海上平臺注水流量集顯系統改造

王愛民

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

1 問題描述

某海上平臺共有注水流量計 10臺，流量計安裝于豎直管線上，距離地面高度達 4m 以上，流量計遠傳信號電流(4～20mA)通過IP電纜一對一傳送至中控DCS系統顯示。在現場實際使用過程中遇到2個問題。

問題 1：中控點位授權不足，無法實現全部流量信號接入中控顯示。中控無法及時精確掌握現場注水情況，故影響注水質量，進而影響平臺產量、效益。

問題 2：流量計安裝高度較高且分布比較分散，人員巡檢時需要爬到二層流量計平臺或高凳上查看流量數值，存在墜落風險，且耗時較長，效率不高。

2 改造方案

通過以上分析得知，此次改造需要滿足流量信號全部接入中控顯示和現場低高度集中顯示2項要求。

該海上平臺所有注水流量計均為菲舍波特電磁流量計，其瞬時量以 4～20mA 電流信號輸出，無累積量輸出信號。將注水流量計輸出的電流信號接入PLC的AI模塊，在PLC內進行程序運算，計算出流量計的瞬時量與累積量，通過海泰克觸摸屏進行流量數值的現場顯示，并進行當日當前累計注入量的顯示，方便得知當日注入水量的多少。每臺流量計的流量數據由S7-200 PLC通過485通信傳至中控，在中控進行組態顯示瞬時量與累積量。該平臺使用的中控系統為 Emerson公司 DELTAV系統，有備用 485接口，滿足改造要求。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture diagram

3 改造實施

3.1 PLC程序編寫

注水流量計輸出為4～20mA電流信號，通過AI模塊EM235接入西門子PLC S7-200中，需要對該信號進行相應的量程轉換得到瞬時流量。由流量計輸出的電流信號與流量成線性關系可得知：

Q瞬時量＝Q量程(I-4)/16

式中：Q瞬時量為流量計瞬時流量，Q量程為流量計量程，I為流量計輸出電流。

在 PLC內 4mA對應 PLC內機械數為 6400，20mA對應機械數為32000，所以：

Q瞬時量＝Q量程(PLC內機械數-6400)/25600

4～20mA信號電流轉換到工程量的程序編寫如圖2所示。

在通道未接線或流量計輸出略小于 4mA時上述減法運算會出現溢出，為防止溢出需對小于 4mA的信號進行過濾。由于 PLC讀入的數據是整數，為保證精度需要轉換成實數進行運算，即整數需要先轉換成雙整數，雙整數再轉換成實數。程序編寫如圖 3所示。

圖2 4～20mA轉換到工程量程序Fig.2 4 to 20mA conversion to engineering quantity program

圖3 4mA過濾及數據轉換程序Fig.3 4mA filtration and data conversion program

上述程序是針對1臺流量計的編程過程，本次改造是將10臺流量計接入PLC內，因此將上述程序做成子程序，每臺流量計的計算調用子程序即可。

累積流量就是將每個時間段內的流量累加起來的流量，為保證累積量的精度必須保證用于累加的瞬時量的準確度，那就必須設定一個極短的時間間隔才能保證瞬時流量的準確度。這樣就必須用定時中斷才能實現，并且在 PLC程序內只能運行這一個中斷程序，不允許再產生其他中斷，以防止干擾定時中斷的時間間隔的準確性。程序編寫時首先在主程序里進行中斷的使能，并設定為每100ms進行1次中斷，在中斷程序內先求出每 100ms的流量值，在每100ms中斷時進行1次流量的累加，程序編寫如圖4所示。

累計量的計算進行今日累計和昨日累計的運算，通過今日累計的查看可以更方便地進行注水量的調整，昨日累計的運算省去了現場人員每日注水量的手動計算，提高了工作效率。程序編寫時首先讀取 PLC內時間，在每天的 24點把累計量保存到上一天，并把當前累計量清零。

PLC內的流量數據通過 485遠傳至中控，需要對S7-200 PLC的PORT 0口進行初始化，PLC作為從站，中控作為主站讀取從站的數據。調用MBUS_INIT指令，PLC地址為 1，波特率為 9600，無奇偶校驗，讀取VB602開始的300個字地址數據，并添加MBUS_SLAVE指令，該指令被用于為485主設備發出的請求服務，并且必須在每次掃描時執行，以便允許該指令檢查和回答485請求。

