過程工藝控制系統切換研究及工程實現

段玉波，陳靜石

(東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163000 )

油田工藝處理流程中，通常只存在4種信號： 開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出[1]。開關量輸入一般作為普通報警以及極限關斷輸入；開關量輸出一般作為現場關斷閥(或控制閥氣源)控制、設備跳閘斷電控制等；模擬量輸入作為過程監視參數，被PLC采集后上位組態軟件顯示為人機交換界面，部分也是自動控制的過程參數；模擬量輸出一般作為控制閥控制信號，屬于操作者或控制系統手動、自動控制現場工藝參數所用。在石油行業標準中，控制系統應將生產控制與緊急關停控制分開，因而從控制系統的角度來講，緊急關停系統(ESD)主要接入極限開關信號，輸出至關斷閥或設備跳閘斷電，用于開關量控制；生產控制系統主要接入模擬量輸入輸出、部分開關量輸入輸出，一般不會涉及生產或設備緊急關停。

在無擾控制系統切換設計中，首先保證的是安全性，其次是工藝系統的穩定性。工藝系統不穩定可能直接導致極限開關的動作，帶來失控危險，致使緊急關停系統動作而發生關停，而生產控制系統一般不會直接導致生產關停，所以在系統切換中首先考慮切換生產控制系統，待生產控制穩定正常后，再切換ESD[2]。

1 生產控制系統的切換

生產控制系統大部分信號為模擬量輸入輸出。部分模擬量輸入作為自動控制的過程參數來控制輸出，這類模擬量輸入需要將自動控制切換回手動控制，斷開模擬量輸入與輸出之間的關聯關系之后再切換。

1) 無關聯的模擬量輸入切換。該類模擬量輸入只是用于人機交換界面顯示，從一個控制系統切換到新控制系統可能主要存在量程不對應、輸入信號不匹配的問題。切換前應仔細核對現場變送器量程以及輸出信號[3]。例如現場壓力變送器標準信號為4～20 mA，量程為0～1 600 kPa，如果新控制系統輸入卡件設置為0～5 V，量程0～1 000 kPa，那么上位機將無法正確顯示現場壓力參數。一般只需修改新控制系統PLC卡件屬性即可，該方法修改簡單方便，通過PLC編程軟件可以直接得到參數修改后的結果[4]。

2) 有關聯的模擬量輸入切換。先必須將關聯斷開，一般將自動控制切換為手動控制即可，現場過程量不會突變，采用手工控制也能穩定工況。將關聯斷開后，直接將模擬量輸入接入新系統即可，參照無關聯的模擬量輸入切換。

3) 模擬量輸出切換。模擬量輸出一般都用于現場過程控制，通過控制調節閥的開關度來控制液位、壓力、流量、溫度等。模擬量切換的不平穩，直接造成工況的不穩定，進而可能引發工況波動，帶來極限開關動作發生關停甚至危險。模擬量輸出切換有兩種方法：

a) 調整工況。采用現場旁通閥手動調節，逐步將調節閥隔離，此時即可將模擬量輸出端子直接接入新系統，再利用新系統手動輸出逐漸啟用調節閥控制。該方法需要耗費大量時間、人力，并且切換過程不可逆，一旦在手動控制不穩的情況下，可能發生工況波動。

b) 使用繼電器快速切換原理進行無擾動切換。該方法切換時間遠小于控制閥反應時間，基本對系統控制不會產生影響，設計原理如圖1所示。

圖1 模擬量輸出切換原理示意

24 V(DC)繼電器可以采用市面所售專用信號切換繼電器，其切換時間小于10 ms，也可以采用普通24 V(DC)4通道繼電器，普通繼電器切換時間小于100 ms[5]，而現場調節閥反應時間一般都大于500 ms。切換過程： 現場控制閥輸入端A3接繼電器觸點的公共端，給繼電器吸合線圈加電，舊系統模擬量輸出A1接常開點，此時舊系統模擬量輸出提供給現場調節閥，新系統模擬量輸出A2接常閉點，注意信號的正負極性。

