淺談?dòng)吞镂鬯幚硪惑w機(jī)自控系統(tǒng)

張旭明 王海亭 緱小軍 劉建軍 趙麗麗

摘 要：介紹埕海1-1人工島污水處理一體機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)，并結(jié)合一體機(jī)的運(yùn)行、設(shè)備的控制、儀表的監(jiān)測(cè)，淺談一些運(yùn)行中存在的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：自控系統(tǒng);PLC;PROFIBUS-DP網(wǎng);污水處理一體機(jī)

一、 概述

埕海1-1人工島位于渤海灘涂，面積約為140×140平方米，是集鉆、采、注、輸為一體的綜合型生產(chǎn)單位。具備油氣分離、集輸、污水處理回注、消防電力配套等功能。

污水處理一體機(jī)是污水處理工序的關(guān)鍵設(shè)備，油井采出水經(jīng)加藥、沉淀等工序處理后由污水處理一體機(jī)進(jìn)行處理，然后回注。人工島配置2臺(tái)污水處理一體機(jī)，其自控系統(tǒng)包括一套S7-300 PLC系統(tǒng)和一個(gè)觸摸屏。自控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是一體機(jī)正常運(yùn)行，提高注水水質(zhì)，保障油井穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵。

二、自控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

埕海1-1人工島污水處理機(jī)自控系統(tǒng)包括一套西門(mén)子S7-300 PLC和一個(gè)觸摸屏，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PLC控制一體機(jī)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。觸摸屏是一體機(jī)的人機(jī)接口，安裝于控制柜門(mén)上，進(jìn)行一體機(jī)的狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置。觸屏與S7-300 PLC通過(guò)485協(xié)議MODBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

1、 S7-300 PLC系統(tǒng)組成

一體機(jī)PLC控制系統(tǒng)包括一臺(tái)主站、三臺(tái)遠(yuǎn)程站，主站和遠(yuǎn)程站之間通過(guò)FROFIBUS-DP網(wǎng)相連。硬件配置如圖2所示。

PLC主站包括1個(gè)電源模塊、1個(gè)CPU模塊和1個(gè)485通訊模塊。電源模塊提供24V直流電源。CPU模塊運(yùn)行用戶程序，執(zhí)行控制功能。485通訊模塊采用CP341-RS422/485（6ES7 341-1CH01-0AE0），是帶有RS422/485接口的通訊處理器，通過(guò)CP341-RS422/485模塊PLC主站作為MODBUS從站與作為觸摸屏進(jìn)行通訊。

PLC主站通過(guò)CPU模塊的DP口連接PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與三個(gè)遠(yuǎn)程站進(jìn)行通訊。三個(gè)遠(yuǎn)程站的DP網(wǎng)地址分別為3、4、5，遠(yuǎn)程站包括電源模塊、IM153-1模塊、IO模塊，電源模塊為遠(yuǎn)程站提供24V直流電源，遠(yuǎn)程站通過(guò)IM153-1模塊連接FROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)作為DP從站與PLC主站進(jìn)行通訊。IO模塊包括開(kāi)關(guān)量輸入模塊DI32*DC24V、開(kāi)關(guān)量輸出模塊DO16*Rel.AC120/230V、模擬量輸入模塊AI8*12Bit。

輸入模塊DI32*DC24V包含32路開(kāi)關(guān)量DC24V輸入。用于標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)、按鈕、兩線制閥位開(kāi)關(guān)。

開(kāi)關(guān)量輸出模塊DO16*Rel.AC120/230V包括16路繼電器輸出。用于連接電磁閥、接觸器、指示燈、繼電器等。負(fù)荷電壓直流120V，交流電壓230VAC。

模擬量輸入模塊AI8*12Bit包括8路模擬量輸入，在本系統(tǒng)中連接4-20mA兩線制壓力變送器。

三、污水處理一體機(jī)的組成

埕海1-1人工島包括兩臺(tái)污水處理一體機(jī)，由一套PLC系統(tǒng)統(tǒng)一控制。每臺(tái)污水處理一體機(jī)包括側(cè)向流分離室1套，3臺(tái)核桃殼過(guò)濾器并聯(lián)運(yùn)行，3臺(tái)纖維球過(guò)濾器并聯(lián)運(yùn)行。每個(gè)過(guò)濾器包括1個(gè)攪拌器和5個(gè)氣動(dòng)閥，分別為過(guò)濾進(jìn)口閥、過(guò)濾出口閥、反沖進(jìn)口閥、反沖出口閥、排油閥。核桃殼過(guò)濾器和纖維球過(guò)濾器可單獨(dú)進(jìn)行反沖洗。此外，為兩臺(tái)污水處理一體機(jī)配2臺(tái)反沖泵，一用一備;每臺(tái)一體機(jī)配1臺(tái)總排油閥和1臺(tái)總排泥閥。

