PLC 與觸摸屏在原油脫水控制中的應用

趙現暉

（東北石油大學 電氣與信息工程學院， 黑龍江 大慶 163318）

國內多數油田仍采用傳統電脫工藝除水， 但經常存在“倒電場”的現象，影響原油脫水安全生產。 原油含水使得油田儲油罐的利用率下降，同時，含水后粘度會增大，為方便原油的集輸及脫水工藝順利進行， 通常采取加熱的方式降低粘度，但這相應的增加了對于加熱燃料熱量消耗，不利于節能。 含水率高會引起蒸餾塔內水蒸氣壓力瞬間抬升，不利于安全生產。 PLC 為控制器、觸摸屏為參量顯示界面的自動化控制系統，在對整個脫水系統的流量閉環控制、抽油泵工作方式切換、急停等方面有明顯優勢，能夠有效避免電脫工藝的弊端。

1 系統原理

結合原油含水率生產上的要求，脫水控制系統被應用于測量及監控原油的操作溫度。 原油溫度對于換熱器入口原油電磁閥的控制目標：原油溫度低于110 ℃，電磁閥關閉；原油溫度從110 ℃加熱到120 ℃，電磁閥開度為0%；原油溫度高于120 ℃，電磁閥打開；原油從120 ℃降溫至110 ℃，電磁閥開度為100%。 按照以上的控制方案，可知原油入口電磁閥狀態控制邏輯如圖1 所示。

圖1 電磁閥狀態控制Fig. 1 Electromagnetic valve state control

整個脫水系統測量換熱器上的5 個溫度監測點，溫度信號在經過PLC 的運算處理，由觸摸屏在線顯示各區域原油溫度，PLC 發送控制命令用于完成抽油電機的啟停、 電磁閥的開閉、控制方式的切換等。 PLC 與觸摸屏在串行通訊方式下，確保脫水工藝自動化生產過程的順利進行。

2 控制系統設計

原油脫水控制系統選用U 型管式脫水換熱器作為脫水工藝裝置，其結構為單殼程、雙管程。 換熱器左右兩端布置U型導熱油加熱管150 根。 整個裝置內放置5 塊等間距的弓形折流擋板，用以改善原油的換熱效果[1]。 原油脫水系統控制示意圖如圖2 所示，工藝流程：1）采用導熱油加熱含水原油，含水原油的溫度控制進油管線上電磁閥的開閉；2）含水原油進入換熱器，經過5 塊折流板，由U 型導熱油管加熱后流入收集罐。 編號為TC1-TC5 熱電偶直插到換熱器下方，經脫水后的原油輸送到外部裝置；3）產生的水蒸氣被輸送到冷凝水及餾分回收塔。 PLC 對于溫度、液位等進行控制，觸摸屏作為實時顯示工藝參數的人機界面。 通過RS232 接口，PLC 將原油溫度存入對應的存儲器，觸摸屏讀取儲存器；閥門及抽油泵的控制由PLC 的數字量輸出DO 控制，按下控制閥門開閉的按鈕，PLC 上相關的數字量輸出點接通或斷開， 從而配合繼電器控制電磁閥及抽油泵的運行。

圖2 原油脫水系統控制流程Fig. 2 Crude oil dehydration system control process

2.1 PLC

脫水系統選用西門子S7-200 系列PLC 對原油溫度、液位及抽油泵和閥門的開關進行控制。 原油溫度控制系統由S7-200 PLC、抽油泵、電磁閥、液位開關等構成。 原油的實時溫度通過智能溫控儀輸入到PLC 的模擬量輸入端，PLC 數字量輸出連接電磁閥、中間繼電器，抽油泵的啟停包含手動和自動，自動方式下，由原油的液位控制。 脫水系統的操作面板如圖3 所示， 溫控儀用于顯示5 個指點位置的原油溫度；WECON 觸摸屏實時顯示脫水參數；并安裝泵、電磁閥開關按鈕以及電源指示燈； 轉換開關SA1-SA3 做工作方式的切換。PLC 與觸摸屏采用串口通信協議進行數據交互[2]，PLC 設定為主站，觸摸屏設定為從站，采用9 針的RS232 接口通訊線纜連接主從設備， 分別在觸摸屏及PLC 上設置通訊參數，使波特率、停止位、數據位、校驗格式等保持一致。