當滿足切換條件時，只需將無擾切換開關K1斷開即可，觀察現場調節閥是否有劇烈動作。如有，則應迅速閉合無擾切換開關K1，查找新系統輸入輸出對應故障后再進行切換。油氣水處理工藝流程中，間歇性的波動是可以接受的，可以通過人工干預恢復正常工況而不影響處理效果。該操作簡單明了，具有可逆性，時間要求短。

模擬量輸出模塊設置為電流信號時是一個恒流源，設置為電壓信號時為一個恒壓源。在恒流源的負載斷開時，恒流源輸出電壓理論上會無限上升，但在控制系統的電源電壓最高為24 V(DC)，輸出模塊也有電壓保護，斷開負載時測量輸出電壓為24 V(DC)。當切換的瞬間，由于現場電/氣轉換器、線阻等是恒定阻值，而電壓值為24 V(DC)，瞬間電流將可能超過用戶設定值，輸出模塊卡件將迅速鉗制電流，此過程時間由輸出模塊卡件性能決定，但電流階躍時間小于1 ms；如信號輸出設置為電壓信號，則輸出卡件為1個恒壓源，負載斷開時，電壓是與用戶設定開度值對應，負載接通的瞬間，現場設備將承擔一部分電壓，導致輸出電壓值可能低于用戶設定值，但電壓階躍時間也小于1 ms。所以無論是電壓信號還是電流信號，控制系統輸出因為負載接通與斷開帶來瞬間信號階躍，對整個控制回路是沒有影響的。

2 緊急關停系統的切換

2.1 緊急關停系統的切換原理

緊急關停輸入信號對于部分原有控制系統來說，可能未設置軟件旁通，以某油田為例，ESD由2臺 SLC500組成非冗余、熱備的系統，網絡拓撲結構如圖2所示[6]。

現場的開關信號分別接入SLC 1與SLC 2，經過各自程序進行邏輯運算后輸出。并聯輸出至中間繼電器，控制繼電器的常開或常閉觸點，部分干觸點用于電氣設備跳閘控制，部分連接24 V(DC)用于控制現場電磁閥，進而控制關斷閥或放空閥。在中心控制室控制柜內設置了與現場開關并聯的旁通開關，用于在啟動現場維護時進行旁通操作。在PLC程序內部設置了2個用于相互檢測對方狀態的輸入輸出，2個輸出各自間歇2 s切換至開關狀態，如其中1臺PLC故障，停止切換，另外1臺即可檢測到對方故障，輸出報警。在類似該ESD切換時，不能通過程序強制進行輸入信號的旁通，即使同時連接2臺PLC強制，時間始終存在差異，可能造成PLC相互檢測不一致而導致關停事件。

圖2 非冗余、熱備的系統拓撲結構示意

因此，該ESD輸入信號必須在硬件旁通板上撥動旁通開關來進行輸入旁通，現場開關拆除時，不得發生接地等故障。將新系統中需要的所有輸入輸出都替代完成之后，再確認舊系統對其控制的設備已經允許關斷或關斷已經被短接、旁通之后，才能關停ESD，否則可能發生不必要的關停或危險。

2.2 緊急關停系統的輸出

ESD的輸出分為兩種： 做電氣設備跳閘線圈電源回路中的一個干觸點；用于控制現場的電磁閥，再用電磁閥去控制關斷閥、放空閥或其他執行機構。對于第一種，需將ESD提供的干觸點短接，部分電氣類設備設置了多層跳閘，下級跳閘線圈可能是使用正常斷開觸點，此時只需斷開中間1個跳閘線圈電源即可。

對于第二種控制現場關斷閥或其他執行機構時，有兩種實現方法。現場關斷閥或其他執行機構，采用ESD控制的24 V(DC)來通斷三通電磁閥氣源，切斷并放空關斷閥氣缸氣源，來控制關斷閥開關狀態。因此，第一種操作方法可以選擇對電磁閥的泄氣口進行操作，在泄氣口直接加載氣源，當電磁閥失去電源時，關斷閥無法泄氣而關閉，切換系統輸出24 V(DC)后，拆除泄氣口氣源即可。