四、工藝流程

污水處理一體機(jī)的主要工藝路線如下圖3所示。

含油污水經(jīng)斜板室分離，上浮的油經(jīng)自動(dòng)排油閥定時(shí)排入污油回收系統(tǒng)，沉淀物經(jīng)自動(dòng)排泥閥定時(shí)排入污泥回收系統(tǒng)。

經(jīng)斜板分離室處理后的水進(jìn)入核桃殼過(guò)濾器，利用核桃殼濾料的攔截及吸附作用，去除水中的油及懸浮物。經(jīng)核桃殼過(guò)濾器處理后的水進(jìn)入纖維球過(guò)濾進(jìn)一步處理，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定。

五、系統(tǒng)控制方式和控制邏輯

在一體機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)濾室逐室反洗，各個(gè)過(guò)濾器在過(guò)濾方式和反沖洗方式交替循環(huán)運(yùn)行。在過(guò)濾方式下，過(guò)濾進(jìn)口閥和過(guò)濾出口閥打開(kāi)，對(duì)進(jìn)入過(guò)濾器的污水進(jìn)行過(guò)濾;在反沖洗方式下，反沖進(jìn)口閥和反沖出口閥打開(kāi)，攪拌器運(yùn)行，反沖泵運(yùn)行，對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗。

一體機(jī)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，在手動(dòng)方式下，通過(guò)控制柜面板上的按鈕和選擇開(kāi)關(guān)可單獨(dú)操作各個(gè)設(shè)備的啟停，手動(dòng)方式僅用于設(shè)備調(diào)試和維護(hù)。在自動(dòng)方式下，PLC按照設(shè)定的反洗周期和反洗持續(xù)時(shí)間控制各個(gè)過(guò)濾室自動(dòng)進(jìn)行過(guò)濾和逐室反洗。并進(jìn)行自動(dòng)排油。反洗周期為8小時(shí)，反洗持續(xù)時(shí)間為20分鐘。每個(gè)過(guò)濾室過(guò)濾開(kāi)始120分鐘后，進(jìn)行該過(guò)濾室的排油;排油20分鐘。

六、常見(jiàn)故障及運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

1、問(wèn)題一：反沖洗泵就地可以啟動(dòng)、停止，遠(yuǎn)程能啟動(dòng)、不能停止。

原因分析：反沖洗泵主回路由配電室的MCC柜控制，主回路的控制回路原理圖如圖4所示。

在圖4中是反沖洗泵主回路接觸器的控制回路，具有自保持功能。L和N分別代表220VAC控制電壓的零線和火線。KM1表示反沖洗泵主回路的接觸器，KA1和KA2分別表示MCC柜內(nèi)的啟動(dòng)和停止繼電器觸點(diǎn)。當(dāng)繼電器KA1得電時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM1得電反沖洗泵運(yùn)行，并通過(guò)繼電器的輔助觸點(diǎn)自保持。當(dāng)繼電器KA2得電時(shí)，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器KM1失電反沖洗泵停止。

查看PLC及就地操作的反沖洗泵啟動(dòng)、停止輸出信號(hào)接線原理圖如圖5所示。

在以上圖5中，KA1和KA2表示MCC柜內(nèi)的啟動(dòng)和停止繼電器線圈，KA8和KA9表示PLC控制柜內(nèi)的反沖洗泵啟動(dòng)、停止繼電器。在就地操作盤(pán)上，選擇開(kāi)關(guān)選到就地位時(shí)1與2接通，就地操作盤(pán)上的自復(fù)位選擇開(kāi)關(guān)選到啟動(dòng)位一次，5與6接通一次，KA1線圈得電觸點(diǎn)閉合一次，通過(guò)圖4自保持電路使反沖洗泵啟動(dòng);自復(fù)位選擇開(kāi)關(guān)選到停止位一次，7與8接通一次，KA2線圈得電觸點(diǎn)閉合一次，通過(guò)圖4電路使反沖洗泵停止。在就地操作盤(pán)上，選擇開(kāi)關(guān)選到遠(yuǎn)方位時(shí)3與4接通，此時(shí)，PLC輸出反沖洗泵啟動(dòng)信號(hào)，繼電器KA8得電，9和10接通，KA1線圈得電觸點(diǎn)閉合，通過(guò)圖4自保持電路使反沖洗泵啟動(dòng);PLC輸出反沖洗泵停止信號(hào)時(shí)，繼電器KA9得電11和12接通，KA2線圈得電觸點(diǎn)閉合，通過(guò)圖4電路使反沖洗泵停止。

通過(guò)STEP7軟件查看PLC程序，發(fā)現(xiàn)反沖洗泵的停止控制邏輯如圖6所示。

從圖6所示的PLC程序可知，PLC反沖洗泵啟動(dòng)指令消失后停止指令輸出3秒，之間無(wú)啟停聯(lián)鎖條件。

故障現(xiàn)象是：反沖洗泵就地可以啟動(dòng)、停止，遠(yuǎn)程能啟動(dòng)、不能停止。從以上分析可得出故障原因是PLC控制柜內(nèi)的反沖洗泵停止繼電器故障，更換后恢復(fù)正常。

