得到準(zhǔn)確的報(bào)警信息，就不需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，然后查找出故障位置，這樣就可以大大縮短工作人員對(duì)系統(tǒng)故障查找的時(shí)間，進(jìn)而能夠快速排除系統(tǒng)的故障。工作人員還可以點(diǎn)擊觸摸屏下方的運(yùn)行曲線按鈕，通過(guò)切換界面，查看一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行的壓力、流量、液位的運(yùn)行變化曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的設(shè)計(jì)是以PLC實(shí)現(xiàn)控制的海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，并使用了觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大提升了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓慶瑤.PLC在水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制,