原油油品自動取樣在SCADA系統(tǒng)上的高度集成化

朱同 董飛 陳婉秋 尹后鳳

1廊坊開發(fā)區(qū)中油龍慧自動化工程有限公司

2中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

3中國石油管道局工程有限公司第一分公司

4華港燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司

自動取樣分為時間比例取樣和流量比例取樣兩種方式，時間比例取樣基于總采樣時間和需要采集量，計算采樣時間間隔，該種取樣方式以時間為基數(shù)，取樣頻率在整個取樣過程維持不變，是一種平均取樣。流量比例取樣基于發(fā)油批次總量和需要采集量計算采樣時間間隔，并與流速有關(guān)，取樣頻率與流速成比例[1]。在SCADA 系統(tǒng)HMI 操作控制界面，顯示取樣瓶質(zhì)量、當(dāng)前取樣次數(shù)、總?cè)哟螖?shù)、總?cè)訒r間以及采集量等重要參數(shù)，下發(fā)取樣總時間設(shè)定、取樣瓶質(zhì)量超限設(shè)定、采集量設(shè)定和發(fā)油總量設(shè)定等，所描述的是基于施耐德PLC的原油自動取樣，是在站場SCADA 系統(tǒng)已有PLC 與工控上位機(jī)Vijeo Citect的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)建，通過在PLC機(jī)柜內(nèi)改造接線和程序畫面的編程組態(tài)，實現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)整合原油油品自動取樣功能[2]，并在乍得Ronier-Kome原油管道投入使用。

1 取樣裝置組成

1.1 取樣工藝系統(tǒng)

油品取樣工藝流程主要由靜態(tài)混合器、管線取樣頭、過濾器、流量開關(guān)、循環(huán)泵、止回閥、手動閥、球閥壓力表以及采樣柜組成。圖1為自動取樣工藝流程圖。

圖1 自動取樣工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of automatic sampling

（1）靜態(tài)混合器。流體在管線中流動沖擊各種類型板元件，增加流體層流運動的速度梯度或形成湍流，使流體進(jìn)一步分割混合，最終混合形成所需要的乳狀液。通過設(shè)置靜態(tài)混合器，可以使管線中的原油和水充分混合，到達(dá)取樣時所要求的均勻分散狀態(tài)[3]。

（2）管線取樣頭。插入工藝管線獲取原油樣品。

（3）過濾器。過濾混合原油樣液中的雜質(zhì)，清潔油品，保護(hù)采樣柜中的取樣馬達(dá)、取樣器等設(shè)備，提高取樣分析精度。

（4）循環(huán)泵。取樣工藝管線中的動力設(shè)備，使油品從站場工藝管道到取樣管線再到站場工藝管道間循環(huán)流動。

（5）止回閥。防止原油油品倒流。

（6）流量開關(guān)。信號上傳PLC，用于檢測管道內(nèi)是否有流量，當(dāng)PLC檢測到開關(guān)閉合時，才能開始自動取樣。

1.2 采樣柜

采樣柜主要放置取樣馬達(dá)（采樣器）、取樣管線、取樣瓶、電子秤和換向閥等設(shè)備，PLC通過電纜與取樣馬達(dá)、換向閥、電子秤連接，控制馬達(dá)動作和換向閥的開關(guān)，采集電子秤取樣瓶的質(zhì)量數(shù)據(jù)[4]。圖2為采樣柜內(nèi)設(shè)備示意圖。

圖2 采樣柜設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment in the sampling cabinet

（1）取樣馬達(dá)。從取樣工藝管線抽取原油，通過取樣管線注入取樣瓶內(nèi)。

（2）換向閥。用于取樣瓶切換，當(dāng)1#取樣瓶取樣到達(dá)上限后，換向閥自動切換至2#取樣瓶繼續(xù)取樣。

（3）取樣瓶、電子秤。取樣瓶用于盛裝原油樣品，電子秤計量取樣瓶質(zhì)量。

2 自動取樣模式

自動取樣模式分為時間比例取樣和流量比例取樣，對于流速恒定工況，一般使用時間比例取樣，取樣時間間隔一定，屬于平均取樣。流量比例取樣，根據(jù)流速變化調(diào)整取樣間隔，取樣前需提前設(shè)定批次發(fā)油量。自動取樣啟動前會檢查安裝在取樣工藝管線的流量開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)循環(huán)泵啟動，管線內(nèi)原油混合液開始流動后，流量開關(guān)閉合，就具備了自動取樣的前提條件[5]。

2.1 時間比例取樣

調(diào)度員在操作員工作站輸入總采樣時間t總，輸入需要采集量V采，下達(dá)至PLC，計算總采集次數(shù)與采樣時間間隔，以采樣時間間隔進(jìn)行計時，驅(qū)動取樣馬達(dá)進(jìn)行油品采樣，并記錄實際采樣次數(shù)，取樣瓶超重后通過程序驅(qū)動換向閥更換備用取樣瓶，達(dá)到總?cè)哟螖?shù)或備用取樣瓶超重時停止取樣[6]。圖3 為時間比例取樣邏輯框圖。