圖3 控制系統操作面板Fig. 3 The control system operation panel

轉換開關SA1 作為進油閥的自動和手動功能切換。 當SA1 撥到自動擋，SA1B 接通，同時SA1A 斷開；PLC 的輸入點I0.6 接通，進油閥的開關完全受控于原油的溫度，程序內設定的上限溫度為35 度，下限溫度為30 度，程序說明：1）當原油溫度小于30℃時，RS 觸發器的輸出Q0.1 為1， 中間繼電器KA2 線圈得電，對應的常開觸點KA2 接通，進油閥供電電源回路接通，進油閥關閉；2）溫度從30℃上升到35℃過程，Q0.1仍然為1，進油閥仍關閉；3）溫度大于等于35℃時，RS 觸發器的輸出Q0.1 為0，中間繼電器KA2 線圈失電，對應的常開觸點KA2 斷開，進油閥供電電源回路斷開，進油閥打開；4）溫度從35℃下降到30℃過程中，Q0.1 仍為0， 進油閥仍打開。 當SA1 撥到手動擋，SA1B 斷開，同時SA1A 接通，進油閥的開關由操作面板的按鈕（SB4，SB5）完成。 進油閥的程序流程圖如圖4 所示。

圖4 原油進油閥程控流程圖Fig. 4 Crude oil inlet valve program flow chart

轉換開關SA2 作為回流閥自動和手動功能切換，當SA2撥 到 自 動 擋，SA2B 接 通， 同 時SA2A 斷 開，PLC 的 輸 入 點I0.7=1 接通，回流閥的開關受控于導熱油的溫度，調試溫度為35 ℃，當導熱油的溫度大于等于該值，Q0.2 置位接通，中間繼電器KA3 所在回路接通，KA3 的線圈得電，對應的常開觸點KA3 閉合，進而回流閥所在的供電電源回路接通，回流閥打開。 當導熱油的溫度低于該值，Q0.2 復位斷開， 中間繼電器KA3 所在回路斷開，KA3 線圈失電，對應的常開觸點KA3 斷開，進而回流閥所在的供電電源回路斷開，回流閥關閉。 回流閥的程序流程圖如圖5 所示。

圖5 回流閥程控流程圖Fig. 5 Backflow preventer program flow chart

轉換開關SA3 作為抽油泵電機的手動和自動功能切換。 當SA3 撥到自動擋，SA3B 接通的同時SA3A 斷開，PLC的輸入點I1.3=1 接通， 抽油泵的啟停完全由脫水原油的液位來控制，當原油的液位處于下限值，對應的下浮球液位開關KS2 接通，KS2 接通使得I0.1=1。 當液位處于上限值，對應的上浮球液位開關KS1，KS2 全部接通，Q0.0=1，中間繼電器KA1 線圈得電，對應的常開觸點KA1 接通，接觸器線圈得電，主觸頭閉合，抽油泵電機啟動。 當原油的液位介于上下限之間，KS2 接通，KS1 斷開；Q0.0=1，抽油泵啟動；當原油的液位低于下限值，KSA，KS2 全部斷開，Q0.0=0， 中間繼電器KA1 線圈失電，對應的常開觸點KA1 斷開，接觸器線圈失電，主觸頭斷開，抽油泵電機停止運行。 SA3 撥到手動擋，SA3B 斷開的同時SA3A 接通，PLC 的輸入點I1.3=0，抽油泵的啟停由操作面板的按鈕（SB1，SB2）完成。抽油泵啟停控制流程如圖6 所示。

圖6 抽油泵程控流程圖Fig. 6 Pump flow chart of SPC

2.2 觸摸屏

觸摸屏讀取PLC 內部對應的存儲溫度值的地址，并且把地址的內容顯示到人機界面[3]。 K 型熱電偶是溫度控制儀的輸入信號， 溫控儀輸出與溫度對應的是4～20 mA 的電流，溫度和輸出的電流呈線性關系，電流所對應的溫度值在智能溫控儀上設定，長按“set”，把P－SH 高滿度顯示設定為30，P－SL低滿度顯示設定為10，當熱電偶檢測的溫度為10 ℃時，溫控儀輸出4 mA；檢測的溫度為30℃時，溫控儀輸出20 mA。 溫控儀的變送4～20 mA 輸出是作為EM235 的輸入。 西門子S7－200 PLC 內部模擬量和數字量之間的對應關系為4～20 mA 和6400－32000，熱電偶測量溫度與變送輸出的對應關系為10～30 ℃和4～20 mA，觸摸屏上顯示的溫度即為熱電偶測量到的溫度，觸摸屏直接讀取PLC 的地址，溫度信號首先在PLC 內被轉換為6400－32000 的數字量，通過梯形圖程序，把數字量轉換成實際測量的溫度。 假設實驗環境溫度為Y，溫度對應的數字量為X， 溫度與數字量之間的線性關系為Y=（30－10）/（32 000－6 400）X+K，溫度為10℃時，電流轉換成的數字量為6 400，解得K=5。 所以溫度和數字量直接的關系為Y=X/1 280+5，X－輸入電流在EM235 內經過A/D 轉換后的數字量。 在STEP7 軟件上的程序如圖7 所示。

