PLC在聯合站加熱爐控制系統中的應用

孔祥敏 時 強 李 勇 廖沖春 石明江

(1. 中石化西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2. 西南石油大學，成都 610500)

油田采油聯合站是油氣集輸系統中的重要環節，擔負油氣處理與集輸的任務。主要包含原油穩定、油水分離、污水處理及外輸計量等工藝環節[1]。隨著數字化油田的廣泛應用，聯合站的整個控制系統基本都采用PLC作為控制核心[2]。塔河油田一號聯合站加熱爐采用溫度調節器實現位式控制，控制精度低、能耗大。

1 加熱爐工藝流程及要求①

在管道輸送原油的過程中，為了便于輸送，常通過加熱爐將管道內原油加熱到一定溫度(一般為80℃左右)，并在輸油管道外加套管，套管內通入熱水作為輸油管道的伴熱[3]。介質從進口進入盤繞在爐膛內的爐管內加熱，加熱后從出口送出。加熱爐工藝流程如圖1所示。燃料在火筒中燃燒后，產生的熱能以輻射、對流等傳熱形式傳給水套中的水，使水的溫度升高并部分汽化，水及其蒸汽再將熱量傳遞給油盤管中的原油，使原油獲得熱量，溫度升高。現有的大多數加熱爐控制系統主要監測的參數為進、出口原油和加熱水套內水的溫度、壓力；控制參數為溫度；控制方式為自力式調節閥控制加熱干氣；控制規律為開關控制。

圖1 加熱爐工藝流程

2 加熱爐控制系統特點

加熱爐出口溫度波動幅度大、難控制。控制不精確的原因主要是被控對象比較復雜，如：加熱干氣壓力波動經常引起爐膛溫度和出口溫度的波動；加熱干氣成分的變化造成溫度波動較大；加熱原油流量的變化也造成出口溫度的波動；加熱爐的溫度存在較大的時滯[4]。可以看出，加熱爐的燃燒是典型的多輸入多輸出系統(MIMO)，具有傳熱過程復雜、滯后時間長、時變慢及擾量變化頻繁等特點；且加熱爐系統是一個時變、大時滯、多干擾的復雜系統[5]。針對以上情況，設計一種以可編程控制器(PLC)為核心，采用溫度串級控制系統實現精確、節能的控制。

PLC在現代工業控制中應用非常廣泛，同時PLC還具有抗干擾性強、可靠性強、體積小、編程方便及修改容易等優點，它可以與人機交互設備一起組成功能完備的控制系統[6]。PID(比例、積分、微分)控制不需要建立被控對象的數學模型，而且結構簡單、容易實現、有較強的靈活性和適應性，使用方便、應用廣泛。PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN提供了PID指令向導，只需要在向導的指導下填寫相應的參數，就可以方便、快捷地完成PID運算的子程序(內含中斷程序)，在主程序中調用向導生成的子程序，就可以完成控制任務。

3 控制系統硬件結構

溫度控制系統主要由加熱爐、觸摸屏、控制器PLC、溫度變送器和閥門5部分組成(圖2)，加熱爐出口原油溫度作為主被控變量，水套中的水溫作為副變量，PLC控制器接收溫度變送器測量的主、副變量的值實現串級控制。

圖2 溫度控制系統結構

控制器采用西門子的CPU224XP CN，它自帶兩路模擬量輸入端口和1路模擬量輸出端口，14路數字量輸入和10路數字量輸出。其中，兩路模擬量輸入為兩路溫度變送器輸出信號，1路模擬量輸出用于控制調節閥開度。且該控制器具備計算機控制系統的功能，在現代工業控制中具有非常廣泛的應用，它可以與觸摸屏一起組成功能完備的控制系統。

溫度變送器以PT100溫度傳感器為核心，將溫度信號轉換為4～20mA的電流信號，方便PLC進行信號處理，溫度變送器主要用于檢測加熱爐中的溫度和水套中的水溫。

觸摸屏采用Smart 700IE，Smart 700IE程序下載采用以太網方式傳送，與CPU224XP的通信波特率為187 500bit/s，程序下載方便，數據傳輸速度快。觸摸屏組態利用SIMATIC WinCC flexible 2008，組態方法簡單。

系統通過溫度變送器檢測加熱爐出口原油溫度與水套溫度，輸出4～20mA的電流信號送至PLC，PLC通過A/D轉換后進行處理，PLC通過內部設定的PID算法進行運算，之后通過觸發電路控制雙向晶閘管的通斷時間以控制調節閥的開度。PLC通過與觸摸屏通信，實時顯示所檢測的出口溫度、水套水溫和系統的運行狀態。

4 控制系統軟件結構

軟件設計包括PLC控制程序設計和觸摸屏組態。PLC控制程序主要包括溫度檢測、標度變換和PID控制。

PLC采集兩路溫度值，由于溫度變送器輸出的電流信號與被測溫度之間呈線性關系，在PLC程序中利用標度變換將采集的模擬電流信號轉化為溫度值并送觸摸屏顯示。實現串級控制是軟件的核心，根據串級控制的特點，將主回路設置為PI控制規律，副回路設置為P規律；PLC首先將采集的加熱爐原油出口溫度與設定溫度進行比較得出其偏差，利用PI控制規律輸出的控制結果與管線中的水溫進行比較，得出偏差，采用P控制規律得出控制作用以控制調節閥。

觸摸屏方便地實現人機交互功能，實現與PLC的通信，能實時監控加熱爐溫度控制系統多個參數，并且能實時修正系統的一些參數，提高系統的工作效率。觸摸屏組態采用SIMATIC WinCC flexible 2008組態軟件，其組態過程分為項目創建、設備選擇、與PLC建立連接、組態變量和組態人機界面。實現實時顯示加熱爐工作狀態及其運行參數(包括設定溫度、積分時間、比例增益、原油出口溫度)。

5 實驗結果

根據采油聯合站加熱爐的特性，建立加熱爐溫度串級控制系統主環傳遞函數為：

(1)

副回路傳遞函數為：

(2)

根據實驗仿真可以得出主回路PID參數為：K=10，TI=0.5s，TD=0s；副回路PID參數為：K=20，TI=0s，TD=0s；。通過傳遞函數，在MATLAB/Simulink環境下構建仿真模型(圖3)，得出的仿真結果如圖4所示。

圖3 鍋爐溫度串級控制系統仿真模型

圖4 仿真結果

由圖4可知，設定溫度為80℃，經過20s左右后溫度值達到設定溫度，雖然系統具有一定的超調量，但是維持時間比較短，溫度值能滿足要求，能夠實現原油加熱到80℃輸配要求。

6 結束語

以往原油加熱爐采用調節器單獨控制，控制精度低、能耗大、不能有效地與廠區其他控制系統組態。改用PLC控制后，可以精確控制，有效地降低能耗，操作更加簡單、靈活。在油田聯合站中，PLC自動控制系統得到了廣泛應用，可以將加熱爐控制系統與其他控制系統構成網絡，順利實現了原油溫度安全穩定自動化控制。