基于油田PLC模擬實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)

宋偉強(qiáng) 周 瓏

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠，黑龍江 大慶 163511；2.百超（上海）精密機(jī)床有限公司，上海 201702）

隨著工業(yè)控制技術(shù)的快速發(fā)展，PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油田站庫的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。它使大規(guī)模的現(xiàn)場工藝參數(shù)的采集與控制成為現(xiàn)實(shí)，同時又提供了安全可靠的性能保障。

然而由于各個油田的裝置配置標(biāo)準(zhǔn)不一，配置的PLC裝置時間有先有后，造成了目前油田的操控環(huán)節(jié)存在眾多不同的PLC廠家提供的產(chǎn)品。盡管從原理上講這些PLC系統(tǒng)是一致的，但其結(jié)構(gòu)體系與編程語言各不相同；另一方面，由于涉及的PLC廠家過多，某些產(chǎn)品的售后大部分無法保證，這給現(xiàn)場操作以及后期的系統(tǒng)維護(hù)帶來巨大的困難，只有當(dāng)系統(tǒng)維護(hù)人員精通了PLC的現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)后才有可能解決后期維護(hù)的問題。因此，如何讓技術(shù)人員盡快掌握PLC現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)是目前油田實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)操作管理系統(tǒng)中急需解決的首要問題。針對以上的需求，我們研制了基于S7-300的油田PLC模擬實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺的主旨是讓PLC系統(tǒng)的維護(hù)人員以及相關(guān)的操作人員盡快掌握PLC的基本結(jié)構(gòu)、原理和編程技術(shù)，為技術(shù)人員進(jìn)一步開展可編程控制器應(yīng)用技術(shù)研究，保障整個油田測控系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行提供必要的技術(shù)支撐。

1 模擬實(shí)訓(xùn)平臺的硬件組成

模擬實(shí)訓(xùn)平臺的硬件主要包含可編程控制器，工控機(jī)和信號發(fā)生器。如圖1所示。

圖1 PLC模擬實(shí)訓(xùn)平臺的硬件組成圖

通過油田現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管PLC品種較多，但西門子和AB兩種PLC使用數(shù)量相對較多，考慮一定的針對性，我們模擬實(shí)訓(xùn)平臺的PLC系統(tǒng)選擇了西門子的S7-300，而信號發(fā)生器選用AB PLC，通過編程來產(chǎn)生模擬信號。選用兩種PLC系統(tǒng)的主要原因有3點(diǎn)：①可以研究掌握不同種類PLC編程語言及應(yīng)用技術(shù)；②兩種以上的PLC可以組成一套互為通信的測控系統(tǒng)，可以理解并掌握PLC間的數(shù)據(jù)通信及控制技術(shù)；③可以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室PLC模擬控制系統(tǒng)。

1.1 PLC配置

油田生產(chǎn)過程控制中主要是進(jìn)行溫度、壓力、流量、液位界面、閥狀態(tài)、泵運(yùn)行狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)的采集，對油水界面、壓力、閥位、變頻器等進(jìn)行控制，為此模擬實(shí)訓(xùn)平臺PLC系統(tǒng)采用了SIEMENS的SIMATIC S7-300，在PLC硬件選擇上選用了CPU模塊、模擬量輸入輸出模塊、脈沖計(jì)數(shù)模塊、擴(kuò)展模塊、通信模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊，含蓋了油田檢測控制的全部功能。

1.2 工控機(jī)系統(tǒng)及信號發(fā)生器

工控機(jī)我們選用了研華 IPC-610。它與 S7-300可編程控制器通過網(wǎng)線以TCP/IP方式進(jìn)行通信，也可以使用編程電纜直接連接。主要完成以下任務(wù)：①編制及調(diào)試PLC應(yīng)用程序，并下載到PLC中，使PLC可以獨(dú)立完成生產(chǎn)過程控制；②應(yīng)用組態(tài)軟件編制上位機(jī)監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)與PLC通信，在上位機(jī)中對PLC運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制調(diào)整；③利用組態(tài)軟件管理功能實(shí)現(xiàn)參數(shù)報警、歷史記錄、報表等生產(chǎn)管理功能。

