海洋石油平臺的水處理控制系統設計

王慧

（博邁科海洋工程股份有限公司，天津 300457）

海洋石油平臺生產中的水處理主要是通過采用各種技術將生產水中的油分離出來，盡可能地降低油的含量，從而達到符合可以直接排放到海洋的油含量標準。而隨著科技的不斷發展，PLC這種編程邏輯控制器因其準確的控制功能，在自動控制系統中不斷得到應用。

1 加氣浮選水處理系統的工藝流程

海洋石油平臺的生產水加氣浮選處理工藝過程如圖1所示。此處理系統經過兩級的加氣浮選處理，首先將空氣和生產水注入第1個加氣浮選罐，然后將經過處理后降低了油含量的生產水注入到第2個加氣浮選罐中，將此罐中剩余的油水混合物排放到指定的收集罐中。再將空氣和第1個罐中降低了油含量的生產水注入到第2個加氣浮選罐中，然后將經過處理后符合排放要求的生產水排放到大海里，將此罐中剩余的油水混合物排放到指定的收集罐中。

圖1 水處理系統工藝流程

2 控制系統的硬件組成

該海洋石油生產平臺的生產水處理系統的運行過程，全部采用自動化控制以實現全部的功能，將所有安裝的測量儀表及調節閥通過儀表電纜連接到本地控制盤上，然后通過本地控制盤中的PLC及觸摸屏（HMI）實現系統運行的自動控制。目前市場上可供選擇的本地控制盤的防爆形式很多，考慮到海洋石油生產平臺上生產水的處理工藝及該系統實際使用的現場環境，本次選用了正壓防爆形式的本地控制盤。該正壓本地控制盤的工作流程如下。

（1）接通控制盤的主電源。（2）當主電源接通后，盤柜上安裝的控制器便會得電，控制器輸出信號給控制盤上的電磁閥，電磁閥控制本地控制盤柜上的壓力調節器，并向盤柜內部填充儀表氣，當盤柜內部壓力達到設定的壓力值，盤柜內部的PLC才能得電，此時系統開始工作。（3）在系統工作的過程中，控制器不斷檢測盤柜內部的壓力值，壓力值低于設定值，控制器輸出信號給電磁閥，電磁閥控制盤柜上的壓力調節器，并向盤柜內部填充儀表氣，使盤柜內部壓力升高，這樣就可以一直保持盤柜內部的壓力能夠滿足工作要求。（4）如果控制盤內部的壓力過低，不能滿足控制盤的工作壓力要求，則會發出一個故障報警信號，但是系統不會停止運行。此時工作人員就需要去現場對本地控制盤進行檢查，查找出故障原因，進行修復，從而保障系統的運行。

控制盤的主要技術參數有：（1）控制盤應用于Zone2的海洋環境。（2）施耐德的斷路器。（3）控制盤的供電電源為110V AC。（4）控制盤的主電源供電頻率為48～62 Hz。（5）控制盤的內部設有2個接地排，分別為電氣接地和保護接地，接地排的材質為鍍錫銅。（6）本控制盤采用的是正壓形式。（7）控制盤的防護等級為IP56。（8）控制盤的安裝方式為立式安裝。（9）控制盤的柜體材質是2 mm后的316L SS。（10）控制盤的柜體大小為1100mm x 600mm x 300mm。（11）控制盤采用底部進線的設計。（12）控制盤的內部有壓力檢測設計，帶有壓力報警設計。（13）控制盤具有自動的吹掃功能。（14）控制盤配有觸摸屏。（15）控制盤底端距離接線端子至少200mm。（16）控制盤的重量約為130 Kg。為了實現該系統的自動控制運行，還選用了施耐德的PLC、觸摸屏、電源、輸入輸出卡件、通訊電纜等實現了系統的本地控制。該系統的控制輸入、輸出信號如圖2所示。

為了能夠實現圖2所示的自動控制功能，本系統的硬件配置如下：PLC CPU一個，4路模擬量輸入/2路模擬量輸出模塊2個，觸摸屏1臺，并配有其它實現自動控制功能的輔助元器件。PLC及觸摸屏的技術參數有：（1）施耐德的PLC CPU：1個型號為TM218LDAE40DR的CPU。交流，24點輸入，14點繼電器＋2點晶體管輸出，螺釘端子，內置以太網。（2）施耐德的PLC AI/AO：2個型號為TM2AMM6HT的AI/AO 卡件。4路輸入，0～10V或0～20mA，12位精度；2路輸出，0～10V或4～20mA，12位精度。（3）施耐德的觸摸屏：1臺型號為HMIGTO2300的觸摸屏。5.7" 65k色觸摸屏，USB，2個串口。

