新型遠程無線控制器在油田加熱爐燃燒器上的應用

董宇迪（大慶油田自動化儀表有限公司）

新型遠程無線控制器在油田加熱爐燃燒器上的應用

董宇迪（大慶油田自動化儀表有限公司）

遠程無線控制器可用于野外低溫、環(huán)境復雜、布線困難的（小于1000 m）全自動燃燒器上。其特征在于：由主、從兩個工業(yè)處理器組成雙單片機冗余控制電路，其中，主處理器的控制信號輸入端與無線收發(fā)模塊相連接，從處理器獨立冗余檢測信號，并在異常時從外部關(guān)斷供氣回路。該種控制器能夠通過無線收發(fā)模塊在遠程中央控制器的控制下工作，實現(xiàn)了對燃燒器的遠程無線控制，且可直接安裝于燃燒器現(xiàn)場，大大節(jié)約了電纜布線成本，提高了使用單位的經(jīng)濟效益。

無線遠程控制 雙處理器 燃燒器 經(jīng)濟效益 安全控制

加熱爐是油田原油集輸過程中不可缺少的設(shè)備之一，與加熱爐配套使用的加熱爐燃燒器則是為原油加熱提溫的主要設(shè)備。隨著自控技術(shù)在油田各領(lǐng)域的應用，加熱爐燃燒器也由傳統(tǒng)的手動點火棒點火、手動提溫逐步更新為自動點火、自動調(diào)節(jié)溫度、熄火保護等功能的全自動燃燒器。目前，全自動燃燒器的控制系統(tǒng)核心大多數(shù)由小型PLC及輸入/輸出模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)具有智能化高、可靠性高、體積小、功耗小等優(yōu)點。但在油田加熱爐燃燒器上使用，也發(fā)現(xiàn)一些不盡人意之處，主要體現(xiàn)在溫控偏差大、控制距離短、系統(tǒng)布線較為繁瑣、投入成本偏高。針對PLC系統(tǒng)在加熱爐燃燒器上應用出現(xiàn)的缺陷，公司組織設(shè)計、研發(fā)了具備PLC系統(tǒng)功能且完善PLC系統(tǒng)缺陷的新型遠程無線控制器。

1 概述

PLC實現(xiàn)的全自動燃燒器控制器:因系統(tǒng)為多摸擬量的輸入輸出接口,要求小型機以上PLC組合才能實現(xiàn)其功能。同時因PLC使用專用通信總線，其信號傳輸距離較短，工作溫度范圍較小，無法滿足北方油田近-40℃的現(xiàn)場需求。因此必須將現(xiàn)場控制信號遠程接入值班室進行控制，造成現(xiàn)場布線成本與PLC組合配件成本都非常高。PLC自帶PID算法為通用算法，應用于閥控調(diào)溫環(huán)境較困難且溫度調(diào)節(jié)偏差較大。

2 設(shè)計目的

針對目前油田在用燃燒器的特點，在PLC控制的功能基礎(chǔ)上用運行速度更快更可靠的新型工業(yè)微處理器實現(xiàn)現(xiàn)場信號檢測與控制。除實現(xiàn)PLC的全部功能外，針對其缺點，增加如下特點：

1）用新型低成本高性能工業(yè)型處理器取代PLC進行控制，使控制更靈活，總成本更低，性能更強。

2）系統(tǒng)核心控制部分支持低溫（-40℃）野外環(huán)境要求，以實現(xiàn)控制部分現(xiàn)場化。

3）用戶交互無線化，可靠性由核心控制部分保證。控制室到現(xiàn)場只需布一根電源線，省去現(xiàn)場信號線的布線成本與難度。

4）用戶界面支持主流通用操作屏，實現(xiàn)與PC一樣同步科技發(fā)展進行靈活產(chǎn)品升級，從而得到最優(yōu)性價比。

5）獨立研發(fā)新型低成本高可靠性電流環(huán)電路，定量滿足加熱爐實際控制精度、低溫漂、高抗干擾的要求。

6）設(shè)備控制與系統(tǒng)參數(shù)提供高安全性要求，所有參數(shù)分三類保存于處理器EEPROM內(nèi)。指令的修改除需要密碼驗證外同時需要對應主控板截開關(guān)通過硬件方式解除鎖定。

