基于PLC的石油油樣采集系統設計與應用

令曉明，劉光廷，李 強，王銳東

（1.蘭州交通大學 國家綠色鍍膜技術與裝備工程技術研究中心，甘肅 730070；2.蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 730070；3.蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 730070）

0 引言

儲油罐中石油油樣的采集是監控油罐對原油脫水[1,2]處理效果的一項重要工作環節，通過采樣分析油罐含水率[3]的變化為及時了解原油脫水情況提供科學的依據。目前國外研究主要在原油含水率測試儀器上，而針對采樣器的研究較少。如國外的Jie Cui和PK.Chan等人針對電容法含水率測量技術介紹了一種便攜式的新型低功耗分辨率容器[4]；國內王杰則是針對油井里人工取樣代表性差等存在問題，研制出了一種采出液自動取樣器[5]。實際檢測油樣需要人工從油罐里采集，采樣器以采樣繩一米一打結的方法粗糙讀數[6]，存在取樣效率低，準確度差，危險性高等問題，夜間則需要雙人協作，遇到惡劣天氣則無法采樣，容易因采樣監控不到位導致原油含水過高影響正常生產，造成較大經濟損失[7]。針對上述問題，本文設計開發了PLC和觸摸屏相結合的油樣采集系統，實現了取樣準確定位、采樣存儲、采樣位置的記錄、歷史查詢等。

1 裝置系統結構及原理

本文所設計的裝置系統總體結構如圖1所示，包括空壓機、三位五通氣閥、采樣隔膜泵、輥筒、伺服電機、伺服電機驅動器、兩位三通油閥、流量傳感器、油樣瓶、殘油池、回油隔膜泵、PLC、觸摸屏等。

1.1 供氣裝置

供氣裝置是由空壓機、三位五通氣閥、電磁閥、超壓泄氣閥和輸氣管組成。

圖1 裝置系統總體結構圖

采用活塞式空壓機KYJ0.36/8，用于壓縮空氣把機械能轉換成氣體的壓力能輸出。石油屬于易燃易爆的物質，本系統的防爆性等級要求非常高，選用壓縮空氣來提供動力。

1.2 采集裝置

采集裝置由氣動隔膜泵（型號QBY-K10PF）、伺服電機、PL90-90型行星減速機、輥筒件、輥筒導繩器組成。

采樣時，伺服電機帶動輥筒件旋轉，輥筒件與輥筒導繩器完成收線和放線。輥筒件螺紋螺距與輥筒導繩器螺紋紋距必須相同。氣動隔膜泵不需要灌引水，能抽取流動的液體，吸程高、揚程可調（0～50m），而且防火防爆。行星減速機屬于精密型減速機構，保證采樣裝置的準確性。

1.3 回油裝置

回油裝置由殘油池、回油泵和回油管路組成。殘油池高800mm，長1000m，用于存放采集時抽出來的多余油樣。殘油最終由回油泵通過管道抽回到儲油罐里。殘液池上設有手動開關，防止因傳感器有誤導致殘液池油液過多。

2 控制系統設計

2.1 硬件設計

PLC是采用可編程微處理器為基礎一種自動控制裝置[8]，具有體積小、編程方便和穩定性高等特點，在很多行業都得到廣泛的應用[9,11]。

本系統的控制系統均采用西門子的系列產品。綜合考慮其參考精度、冗余性和經濟性三點進行選型[12]。本系統共需要I/O點15個，6個輸入和9個輸出，選擇CPU模塊為Siemens S7-200 SMART SR30，再加上4點模擬量輸入，2點模擬量輸出的Siemens EMAM06模塊，選用Siemens SMART 700 IE觸摸屏作為系統的人機界面，構成系統自動運行的控制終端。

系統上電后，伺服電機開啟電機故障檢查；PLC對流量傳感器的輸出電流（4～20mA）進行實時監測。在觸摸屏上輸入采樣高度、體積和電機轉速等值后，點擊自動采樣按鈕，PLC控制采樣泵到達指定的高度后，開始采樣，當流量傳感器監測到所需的油樣體積后，采樣泵回到初始位置，采樣結束。當殘液池中的殘油量達到設計的最高限制值即開閥液位時，PLC通過控制回油泵電磁閥啟動，將殘油池中的原油抽回到儲油罐中。