由于部分電磁閥或其他24 V(DC)設備如果停止供電，會馬上造成生產關停，因而需采用以下不間斷供電方式切換控制系統的輸出。以某油田井口控制盤電磁閥SDY-1710為例，如圖3所示[7]。

圖3 不間斷供電方式切換控制系統的輸出示意

SDY-1710用于所有控制采油樹的地面安全閥(SSV)，地面安全閥氣源壓力被卸掉之后，引起設置在地面安全閥氣源管線上的壓力開關動作，致使電潛泵關停。氣壓的降低需要1個時間段，而實際現場卻需要迅速關停電潛泵，這時需增加電潛泵的跳閘線圈電源控制。因電潛泵柜內電壓等級較高，不可在柜內通過短接的方式進行旁通，所以SDY-1710的任何短暫性停電，都會導致所有電潛泵的關停，系統切換時必須采用不間斷供電方式。

1) 方案一。直接將新系統24 V(DC)輸出與舊系統24 V(DC)輸出正負極對應，協同給SDY-1710 供電，再斷開舊系統輸出即可。風險分析： 舊ESD的總電源為24 V(DC)開關電源，中間設置了1 A的保險，新系統的電源也為24 V(DC)開關電源，線路上設置了1 A保險。開關電源協同供電時必須設置平衡線，以達到輸出電壓等級、電壓波動一致，負載平衡，否則會導致其中某個開關電源自我保護停止輸出。傳統雙電源冗余方案設計中，2個開關電源之間設置了用于平衡輸出的平衡信號線，而一般升級改造中，很難采用同品牌的開關電源，平衡線無從設置，如果直接將新系統輸出與舊系統輸出并聯在一起，會導致其中某個電源停止輸出或者保險燒毀。

2) 方案二。使用電池中轉，先將1塊24 V(DC)鉛酸電池對應正負極搭接在舊系統輸出上，由于電池的特性，當舊系統輸出電壓超過電池電壓，舊系統會給電池充電，充電電流為兩者電壓差除以電池內阻與線路電阻，如果處于充電狀態，1 A保險不僅承受SDY線圈、中間繼電器線圈供電，還需要承受給電池充電的電流，因此導致1 A保險燒毀、SDY中斷供電；如將電池電壓充滿至24 V甚至24 V以上時，由于開關電源的特性，電池是無法通過開關電源的輸出端子放電的，此時1 A的保險電流為電池與開關電壓之差除以一個很大的阻值，電流極小，此時電池將SDY-1710線圈、中間繼電器線圈的負荷分擔過來，再停止舊系統24 V(DC)輸出，此時電池將負責SDY線圈、中間繼電器線圈供電，再將新系統輸出的24 V(DC)接入，同理1 A的保險內流過的電流將極小，斷開電池，新系統將負擔起SDY-1710線圈、中間繼電器線圈供電，達到平穩不間斷供電切換。方案二類似UPS原理，利用PLC輸入快速反應特性來對方案二進行驗證，將圖3中的ESP ESD接入PLC輸入，使用PLC輸入檢測其是否會瞬間斷開。

2.3 理論驗證

將繼電器輸入設置為I： 0/0，當繼電器得電時，常開開關閉合，一旦供電間斷，PLC將輸出鎖定O： 0/0。電磁閥為普通10 W 24 V(DC)，連接好后，模擬舊ESD的DC輸入電壓為22.3 V，電池電壓為24.5 V，另1個小型開關電源電壓設置為24 V，切換過程中未發現O： 0/0鎖定；隨后將電池電壓充滿至25.1 V，開關電源電壓不改變，切換過程中未發現PLC輸出鎖定，驗證成功。

3 結束語

通過不斷摸索、驗證，控制系統的無擾切換可以實現過程工藝的平穩運行，滿足了在控制系統切換的短暫瞬間，對過程工藝的參數影響最小的需求。筆者對實際過程控制系統的切換方案提出了新的思路，對油田的其他控制系統的在線切換具有借鑒意義。

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