由于是室內(nèi)模擬實(shí)訓(xùn)平臺，因此還要有一臺信號發(fā)生器來模擬現(xiàn)場儀表的信號。考慮的油田的實(shí)際情況，沒有選擇通用的信號發(fā)生器，而是選用AB PLC作為信號發(fā)生器的硬件，通過編程來實(shí)現(xiàn)信號模擬，這樣做不僅實(shí)現(xiàn)了模擬信號，而且更加符合油田的實(shí)際情況。信號發(fā)生器主要用于仿真一些現(xiàn)場設(shè)備和控制特性，包括模擬量輸入、輸出，開關(guān)量輸入、輸出。如用信號發(fā)生器模擬污水、脫水站的大部分設(shè)備的特性信號等。

2 油田生產(chǎn)過程仿真軟件的開發(fā)

以油田PLC模擬實(shí)訓(xùn)平臺為依托，開發(fā)了油田生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)。油田生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和信號仿真系統(tǒng)組成。其中控制系統(tǒng)包括了脫水崗控制系統(tǒng)和污水崗控制系統(tǒng)，信號仿真系統(tǒng)包括脫水工藝仿真和污水工藝仿真。控制部分由西門子控制系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)，信號仿真系統(tǒng)由 AB控制系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)。

平臺軟件系統(tǒng)還包括下位機(jī)PLC控制軟件和上位機(jī)人機(jī)界面軟件。應(yīng)用的軟件為 STEP7 V5.4及WINCC5.0。其中，STEP7 V5.4完成系統(tǒng)組態(tài)和編程；WINCC5.0用于系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。

2.1 下位機(jī)PLC控制軟件

下位機(jī)PLC控制軟件用來完成生產(chǎn)工藝的全部任務(wù)，軟件開發(fā)的好壞直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行。使用STEP7 V5.4作為PLC應(yīng)用程序的開發(fā)平臺，編制PLC應(yīng)用平臺的梯形圖控制軟件。

PLC應(yīng)用平臺下位機(jī)控制程序主要由各種功能塊組成，整個系統(tǒng)建立了模擬信號的采集以及數(shù)據(jù)處理模塊、報警模塊、脈沖信號的采集模塊、高數(shù)計(jì)數(shù)器的讀寫模塊、反沖洗功能塊、閥控制模塊、變頻器控制模塊和PID控制模塊等。

2.2 上位機(jī)人機(jī)界面軟件

PLC應(yīng)用平臺的上位機(jī)人機(jī)界面軟件采用WinCC組態(tài)軟件編制。整個上位機(jī)軟件由污水站和脫水站兩部分組成。其中污水站有4個濾罐，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)反沖洗、單罐反沖洗、變頻器PID控制和反沖洗流量監(jiān)測；脫水站有游離水脫除器、電脫水脫除器、加熱爐和事故罐等，可實(shí)現(xiàn)罐液位監(jiān)測與控制、油外輸流量和天然氣流量的計(jì)量等。

3 仿真程序開發(fā)

仿真程序包含泵、閥和PID控制器仿真程序等3部分。在泵仿真中，由于泵的運(yùn)行通常有兩類狀態(tài)，即工頻運(yùn)行或變頻運(yùn)行。故在仿真程序中，用階躍信號來模擬泵的工頻運(yùn)行；用階躍信號加PID控制器來模擬泵的變頻運(yùn)行；如果只需要簡單模擬變頻運(yùn)行的話，則采用斜坡信號來模擬變頻運(yùn)行。

電動閥門仿真程序用0和1分別來表示閥門開啟和關(guān)閉，中間過渡過程采用斜坡信號來模擬；同時為了盡可能逼近現(xiàn)場的情形，我們在仿真中加入了延時環(huán)節(jié)，PLC的純滯后命令就能實(shí)現(xiàn)這一功能。