2.2 PLC軟件設計

PLC程序設計在Siemens STEP7-Micro/WIN SMART軟件操作平臺上采用梯形圖進行編寫，控制系統的程序流程如圖2所示，主要功能包括控制電機運行、采樣泵采油、模數轉換、閥門控制、回油泵控制，流量傳感器計量、數據存儲。對應的PLC網絡程序包括：系統初始化，電機初始化檢查，伺服電機運行，報警解除，將觸摸屏中電機轉速寫入PLC中，伺服電機ON/OFF控制，伺服電機驅動程序，電機正反轉中斷，中斷關閉程序，采樣泵運行的高度，將PLC中的電機高度顯示在觸摸屏上，渦輪流量傳感器初始化，流量計計量，將流量顯示在觸摸屏上，空壓機控制，采樣泵控制，回油泵控制，自動控制數據處理，電磁閥控制，伺服電機增速、勻速、加速控制及實驗數據的計算存儲。

圖2 程序流程圖

2.3 觸摸屏軟件設計

人機界面是在Siemens WinCC flexible操作平臺上開發，包括創建功能界面，I/O區域組態、觸摸手動按鍵組態、工藝畫面組態以及文本域顯示等[13]；該軟件可根據實際控制要求設計不同的工藝畫面，設計的功能界面包括：系統介紹、主控制界面、實際數據顯示界面、趨勢曲線查詢界面。其中主界面如圖3所示，可以實現各個控制元件相關參數及狀態的實時顯示；在觸摸屏上設計了手動和自動兩種方式。在手動方式下可以人工操作實現整個采樣過程；在自動控制方式下，需要提前設定好觸摸屏上的3處給定值，點擊自動采樣按鈕可自動實現整個采樣過程。

圖3 主界面

2.4 電機轉速

在自控采樣時，為了使整個裝置在采集過程中無明顯震動，要求電機轉速起步不宜過大，加、減速過程平滑無轉速波動，電機轉速控制如圖4所示。

圖4 電機轉速控制

計算公式：

式中：h為旋轉圈數，t為電機運行時間。Vmax為電機正常運行轉速，為電機加速的加速度，為電機減速的加速度。

電機的增速、減速和勻速運行控制采用模糊PID參數自整定的控制方法，其模糊PID參數自整定控制系統結構如圖5所示，與傳統的PID控制不同的是：本文設計的基于傳統PID控制和模糊控制器相結合，采用偏差e和偏差率△e作為輸入，即找到kp、Kt、Kd三個參數與e和△e之間的模糊關系，通過模糊控制原理計算出參數值，然后作用于PID控制器[14]。PID控制器輸出u(t)和輸入e(t) 關系是為：

式中：kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

本系統設計的控制策略為：當T＜0.1t時，增速運行；當0.1t≤T＜0.9t時，勻速運行，當T≥0.9t時，減速運行。

圖5 模糊PID參數自整定控制系統結構圖

圖5中r為系統輸入給定轉速；y為實際輸出轉速。

3 系統測試

經過調試后，將該采集裝置安裝在某采油廠，針對其中某一沉降罐（高11m）進行連續7天的準確性測試。自動采樣和實際采樣誤差數據對比如表1所示（部分數據），在測試中采集裝置運行穩定，采樣準確，安全保障生產，可以滿足工作人員不需要到油罐頂部就可以采集到油樣。由現場測試數據誤差取平均值計算可知，自動采樣高度給定值和實際高度誤差波動在±3%，容積給定值和實際采樣容積波動誤差在±5%。因此，該系統運行誤差在允許范圍之類，其準確性遠遠優于人工取樣，也大大減少了工人勞動強度。

表1 自動采樣和實際采樣誤差數據對比表

4 結束語

本文設計研發的基于PLC的石油油樣采集系統能有效的解決了人工采集油樣危險性高、人工勞動強度大和采集位置不準確的問題，達到了無需上罐自動采集的目的。通過現場測試驗證，該石油采集系統設計合理，運行準確，操作簡單，符合采油廠用戶實際需求，具有廣闊的市場前景。