基于PLC 的井下助排劑生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方利男

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

關(guān)鍵字：井下助排劑；PLC；冗余

在油氣開(kāi)采過(guò)程中, 壓裂是常規(guī)體積改造手段[1]。但在壓裂過(guò)程中所產(chǎn)生的工作殘液不能完全排出，會(huì)對(duì)地層造成傷害。通常情況下，可以通過(guò)添加一種叫做助排劑的化學(xué)品來(lái)提高返排效率。助排劑系列產(chǎn)品的生產(chǎn)不僅會(huì)涉及很多工藝流程，而且還會(huì)用到一系列相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)助排劑的原料在反應(yīng)的過(guò)程中，對(duì)溫度、壓力、攪拌電機(jī)等指標(biāo)有較高的要求，通常這個(gè)過(guò)程是在反應(yīng)釜中進(jìn)行的。

反應(yīng)釜在不同的溫度階段，釜溫的控制對(duì)于助排劑產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響。某助排劑生產(chǎn)企業(yè)在之前的生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備的啟停、閥門(mén)的開(kāi)閉等大多依靠工人手動(dòng)操作，對(duì)于工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，也大多依靠工人的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。因此對(duì)溫度指標(biāo)控制精度不夠、產(chǎn)品質(zhì)量不高，產(chǎn)品的不合格率一直居高不下。這樣不僅浪費(fèi)了大量人力、物力、財(cái)力，而且長(zhǎng)期的化工現(xiàn)場(chǎng)操作，對(duì)于工人的健康也構(gòu)成了一定的威脅。針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一套以西門(mén)子S7-300 PLC 為控制核心的助排劑生產(chǎn)線數(shù)字化系統(tǒng)，使溫度曲線更加符合生產(chǎn)工藝要求，控制精度更加準(zhǔn)確。同時(shí)也大幅度減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

1 助排劑生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

助排劑的生產(chǎn)是一個(gè)多原料反應(yīng)的過(guò)程。某企業(yè)原始的助排劑生產(chǎn)線主要由原料地埋罐區(qū)部分、上料泵及計(jì)量水罐上料部分、反應(yīng)釜和平臺(tái)及工藝管道部分、出料灌裝部分四部分組成，其中各部分的功能如下：

1） 原料地埋罐區(qū)部分。六座40m3地埋鋼襯塑儲(chǔ)罐，借助壓縮空氣將液體原料壓入反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜上裝有稱重模塊，可自動(dòng)計(jì)量。

2） 上料泵及計(jì)量水罐上料部分。四臺(tái)泵組成泵上料系統(tǒng)（含稱重部分） 與四臺(tái)釜一一對(duì)應(yīng)，將200kg 包裝的液體物料上入反應(yīng)釜中。另外還有計(jì)量水罐自動(dòng)上水系統(tǒng)將純凈水加入到反應(yīng)釜中。

3） 反應(yīng)釜和平臺(tái)及工藝管道部分。四臺(tái)10m3搪瓷反應(yīng)釜及鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)用來(lái)進(jìn)行主要的反應(yīng)過(guò)程。另外，工藝管道及輸送系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)行液料輸送。

4） 出料灌裝部分。由三臺(tái)20m3鋼襯塑成品緩沖罐，三套噸包裝灌裝和一套槽車灌裝組成。并配套有一具20 m3壓縮空氣儲(chǔ)罐，為整套自動(dòng)化系統(tǒng)提供氣源。

考慮到某企業(yè)原始的生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度以及產(chǎn)品質(zhì)量等較低，本設(shè)計(jì)在原來(lái)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增加了PLC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自動(dòng)控制地埋罐上料，生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、自動(dòng)灌裝等功能，將整套系統(tǒng)整合為一個(gè)有機(jī)體，實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的了解和收到的技術(shù)資料，本自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用以下的控制方案：上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用臺(tái)灣研華公司的IP610 作為工控主機(jī)，并設(shè)置雙機(jī)冗余；下位控制PLC 采用德國(guó)西門(mén)子S7-300 系列+ ET200M 分站的分布式方案。上位機(jī)與PLC 之間用PROFINET 總線連接，PLC與四個(gè)ET200M 分站之間采用PROFIBUS 總線以樹(shù)形方式連接。圖1 為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