3 設(shè)計的內(nèi)容

1）采用高性能工業(yè)型組合微處理器進行控制，并使用雙CPU互檢冗余處理。其可靠性得到極大提升。其微處理器為最新型16位處理器+D SP雙核架構(gòu)，極方便實現(xiàn)現(xiàn)場復雜信號處理。主工業(yè)處理器的兩個控制信號輸出端分別經(jīng)電阻接至安全閥開關(guān)的驅(qū)動二極管的基極上和點火電極開關(guān)的驅(qū)動二極管的基極上；從工業(yè)處理器的兩個控制信號輸出端分別經(jīng)電阻接至安全閥開關(guān)的關(guān)斷二極管的基極上和點火電極開關(guān)的關(guān)斷二極管的基極上。主處理器負責全部設(shè)備的檢測與控制，從處理器獨立冗余檢測信號，并在異常時從外部關(guān)斷供氣回路。從而實現(xiàn)雙處理器冗余安全控制。主處理器進行正常控制操作，副處理器監(jiān)聽主處理器上傳數(shù)據(jù)并比對實際檢測輸入信號，當主處理器一段時間無數(shù)據(jù)發(fā)出或發(fā)出的數(shù)據(jù)內(nèi)容與實際輸入信號相沖突，副單片機將強制切斷現(xiàn)場供氣并使主處理器復位，從而達到增強現(xiàn)場控制可靠性的要求。

2）主控制電路專門針對低溫、野外環(huán)境，內(nèi)外電源供電完全獨立且不共地，所有輸入輸出信號全部實現(xiàn)光電隔離，所有器件選用-40℃工業(yè)級型號。主控電路通過-40℃實際環(huán)境連續(xù)運轉(zhuǎn)，支持現(xiàn)場復雜電器設(shè)備抗干擾及抗10K V ESD環(huán)境要求。

3）現(xiàn)場的主控制電路與值班室的用戶觸摸屏實際距離有50~400m遠，且遠距離動力線與信號線混合布線本身存在較大交叉干擾，故采用可自由使用的業(yè)余無線電頻段進行無線通信，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳與用戶指令下達。所有的安全與可靠性控制均由主控電路實現(xiàn)，無線通信僅僅上傳現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)與當前工作狀態(tài)，并接受用戶端下達的控制指令。所有可接受的指令只含有啟/停機等常規(guī)設(shè)置，主控板將會對所接收的數(shù)據(jù)進行分析與校驗，確定指令的正確性。數(shù)據(jù)出錯與無線通信中斷時完全不影響現(xiàn)場控制的安全性。短時通信中斷或出錯時不影響系統(tǒng)的正常運行，當發(fā)生通信設(shè)備故障等長時中斷，系統(tǒng)自動退回到最小燃燒狀態(tài)并報警。

4）用戶端采用大尺寸TFT觸摸屏提升用戶使用性，同時系統(tǒng)使用當前主流的智能操作系統(tǒng)W i n d o w s CE平臺進行用戶界面開發(fā)。當需要進行用戶端硬件升級時只需類似PC升級那樣將原目標程序通過U盤等復制到新屏對應目錄下就可以。同時因為應用軟件基于w i n d o w s操作系統(tǒng)開發(fā)，其軟件升級的開發(fā)難度與開發(fā)周期將大大減小。本系統(tǒng)的應用可移植性也得到增強。

5）主控系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場并適應現(xiàn)場環(huán)境的要求。所有傳感器與控制單元的布線均在現(xiàn)場完成，故所有傳感器與控制單元的走線不僅方便，而且布線距離也最短。最短距離的布線使引入干擾降到最低，同時省掉的屏閉電纜線的成本也非常可觀。遠程值班室內(nèi)的用戶端只含有無線接收單元與觸摸屏及配套電路，故用戶端尺寸可做到非常小，其接線只需引入220V供電即可。這樣用戶端的安裝將不受值班室內(nèi)空間與電纜線槽的位置限制，也不會影響整體美觀。因省去現(xiàn)場與值班室之間的信號電纜及電纜鋪設(shè)，加之控制部分的總成本降低，使本系統(tǒng)綜合成本與同檔次PLC系統(tǒng)相比節(jié)省30%~50%。

6）針對現(xiàn)場實際情況采用改進優(yōu)化的增量型PID算法，使溫度控制響應速度與精確性得到很大提升。現(xiàn)場設(shè)備為溫度反饋風、氣閥開度控制模式，PLC集成的通用位置型PID算法并不適合現(xiàn)場的實際控制。采用優(yōu)化的增量型PID算法在實際應用中其控制精度可做到第一個過沖與設(shè)定值小于4℃，穩(wěn)態(tài)時控制偏差小于1.5℃，以上控制完全能滿足現(xiàn)場控制需求。

4 系統(tǒng)性能

4.1 系統(tǒng)性能參數(shù)

系統(tǒng)性能參數(shù)見上表1。

4.2 實際環(huán)境測試

低溫測試：主控系統(tǒng)在實驗溫箱內(nèi)-40℃連續(xù)運轉(zhuǎn)120h無異常。

無線通信測試：主控系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場，用戶端在400m外值班室內(nèi)，安裝于動力系統(tǒng)電柜底部。實測通信，其中穿墻2道、電柜阻擋（非屏蔽）2層，現(xiàn)場加熱爐阻擋一道。連續(xù)運轉(zhuǎn)48h無數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。