由于PLC系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)嵌了PID控制器，PID仿真程序比較簡單。為簡便，選用的傳遞函數(shù)為

其中，Lead為微分時間常數(shù)，Lag為積分時間常數(shù)。通過PLC編程加載這兩個常數(shù)，再調(diào)用PLC的積分控制器和微分控制器命令，就能快速地實(shí)現(xiàn)PID控制，進(jìn)而模擬不同的PID控制效果。圖2和圖3給出了泵的變頻運(yùn)行模擬。其中，圖 2和圖 3被控對象的仿真參數(shù)為 lead=100，lag=1000；圖 2的 PID參數(shù)為 Kp=10，Ki=0.1；KD=0；圖 3的 PID參數(shù)為Kp=1，Ki=1，KD=0。參考輸入信號均為階躍信號，其幅值為 1。由于在實(shí)際中，參考信號和輸出信號具有多種表現(xiàn)形式，為簡便起見，采用的是標(biāo)準(zhǔn)化后的信號。

圖2 PID參數(shù)為KP=10，Ki=0.1，KD=0的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)影響

圖3 PID參數(shù)為KP=1，Ki=0.1，KD=0的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)影響

從圖2和圖3中不難看出不同的PID參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)影響比較大，圖2中泵運(yùn)行平穩(wěn)，幾乎沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，此時對應(yīng)的實(shí)際工況是機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，是合理的操作方式。而圖3的泵不僅動作緩慢，而且輸出出現(xiàn)了較大超調(diào)，此時對應(yīng)的實(shí)際情況是系統(tǒng)過載，容易造成電機(jī)過熱而損壞，因此需要盡可能避免這種現(xiàn)象出現(xiàn)。顯而易見，只有選擇合理的 PID 參數(shù)才能保證運(yùn)行工況平穩(wěn)。因此，通過實(shí)訓(xùn)平臺的培訓(xùn)，可以讓操作工了解到在實(shí)際中出現(xiàn)該現(xiàn)象時該如何調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。

4 應(yīng)用情況

油田PLC模擬實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)采集處理及閥位、流量、液位程序控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)技術(shù)培訓(xùn)與開發(fā)。通過該平臺使得員工基本掌握了西門子與 AB兩種PLC的硬件安裝、連接、調(diào)試及應(yīng)用軟件（數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、通信、PID控制、信號輸出等）編程調(diào)試技術(shù)，工控機(jī)與PLC間數(shù)據(jù)調(diào)用與通信控制技術(shù)；掌握了輸油系統(tǒng)和污水處理過程中PLC應(yīng)用編程技術(shù)。通過平臺培養(yǎng)了一批可編程控制器應(yīng)用和維修技術(shù)人員，為后續(xù)開發(fā)某測控系統(tǒng)、恢復(fù)某污水反沖洗系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

油田PLC模擬實(shí)訓(xùn)平臺集可編程邏輯控制器、通信編輯器、編程軟件、工控組態(tài)軟件、實(shí)物等于一體，可直觀地進(jìn)行PLC的基本指令訓(xùn)練，多個應(yīng)用廣泛的PLC實(shí)際應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)和模擬控制實(shí)驗(yàn)，為油田PLC系統(tǒng)的高層次的設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)提供良好的條件。通過該平臺，可以提高技術(shù)人員測控系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)油田聯(lián)合站、注水站、污水站及聚驅(qū)注入測控系統(tǒng)軟硬件自主開發(fā)與維護(hù)，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，進(jìn)而提高站庫的管理水平。盡管該平臺是針對油田開發(fā)的，但其采用的編程方法均為通用方法，因此該平臺對其他領(lǐng)域的員工培訓(xùn)和系統(tǒng)開發(fā)均具有較好的借鑒意義。

[1]于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2]吳思俊,林嵩.談 PLC實(shí)訓(xùn)室的校本化建設(shè)[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究)，2007(1):81.