圖2 控制輸入輸出信號

3 控制系統的軟件設計描述

海洋石油平臺生產水處理系統的自動控制功能的實現除了需要具備一定的硬件設備配置外，還需要具備能夠實現自動控制這些硬件的軟件程序。本系統的自動控制軟件的設計，主要是完成采集與處理系統內儀表的模擬量和調節閥的數字量信息，從而完成系統穩定運行的控制及系統運行的監控。

3.1 PLC程序設計描述

本自動控制系統的PLC應用程序是基于施耐德的PLC軟件來開發，實現系統運行的自動控制。以下是本控制系統的控制邏輯。

（1）首先給本地控制盤提供110V AC主電源，此時本地控制盤面上的上電指示燈會顯示為紅色，代表此時盤柜的主電源已經接通，但此時系統處于停止狀態。（2）在本地控制盤柜的盤面上設置了系統啟動按鈕，工作人員可以按下系統啟動按鈕，此時本地控制盤得電，繼而使得PLC得電，系統開始運行。控制盤面上的系統運行指示燈會變成綠色，代表此時系統處于運行狀態。（3）系統正常運行后，就需要PLC對系統進行PID控制。如果加氣浮選罐1中液位達到系統設定的液位高高值，則將該罐上的液體排出，管線上的調節閥開度調大，加快罐內液體的排放速度，將罐內的液體液位降低；如果加氣浮選罐1中液位達到系統設定的液位低低值，則將該罐上的液體排出，管線上的調節閥開度調小，降低罐內液體排放的速度，將罐內的液體液位升高。如果加氣浮選罐2中液位達到系統設定的液位高高值，則將該罐上的液體排出，管線上的調節閥開度調大，加快罐內液體排放的速度，將罐內的液體液位降低；如果加氣浮選罐2中液位達到系統設定的液位低低值，則將該罐上的液體排出，管線上的調節閥開度調小，降低罐內液體排放的速度，將罐內的液體液位升高。如果符合排放要求的生產水流經的管線中壓力值達到系統設定的壓力高點，則將該管線上的調節閥開度調大，增加管線的液體排放能力，從而降低管線中的壓力值；但如果符合排放要求的生產水流經的管線中壓力值達到系統設定的壓力低點，則將該管線上的調節閥開度調小，降低管線的液體排放能力，從而升高管線中的壓力值。通過幾個調節閥的精確調節功能保證了系統的穩定、準確運行。（4）系統的運行過程中還有一些流量，壓力的高低值報警功能，通過報警功能，如果一旦發生報警，本地控制盤上設置的蜂鳴器就會發出聲音，提醒現場的工作人員得知系統運行已出現故障，需要對系統進行檢查，確保系統的正常運行。（5）在系統控制盤柜的盤面上設置了緊急停止按鈕，如果有緊急情況需要停止系統的運行，工作人員可以通過按下緊急控制按鈕來停止系統的運行，此時控制盤面上的系統停止指示燈會變成紅色，代表此時系統已停止運行。此緊急控制按鈕是蘑菇頭的形狀，在按下此緊急運行停止按鈕后，如果想要重新啟動系統，必須將此按鈕復位才可以重新給本地控制盤上電。這樣就可以充分的保證系統運行的安全性。

3.2 觸摸屏設計描述

本控制系統使用的觸摸屏采用的是一個5.7”屏幕大小的施耐德觸摸屏，該觸摸屏上顯示的內容與系統實際的工作流程相對應，觸摸屏與PLC通過RS485通訊協議進行實時的通訊，就可以實時的接受PLC傳輸過來的系統運行數據，這樣就可以實現通過觸摸屏實時顯示系統運行的數據。于是現場的工作人員可以通過觸摸屏界面顯示的系統運行狀況，實現對系統運行的實時監控，可以實時的觀察到罐內的液位高度，以及排放大海的管線中的壓力值、流量值等。當系統發生報警時，首先工作人員會聽到本地控制盤上蜂鳴器的報警，然后工作人員可以通過點擊觸摸屏下方的系統報警按鈕進行報警信息的準確查詢，通過查詢工作人員可以得到準確的報警信息，就不需要在現場對系統進行檢查，然后查找出故障位置，這樣就可以大大縮短工作人員對系統故障查找的時間，進而能夠快速排除系統的故障。工作人員還可以點擊觸摸屏下方的運行曲線按鈕，通過切換界面，查看一段時間內系統運行的壓力、流量、液位的運行變化曲線。

4 結語

本文的設計是以PLC實現控制的海洋石油平臺生產水處理系統，并使用了觸摸屏實現對系統運行的實時監控，極大提升了系統運行的可靠性和穩定性。

參考文獻：

[1] 韓慶瑤.PLC在水處理控制系統中的應用[J]. 機械設計與制,