另外，控制系統(tǒng)還包含36 個(gè)各型稱重傳感器，5 個(gè)稱重通信模塊，4 塊稱重顯示儀表，5 臺(tái)電子稱，各型氣動(dòng)閥94 個(gè)以及兼具就地顯示及遠(yuǎn)傳的溫度傳感器14 個(gè)、壓力傳感器11 個(gè)、液位傳感器10 個(gè)。

2.1 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及控制系統(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)采用以下硬件配置：其中，CPU 模塊選用CPU315-2DP，電源模塊選用PS 307-5A，/O 模塊選用16 通道/32 通道的數(shù)字量擴(kuò)展模塊SM321、SM322，8 路模擬量擴(kuò)展模塊SM331、SM332，并留有15%的余量。通訊接口模塊選用IM153-1。

2.2 系統(tǒng)控制要求

該助排劑自動(dòng)化生產(chǎn)線有以下控制要求：

1） 系統(tǒng)上料計(jì)量誤差不超過(guò)千分之五；

2） 反應(yīng)釜工作溫度：55 ～60 ℃；

3） 反應(yīng)釜溫度均勻性：± 5 ℃；

4） 反應(yīng)釜溫度控制精度：± 1 ℃。

整個(gè)助排劑生產(chǎn)線可以分為上料、加熱、保溫、冷卻和出料五個(gè)階段。其中上料和出料階段的控制屬于整個(gè)控制系統(tǒng)的輔助部分，主要實(shí)現(xiàn)的控制有：?jiǎn)?dòng)上位工控機(jī)并對(duì)原料罐車向地埋罐卸料過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保地埋罐壓力、液位、溫度的檢測(cè)結(jié)果為正常范圍；其次借助電子秤，實(shí)現(xiàn)200L 桶裝料通過(guò)上料泵給反應(yīng)釜準(zhǔn)確計(jì)量、上料；待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉加熱和冷卻裝置，產(chǎn)品通過(guò)管道泵及管道輸送至成品緩沖罐等待灌裝。加熱、保溫和冷卻階段的控制屬于整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成的控制有：打開(kāi)加熱閥提高釜溫，利用PID 算法使釜溫維持在誤差范圍內(nèi)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫即可出料。

2.3 控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工藝控制要求和助排劑生產(chǎn)線控制系統(tǒng)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用西門(mén)子STEP7 軟件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)PID 控制器中的溫度控制專用功能塊FB58 進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用FB58 功能塊進(jìn)行溫度控制，需要以下三個(gè)步驟：

1） 誤差計(jì)算與死區(qū)處理。

首先由外設(shè)過(guò)程變量選項(xiàng)（PVPER_ON） 選擇實(shí)數(shù)格式或者外圍設(shè)備的過(guò)程值，然后將采集到的外設(shè)過(guò)程變量值（PV_PER） 轉(zhuǎn)換成與內(nèi)部設(shè)定值（SP_INT） 單位相同的值。PV（反饋值）與SP_INT 的差值就是誤差。對(duì)誤差通過(guò)死區(qū)環(huán)節(jié) （DEADBAND） 進(jìn) 行 處 理， 可 由 參 數(shù)DEADB_W 設(shè)置死區(qū)寬度[2]。

2） PID 算法與變量計(jì)算。

FB58 采用位置式PID 算法，比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算3 部分并聯(lián)[3-5]。使用控制區(qū)（CONZ_ON） 來(lái)改善系統(tǒng)的控制效果，比較誤差是否超過(guò)CON_ZONE（控制區(qū)范圍） 來(lái)選擇可調(diào)節(jié)變量值的輸出。 通過(guò)手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)（MAN_ON） 的0，1 狀態(tài)來(lái)確定LMN（可調(diào)節(jié)變量） 的值[6]。此時(shí)LMN = LMN_P + LMN_I +LMN_D。