圖7 電流－溫度轉換程序Fig. 7 Current-the temperature conversion program

觸摸屏上電后，首先進入“初始畫面”即原油脫水系統控制界面，點擊“進入系統”按鈕，進入主畫面，主畫面由系統控制、系統狀態、初始畫面組成，點擊“系統控制”進入控制界面，進油閥開關按鈕，回流閥開關按鈕，電機啟停按鈕。 點擊“主畫面”按鈕，將返回到主畫面，在主畫面下點擊“系統狀態”，進入系統狀態監控畫面，畫面實時地顯示原油及導熱油溫度參數。 同樣，點擊右下角“主畫面”按鈕，將返回到主畫面[4]。 PLC 熱電偶采集溫度信號轉換成4～20 mA 信號輸入到PLC 的模擬量擴展模塊， 在PLC 內部經過A/D 轉換和運算，將實際測到的原油及導熱油溫度值保存到VD12，VD16，VD20，VD24，VD28，VD32 存儲器中，分別對應原油的溫度監測點TC1、TC2，TC3，TC4，TC5 及導熱油溫度，如圖9 所示。觸摸屏和PLC 通訊成功后，PLC 將VD12，VD16，VD20，VD24，VD28，VD32 這5 個溫度值發送給觸摸屏的數值輸入/顯示控件，預先將對應的控件與存儲器地址做正確的映射[5]。 實現了在觸摸屏上實時顯示溫度參數， 觸摸屏上的溫度采用32 位浮點數顯示，溫度值帶有一位小數點。 將觸摸屏上顯示的溫度與操作面板上溫控儀測到的溫度做比較，兩者一致，程序實現調試成功[6]。

對系統狀態畫面下的各個按鈕作以下說明：在使用觸摸屏的按鈕控制閥門和電機時， 需要預先將對應的轉換開關（SA1，SA2，SA3）撥到手動擋。 1）首先進油閥的開關按鈕與PLC 的輸出點Q0.3 關聯，SA1 撥到手動。當按下“開進油閥”，Q0.3 復位。 中間繼電器KA7 線圈失電，對應的常開觸點KA7斷開，中間繼電器KA4 的線圈失電，常開觸點KA4 斷開，進油閥打開。 按下“關進油閥”，Q0.3 置位。 中間繼電器KA7 線圈得電，對應的常開觸點KA7 接通，中間繼電器KA4 的線圈得電，常開觸點KA4 接通，進油閥關閉；2）SA2 撥到手動，回流閥的開關按鈕與PLC 的輸出點Q0.4 關聯， 按下 “開回流閥”，Q0.4 置位，中間繼電器KA8 線圈得電，對應的常開觸點KA8 接通，從而使中間繼電器KA5 的線圈得電，對應的常開觸點KA5 接通，回流閥打開；按下“關回流閥”，Q0.4 復位，中間繼電器KA8 線圈失電，對應的常開觸點KA8 斷開，從而使中間繼電器KA5 的線圈失電，對應的常開觸點KA5 斷開，回流閥關閉；3） SA3 撥到手動， 抽油泵電機的啟停按鈕與PLC的輸出點Q0.5 關聯，按下“啟動抽油泵”，Q0.5 置位，中間繼電器KA9 線圈得電，對應的常開觸點KA9 接通，從而使中間繼電器KA6 的線圈得電，對應的常開觸點KA6 接通，接觸器的線圈通電，主觸頭閉合，抽油泵電機啟動；按下“停止抽油泵”，Q0.5 復位，中間繼電器KA9 線圈失電，對應的常開觸點KA9 斷開，從而使中間繼電器KA6 的線圈失電，對應的常開觸點KA6 斷開，接觸器的線圈斷電，主觸頭斷開，抽油泵電機停止運行。 控制回路的電氣原理圖如圖8 所示。

圖8 控制回路電氣原理圖Fig. 8 The control circuit of electric schematic diagram

3 結 論

實驗證明，脫水系統的控制精度達到了設計要求，原油脫水后含水率0.5%以下， 抽油泵對原油的液位反應靈敏，在上下限液位點，抽油泵啟停正常。 溫控儀的溫度讀數與觸摸屏上的顯示誤差在0.1 ℃左右，能夠滿足原油脫水工藝要求。轉換開關可方便地實現功能切換，原油的溫度有效地控制電磁閥的開閉。 PLC 與觸摸屏聯合使用，提高了原油脫水的自動化控制水平， 可對油田上傳統脫水裝置進行技術升級，減少操作人員的勞動強度、改善原油脫水的生產效率。

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