4.3 干擾測試

400m現(xiàn)場通信，在主控系統(tǒng)周邊連續(xù)用15k V火花放電啟停各1 s，同步啟停5 k W電動機一臺、手持電鉆一臺。連續(xù)測試4 h無故障，無通信中斷現(xiàn)象。

4.4 性能對比

顯示屏為7i nTFT真彩屏，比同等PLC配套5.7i n單色屏具有顯示更大，功能更多，使用更直觀的優(yōu)點。整套系統(tǒng)現(xiàn)場安裝方便，成本低。改進型PID控制性能比PLC自帶控制穩(wěn)定性與反應速度更優(yōu)。PLC只能支持-20℃工作環(huán)境，本系統(tǒng)主控部分可支持-40℃連續(xù)工作環(huán)境。現(xiàn)場安裝與無線控制器使成本更低，與PLC系統(tǒng)對比，總成本只需PLC系統(tǒng)的一半左右。

5 現(xiàn)場實施

本產(chǎn)品已成功應用于大慶油田采油六廠喇460注水站、喇560聯(lián)合站；大慶油田采油二廠南2-3轉(zhuǎn)油站、南2-13轉(zhuǎn)油站、等站隊共計40余套。以喇560聯(lián)合站為例，加熱爐距值班室約270m，值班室鄰室內(nèi)有11臺功率大于30k W的動力電動機運轉(zhuǎn)。用戶端安裝于盡量靠近電動機的控制柜中，加熱爐附近有連續(xù)運轉(zhuǎn)的抽油機一臺，左邊安裝有PLC控制器的加熱爐一臺。工藝流程見圖1。

表1 系統(tǒng)性能參數(shù)

冷機啟動時設(shè)定溫度80℃，爐內(nèi)水溫40℃。爐體介質(zhì)溫度自身擾動曲線及實際控制曲線見圖2。

經(jīng)一周調(diào)試與產(chǎn)品修正后，連續(xù)運轉(zhuǎn)一個月實際結(jié)果如下：

◇安全故障：無

◇系統(tǒng)異常復位：無

◇通信中斷報警：1次，重啟后恢復

◇其他異常故障：無

6 系統(tǒng)工作圖及其簡單說明

本系統(tǒng)分主控系統(tǒng)部分與用戶端兩部分，兩部分的通信使用免費的業(yè)余頻段進行通信。其中主控系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場為整套系統(tǒng)的核心部分，用于現(xiàn)場信號的檢測與輸出單元的控制，所有控制與安全部分全部由主控系統(tǒng)實現(xiàn)。用戶端只用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的顯示及用戶使用指令的下達。其系統(tǒng)工作框圖見圖3。

7 成本節(jié)約效果

以大慶油田采油六廠喇560聯(lián)合站現(xiàn)場安裝使用為例。本系統(tǒng)使用普通2芯動力線一根（可就近從其他控制柜接出，因考慮到為實驗設(shè)置故單獨布線至值班室）長度270m約4500元，現(xiàn)場布線成本約為2000元。控制器統(tǒng)采用自主設(shè)計主控制電路，用戶端使用7寸TFT真彩觸摸屏。

鄰近PLC型加熱爐使用四芯屏蔽線7根，分別為風閥控制線，氣閥控制線，電磁閥控制線，火焰檢測線，出口溫度檢測線，供電動力線，檢漏檢測線。使用電纜長度為1890m，按電纜市價最低值為11元/m，約2.08萬元，現(xiàn)場布線的土建與材料成本約為2500元。控制器采用S7-200系統(tǒng)的CPU 224（主控CPU）+EM 232（模擬量模塊）+EM 235（模擬量模塊）+TP177A（5.7寸單色觸摸屏）。綜合成本見表2。

表2 綜合成本對照單位：元

◇系統(tǒng)硬件節(jié)約1700元

◇電纜布線節(jié)約16300元

◇土建及材料節(jié)約500元

◇每套成本對比PLC系統(tǒng)節(jié)約18500元

8 總結(jié)

針對PLC系統(tǒng)在加熱爐燃燒器上使用暴露出的問題，新型遠程無線控制器通過在實驗室的性能測試、現(xiàn)場燃燒器上的連續(xù)使用考核，充分證明本產(chǎn)品在功能上、性能上完全可以取代PLC系統(tǒng)，且完善了PLC系統(tǒng)在加熱爐燃燒器上使用的一些缺陷。在投入成本上對比PLC系統(tǒng)有很大的降低，綜合成本每套對比PLC系統(tǒng)節(jié)約資金40%~50%，經(jīng)濟效益十分顯著。

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.011.009

董宇迪，工程師，2001年畢業(yè)于佳木斯大學，從事工業(yè)自動化研究與應用工作，E-mail：dydddd@163.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田自動化儀表有限公司，163453。

2012-08-07）