3） 控制器參數(shù)自整定。

FB58 具有參數(shù)自整定功能，通過(guò)分析溫度的階躍響應(yīng)曲線，并提取反應(yīng)釜溫度的特征參數(shù)，進(jìn)行多次尋優(yōu)后，來(lái)確定控制器Kp、Ti、Td 參數(shù)的值。如果對(duì)于自動(dòng)整定得到的參數(shù)不滿意，還可以通過(guò)手動(dòng)修改參數(shù)并進(jìn)行保存，以便使控制效果更為理想。在自整定之前，先切換至手動(dòng)模式，一段時(shí)間后再切換至自動(dòng)模式，可防止系統(tǒng)變量不穩(wěn)定而引起的震蕩。

在反應(yīng)釜溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，熱電偶負(fù)責(zé)反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度檢測(cè)，經(jīng)溫度變送器將采集到的液體溫度轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA 直流電流信號(hào)，通過(guò)SM331 模塊經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PLC，PLC 內(nèi)部程序?qū)⑥D(zhuǎn)化后的溫度與內(nèi)部設(shè)定值SP_INT 進(jìn)行比較，計(jì)算誤差并根據(jù)FB58 內(nèi)部控制算法進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果由SM332 模塊經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后變?yōu)? ～20 mA 的電流信號(hào)，控制電磁加熱閥的輸出功率[7]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜溫度的控制。

2.4 自動(dòng)控制流程

助排劑生產(chǎn)線的溫度控制程序，是整個(gè)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，關(guān)乎到助排劑產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量。當(dāng)溫度反饋值高于溫度設(shè)定值1℃時(shí)，關(guān)閉加熱閥，打開(kāi)冷卻閥；當(dāng)溫度反饋值低于溫度設(shè)定值1℃時(shí)，關(guān)閉冷卻閥，打開(kāi)加熱閥；在誤差范圍內(nèi)時(shí)，加熱閥和冷卻閥全部關(guān)閉。PID 程序控制實(shí)現(xiàn)小范圍的恒溫控制。圖2 為程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 程序流程圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)監(jiān)控軟件基于Windows 7 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用WinCC 7.4 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。WinCC 是一個(gè)強(qiáng)大的全面開(kāi)放的監(jiān)控系統(tǒng)，它擁有先進(jìn)人機(jī)界面產(chǎn)品的所有功能，并且編程簡(jiǎn)單，畫(huà)面效果好，使管理者在辦公室就能瀏覽整個(gè)生產(chǎn)線流程的動(dòng)態(tài)畫(huà)面，從而更好地熟知生產(chǎn)情況，方便操作管理。如圖3 所示為組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)。

圖3 組態(tài)軟件整體結(jié)構(gòu)

助排劑生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面主要有用戶管理、參數(shù)設(shè)置、工況曲線、故障預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)表生成。其中，用戶管理功能主要是用來(lái)管理用戶信息，包括用戶的登錄、設(shè)置密碼與權(quán)限，防止其他無(wú)關(guān)人員修改信息；參數(shù)設(shè)置功能，用戶可以設(shè)置反應(yīng)釜各個(gè)階段的反應(yīng)溫度和反應(yīng)物料等工藝參數(shù)；工況曲線功能，能夠使用溫度曲線圖來(lái)顯示參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，同時(shí)用戶也可以查看歷史曲線；故障預(yù)警功能，當(dāng)系統(tǒng)處于不正常的工作狀態(tài)時(shí)，可報(bào)警提醒用戶及時(shí)進(jìn)行處理；運(yùn)行狀態(tài)功能，用戶可動(dòng)態(tài)查看整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行畫(huà)面，方便管理與指導(dǎo)生產(chǎn)；報(bào)表生成功能，用戶可進(jìn)行報(bào)表打印，以便掌握生產(chǎn)信息。

4 結(jié)論

1） 經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與改造的IPC+S7-300 PLC+ET200M 的控制系統(tǒng)投入使用以來(lái)，穩(wěn)定性很好，減少了日常維護(hù)成本。

2） 在助排劑生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)的工藝參數(shù)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，更加符合了產(chǎn)品的工藝要求。

3） 基于FB58 的溫度控制算法，使系統(tǒng)溫度控制更為準(zhǔn)確，達(dá)到、甚至超過(guò)了企業(yè)要求的性能指標(biāo)。