2、問(wèn)題二：PLC的所有輸出模塊都沒(méi)輸出

故障分析：主站CPU的DP燈閃、SF燈亮，從站153接口模塊的DP燈亮。通過(guò)STEP7軟件監(jiān)控PLC程序運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行正常。用軟件監(jiān)控硬件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)主站與三個(gè)從站的通訊都不通。通過(guò)以上現(xiàn)象分析得知，故障原因有以下幾種可能：

主站與3號(hào)從站之間的DP網(wǎng)線故障

主站或3號(hào)從站上的DP網(wǎng)插頭故障

主站上的CPU故障

更換主站與3號(hào)從站之間的DP網(wǎng)線后故障仍存在;更換主站和3號(hào)從站上的DP網(wǎng)插頭后故障仍未消失。將DP網(wǎng)線和DP插頭恢復(fù)原狀后，更換CPU模塊后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

3、問(wèn)題三：PLC的CPU模塊故障與所有從站的通訊中斷后，所有輸出模塊都沒(méi)輸出，現(xiàn)場(chǎng)所有氣動(dòng)閥關(guān)閉，突然不能過(guò)濾也不能反洗;而此時(shí)由于圖4電路的自鎖功能反沖泵不停，導(dǎo)致憋泵。

4、問(wèn)題四：一體機(jī)不自動(dòng)反洗。

原因：反洗周期參數(shù)丟失，回零。

處理措施：臨時(shí)將周期參數(shù)在程序內(nèi)寫(xiě)死。更換CPU模塊后問(wèn)題解決。

5、運(yùn)行維護(hù)體會(huì)

埕海1-1人工島配置兩臺(tái)污水處理一體機(jī)，在工藝上一用一備。當(dāng)某一臺(tái)一體機(jī)檢修時(shí)，另一體投運(yùn)，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。但是，在設(shè)計(jì)上兩臺(tái)一體機(jī)配了一套PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)PLC系統(tǒng)癱瘓時(shí)，兩臺(tái)一體機(jī)都無(wú)法運(yùn)行，還會(huì)導(dǎo)致反沖洗泵憋泵。

應(yīng)對(duì)措施：

加強(qiáng)對(duì)PLC系統(tǒng)的維護(hù)，保證PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

對(duì)PLC系統(tǒng)的CPU模塊進(jìn)行離線備份，下裝好程序，萬(wàn)一CPU模塊故障導(dǎo)致PLC系統(tǒng)癱瘓時(shí)立刻換上，縮短故障處理時(shí)間。

將PLC的故障報(bào)警信號(hào)引到中控室的DCS系統(tǒng)。PLC故障時(shí)，中控室可及時(shí)知道。

過(guò)濾進(jìn)口閥和過(guò)濾出口閥選氣關(guān)閥;反沖進(jìn)口閥和反沖出口閥選氣開(kāi)閥;將PLC的故障信號(hào)與反沖洗泵的停止信號(hào)并起。當(dāng)PLC系統(tǒng)癱瘓或失電時(shí)，過(guò)濾進(jìn)口閥和過(guò)濾出口閥自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行過(guò)濾，反沖進(jìn)口閥和反沖出口閥自動(dòng)關(guān)閉，反沖洗泵自動(dòng)停止，暫時(shí)不沖洗，降低PLC故障對(duì)生產(chǎn)的影響。

7 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在各油田都進(jìn)行油井采出水回注，污水處理一體機(jī)是油田生產(chǎn)的重要設(shè)備，加強(qiáng)維護(hù)保證穩(wěn)定其運(yùn)行可提高注水質(zhì)量，對(duì)提高油田產(chǎn)量具有非常重要的意義。通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)和采取改進(jìn)措施，大大降低了一體機(jī)的故障率;即使偶爾發(fā)生故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，快速處理;同時(shí)通過(guò)采取進(jìn)一步措施使故障狀態(tài)對(duì)生產(chǎn)的影響降到最低。下一步將通過(guò)優(yōu)化調(diào)整核桃殼過(guò)濾器和纖維球過(guò)濾器的反洗持續(xù)時(shí)間和反洗周期來(lái)延長(zhǎng)過(guò)濾材料的壽命，提升一體機(jī)的處理能力，降到運(yùn)行成本，為企業(yè)創(chuàng)造效益。

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作者簡(jiǎn)介：

張旭明， 男，1981年生，工程師，大港油田灘海開(kāi)發(fā)公司第三采油作業(yè)區(qū)，畢來(lái)于石油大學(xué)（華東）石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任灘海開(kāi)發(fā)公司第三采油作業(yè)區(qū)工程師。