圖4 中斷程序Fig.4 Interrupt program

3.2 觸摸屏組態

本次改造利用電泵柜升級改造換下的海泰克觸摸屏 PWS1711進行流量計瞬時量和累積量的顯示，需要對觸摸屏進行畫面組態，利用 ADP組態軟件進行畫面的組態，并實現與PLC的通信。

由于本次使用的觸摸屏 PWS1711型號較老，組態軟件只能使用ADP3.2版本。如圖5所示，在ADP軟件中點擊新應用，輸入新建應用名稱，在人機界面種類中選 PWS1711 MONO，在 PLC種類里選 S7-200，完成后在畫面菜單內選擇新建畫面。

圖5 新建應用Fig.5 New application

如圖6所示，在空白畫面中組態出需要顯示的文字和數值。瞬時流量值的顯示為直接讀取 PLC內相應存儲區的數值，選擇動態數值元件，變量讀取地址為 PLC內對應的地址。PWS1711觸摸屏型號較老，只能讀取PLC內的整數，無法直接讀取小數部分，小數部分的顯示是在組態中選擇小數位數，例如選擇一位小數就是 PLC內數值的最后一位作為小數部分顯示出來。整數位數和小數位數是顯示數值的格式。

圖6 顯示數據組態Fig.6 Display data configuration

為了便于量程的修改，設置了量程設置按鈕和畫面，量程按鈕設置點擊時打開量程設置畫面，該畫面中的量程設置選用輸入顯示元件，可以直接通過觸摸屏將量程寫入到 PLC內對應的地址。組態完成后進行編譯，編譯成功后進行組態下載，將編輯好的組態下載到觸摸屏中。

本次改造使用的接線箱為以前施工余料，由于接線箱較小，PLC與觸摸屏無法安裝到一個接線箱內，只能分別安裝到 2個接線箱內。顯示接線箱安裝高度為 1.4m 處，方便人員巡檢查看。安裝完成后，按照現場參數對顯示數據進行調整，保持顯示數據與流量計顯示數據一致，達到了流量計現場低位集中顯示的目的。

3.3 中控組態

注水流量集顯系統PLC內的數據通過485通信傳至中控，接入備用 485端口。首先將備用端口使能，高級屬性中設置為 RTU通信模式，主站通信屬性設置為 485半雙工通信模式，波特率 9600，無奇偶校驗，數據位8位，停止位1位。在P02口下新建一個串口設備，設備地址為1，見圖7。

圖7 端口設置Fig.7 Port setup

在新建的串口設備下新建2個Dataset，1個傳輸瞬時流量，1個傳輸累計流量。Dataset的 DeltaV屬性中數據類型為 16位帶符號數。Dataset的 PLC屬性中PLC數據類型為holding register，瞬時流量的地址偏移為0，讀取數據40個，累計流量的地址偏移為100，讀取數據也是40個，見圖8。

圖8 數據設置Fig.8 Data setup

在對應控制器下新建1個Control Module，命名為 FLOW-CDISPLY。在新建的 Control Module內拖入 1個 Input parameter、1個 Out input parameter和1個DIV模塊，選擇外部參數鏈接到對應的數據上，由于傳輸的是 16位的帶符號整數，要想顯示 1位小數，首先在 PLC內放大 10倍，再把讀到的數值進行除 10運算，顯示 1位小數。所以調用 DIV模塊，讀到的數據放到 IN_1，IN_2內直接寫入 10，對讀到的數進行除 10運算。依次類推做好剩下的數據處理。做完后進行保存，分配到對應控制器，并進行下裝，見圖9。

圖9 控制模塊組態Fig.9 Control module configuration

在需要顯示的畫面上右擊選擇 Quick Edie進行畫面修改，使用 Datalink鏈接到對應的數據上，并將需要顯示的數據放置到合適的位置，依次做好其他的數據，進行保存，運行。與現場數值進行核對可知，兩者的顯示數值一致，達到了注水流量數據遠傳至中控的目的。

4 效果及結論

本次改造完成后，全部流量計數據傳入中控顯示，中控能夠及時精確地掌握現場注水情況，為控制注水、注夠水提供了有效保障。現場人員對流量計數據的巡檢時間由原先的20min縮短到5min，效率提升明顯，且有效降低了工作風險，證明注水流量集顯系統搭建非常成功。

此次改造利用電泵柜升級改造替換下的 PLC及觸摸屏進行注水流量集中顯示，充分實現了舊物利用，只用了1根1P電纜和2個AI授權就實現了原先需要10根1P電纜和10個授權才能實現的功能，節省了中控點位授權和費用，同時也拓展了平臺人員設備管理的思路，為其他設備的優化改造奠定了基礎。