2.2 流量比例取樣

圖4 流量比例取樣邏輯框圖Fig.4 Logic block diagram of flow proportional sampling

調(diào)度員輸入發(fā)油批次總量V總，輸入需要采集量V采，下 達(dá) 至PLC，計算總采集次數(shù)N總，計算容積采樣比例間隔，計算采樣時間間隔，以采樣時間間隔進(jìn)行計時，驅(qū)動取樣馬達(dá)，進(jìn)行油品采樣，并記錄實際采樣次數(shù)，取樣瓶超重后通過程序驅(qū)動換向閥更換備用取樣瓶，達(dá)到總?cè)哟螖?shù)，或備用取樣瓶超重時停止取樣[6]。圖4為流量比例取樣邏輯框圖。

3 SCADA系統(tǒng)組態(tài)

3.1 施耐德PLC組態(tài)開發(fā)

PLC 控制器采用施耐德Unity 67160 系列冗余CPU，取樣馬達(dá)和換向閥的控制由PLC控制器驅(qū)動DO 模塊下發(fā)24V DC 控制電壓執(zhí)行，DO 模塊采用Unity 140DDO84300，與現(xiàn)場取樣馬達(dá)、換向閥之間設(shè)置繼電器[7]。電子秤取樣瓶質(zhì)量數(shù)據(jù)通過4～20 mA電流信號上傳施耐德PLC AI 模塊，模塊型號為140AVI03000。PLC的系統(tǒng)配置如圖5所示。

圖5 施耐德PLC系統(tǒng)配置Fig.5 Schneider PLC system configuration

在施耐德PLC 中利用功能塊語言開發(fā)邏輯程序，按照時間比例取樣與流量比例取樣邏輯框圖進(jìn)行編程[8]。站控調(diào)度員可以通過選擇取樣瓶A 或者取樣瓶B 下發(fā)時間比例取樣和流量比例取樣命令，命令下發(fā)開始啟動取樣后，程序進(jìn)入取樣監(jiān)視狀態(tài)，觸發(fā)取樣執(zhí)行中報警，并開始記錄取樣次數(shù)與取樣累計時間，在HMI 畫面顯示當(dāng)前取樣模式，當(dāng)前取樣次數(shù)自動計算，以自動下發(fā)的脈沖命令為基礎(chǔ)進(jìn)行取樣次數(shù)計算。當(dāng)取樣瓶質(zhì)量到達(dá)當(dāng)前設(shè)定上限或者取樣時間和取樣次數(shù)到達(dá)，自動取樣停止，HMI畫面顯示取樣停止報警。除此之外，人工也可以手動點擊HMI 畫面的取樣停止按鈕停止自動取樣[9]。

取樣脈沖命令的持續(xù)時間也決定了油品取樣效果的好壞，脈沖命令用于驅(qū)動取樣馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動的時間長短會決定每次取樣量的多少，通過查詢?nèi)友b置的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，取樣馬達(dá)的取樣流速V取為100 mL/s，總?cè)恿颗c設(shè)定的總?cè)訒r間或發(fā)油量和管道流速有關(guān)。因此每次取樣脈沖時間都需要根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行計算，計算公式為Tp=，將Tp作為PLC DO 模塊通道輸出24 VDC 的保持時間。

程序開發(fā)了取樣自動切換功能，當(dāng)事先選擇的取樣瓶質(zhì)量到達(dá)上限值后，而另一個取樣瓶還未進(jìn)行取樣，并且取樣次數(shù)也未達(dá)到總?cè)哟螖?shù)，則進(jìn)行取樣瓶換向切換，程序驅(qū)動PLC DO 模塊動作換向閥進(jìn)行換向，把注入孔對準(zhǔn)空的備用瓶繼續(xù)取樣。

取樣瓶質(zhì)量信號丟失應(yīng)立即停止取樣，如果在自動取樣過程中電子秤損壞或者信號采集發(fā)生故障，由于程序始終檢測不到質(zhì)量數(shù)據(jù)，就無法與上限值比較，只能通過比較當(dāng)前采樣次數(shù)與總采集次數(shù)來決定是否停止自動取樣。如果在取樣次數(shù)未到達(dá)之前，取樣瓶質(zhì)量信號始終處于斷線狀態(tài)，換向閥無法動作，取樣馬達(dá)一直往一個取樣瓶注入原油，就造成原油溢出，會產(chǎn)生比較危險的后果。因此在程序開發(fā)時，加入了質(zhì)量信號丟失后立即切換至另一個取樣瓶進(jìn)行取樣的邏輯，并上傳取樣瓶質(zhì)量丟失報警和取樣瓶切換報警。如果另一個取樣瓶質(zhì)量也到達(dá)上限或已經(jīng)發(fā)生過取樣瓶切換，立即停止自動取樣，并產(chǎn)生保護(hù)報警至HMI畫面顯示。

在實現(xiàn)以上邏輯控制功能外，還對自動取樣進(jìn)行了以下兩種保護(hù)控制功能開發(fā)：

（1）取樣馬達(dá)故障或PLC取樣控制輸出故障造成單次取樣量減少或空取。取樣馬達(dá)故障或PLC控制輸出故障后，會造成單次取樣量減少或憑空取樣，因此在程序開發(fā)時，每取10 次樣，就記錄取樣瓶增重，再取10 次樣時，再記錄取樣瓶增重。與上一個10 次取樣瓶增重值進(jìn)行比較，如果差值超過40%，在SCADA 系統(tǒng)HMI 上位機(jī)產(chǎn)生一條警告報警，并在PLC 程序中將上一個10 次取樣瓶增重值記錄鎖存，程序繼續(xù)每隔10 次取樣就計算一次取樣瓶增重值，連續(xù)3次取樣瓶增重值與出現(xiàn)告警時記錄鎖存的增重值相比差值均超過40%，就在SCADA 系統(tǒng)HMI 畫面產(chǎn)生取樣故障報警，提示調(diào)度員，由調(diào)度員決定是否停止取樣，或去現(xiàn)場進(jìn)行查實。取樣停止、取樣瓶切換和出現(xiàn)取樣故障報警時，增重記錄全部清零，取樣瓶切換和出現(xiàn)取樣故障報警時原增重記錄全部清零并重新開始循環(huán)記錄。正常情況下，程序?qū)γ?0 次的取樣瓶增重進(jìn)行不斷更新，保證差值的計算都是在臨近20 次的取樣基礎(chǔ)上。

（2）換向閥控制故障。由于本取樣裝置換向閥無狀態(tài)反饋，一旦換向閥發(fā)生故障沒有進(jìn)行取樣瓶切換，原油仍然會向已注滿樣品的取樣瓶中注入，所以在程序中設(shè)置了一旦產(chǎn)生取樣切換報警后，記錄換向后開始的最早10 次取樣的增重值，如果增重值為0（在實際編程中考慮到4～20 ma 電流信號波動，最早10次取樣增重值在0～0.1 kg以內(nèi)，均認(rèn)為換向閥未執(zhí)行切換），則認(rèn)為換向閥未切換，取樣立即停止。對于有狀態(tài)反饋的換向閥，可不用做換向閥故障后的保護(hù)停止取樣。

3.2 Vijeo Citect上位機(jī)組態(tài)開發(fā)

站場SCADA 系統(tǒng)上位機(jī)采用的是施耐德旗下Vijeo Citect系列工控軟件，該軟件便于工程師自主開發(fā)，通過C語言編程，可根據(jù)現(xiàn)場實際需求靈活定制系統(tǒng)功能。本次自動取樣優(yōu)化改造是在站場SCADA 系統(tǒng)原有Vijeo Citect 工程基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在上位機(jī)增加了自動取樣HMI 人機(jī)界面，調(diào)度員可以通過操作員站直接一鍵啟停自動取樣功能[10]。圖6為自動取樣人機(jī)交互界面。

在界面左側(cè)采樣柜流程圖內(nèi)可顯示取樣瓶質(zhì)量及當(dāng)前取樣模式，并可下發(fā)取樣瓶的取樣次數(shù)復(fù)位命令，命令下發(fā)后當(dāng)前取樣次數(shù)清零，但取樣不停止，繼續(xù)從0開始記錄取樣次數(shù)。

界面右側(cè)為時間取樣和流量取樣控制面板。時間取樣控制面板可設(shè)定取樣瓶質(zhì)量上限并顯示，設(shè)定總采樣體積和批次發(fā)油量并顯示，顯示總采樣次數(shù)和當(dāng)前采樣次數(shù)，指示當(dāng)前自動取樣處于啟動狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)。并可一鍵啟動自動取樣或一鍵停止自動取樣。流量取樣控制面板可設(shè)定取樣瓶質(zhì)量上限并顯示，設(shè)定總采樣體積和總采樣時間并顯示，顯示總采樣次數(shù)和當(dāng)前采樣次數(shù)，指示當(dāng)前自動取樣處于啟動狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)。并可一鍵啟動自動取樣或一鍵停止自動取樣。

圖6 自動取樣人機(jī)交互界面Fig.6 HMI of automatic sampling

在自動取樣人機(jī)交互控制界面，調(diào)度員可根據(jù)需要選擇取樣瓶A或者取樣瓶B開始自動取樣。

4 結(jié)束語

基于施耐德PLC的原油油品自動取樣目前已在乍得Ronier-Kome 原油管道工程上成功使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，用戶無需前往工藝區(qū)，可在綜合值班室通過操作員站上位機(jī)實現(xiàn)一鍵自動精確取樣，進(jìn)一步提高了取樣效率。該功能的成功實現(xiàn)，減少了一套自動取樣控制器，大大降低了經(jīng)濟(jì)成本，提高了自動取樣人機(jī)可視化程度，自動取樣的保護(hù)控制功能能夠?qū)ΜF(xiàn)場取樣過程可能發(fā)生的油品溢出起到抑制作用，對以后長輸管道原油自動取樣及其他第三方設(shè)備在SCADA 系統(tǒng)內(nèi)的高度集成提供了參考和借鑒。