PLC技术在联合站游离水控制系统上的研究.pdf

用实例 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第1 期 P L C技术在联合站游离水控制系统上的研究 沈德赢 。田晖 ，李坤华 ，冷祥伟 ，丁永峰 ，张义勇 1 ． 中石化中原油田分公司， 河南濮阳4 5 7 1 0 0 ； 2 ． 中石油管道公司北京输油气分公司， 北京1 0 0 0 2 4 摘要随着现代工业控制技术的发展 P L C已经广泛应用于各行各业的自动控制中， 在石油生产加工领域用 P L C来实现油田联合站游 离水系统的控制还需要改进。通过分析 P L C基理和设计步骤， 针对游离水脱除器的特殊情况利用欧姆龙软件对游离水控制系 统进行了编程， 实现了温度和压力的监视功能以及游离水液位的 P I D控制。 关键词 游离水 ； P L C控制； 欧姆龙软件； 液位控制； P I D调节 D OI I O ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 3 8 [ 中图分类号]T P 2 7 7 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 3 0 1 0 1 0 7 0 3 Re s e a r c h O n PL C Te c h n o lo g y o f J o i n t St a t io n F r e e W a t e r Co n t r o I Sy s t e m S HEN De - y i n g ， TI AN Hui ，LI Ku n- h ua，LENG Xi a n g - we i ，DI NG Yo n g - f e n g，ZHANG Yi y o n g 1 ． e Z h o n g y u a n O i lfie l d C o m p a n y ，S I N O P E C G r o u p， P u y a n g H e n a n 4 5 7 1 6 2 ， C h i n a ； 2 ． n g O i l g a s T r a n s p o r t a t i o n C o m p a n y ， C h i n a P e t r o l e u m P ip e l i n e C o m p a n y ， B e n g 1 0 2 4 0 0， C h i n a Abs t r a c tAl o ng wi t h t h e d e v e l o p me n t o f mo de m i n d u s t r i a l c o n t r o l t e c h no l o g y，P LC h a s b e e n u s e d wi de l y i n a l l walks o f l i f e ．I n o i l p r o du c t i o n p r o c e s s i n g fi e l d s u s i n g P L C t O a c h i e v e o i l fi e l d j o i n t s t a t i o n f r e e w a t e r s y s t e m c o n t r o l s t i l l n e e d t o b e i m p r o v e d ．a , u g h t h e a n a l y s i s o f t h e r e a s o n an d P L C d e s i g n s t e p s ， a c c o r d i n g t o t h e s p e c i al s i t u a t i o n o f f r e e w a t e r d e h y d r a t o r ， u s e the O MROM s w a r e t o m a k e the p rog r a mmi n g a n d c o n t r o l t h e f r e e w a t e r s y s t e m．Re ali z e d t h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e mo n i t o ri n g f u n c t i o n， a n d P I D c o n t r o l of f r e e w a t e r l e v e 1 ． Ke y wo r d s f r e e w a t e r d e h y d r a t i n g ； P L C c o n t r o l ； O M R O M s o f t w a r e ； l e v e l c o n t r o l ； P I D a d j u s t m e n t 0 引 言 目前油田联合站⋯ 的控制多采用仪表检测继电器和人工调 节的方法 ， 但一些继电器能耗高、 效率低， 用这种装备控制加工出 来的石油产品普遍存在质量差、 含水量不稳定 、 生产速度慢、 成本 高等问题。如何解决这些 问题， 一直是油田生产加工行业 的难 题。随着计算机技术的飞速发展， P L C以其通用性强， 成本低， 极 好的抗干扰性能， 使用和维护方便等特点实现了低水平操作、 高 性能控制的目的。近年来， 随着我国对外开放， 日、 美 、 德等国生 产的 P L C已通过多种途径进入了我国， 引起 了各方面的重视并 得到应用。可编程控制器正在各工业控制领域逐渐取代传统的 控制方法并向其它行业渗透。自1 9 9 2年以来我国各大油田开始 从各国引进可编程控制器 ， 随后在各联合站试用并取得了良好的 控制效果。该设备的广泛应用提高了原油生产加工的速度， 降低 了油气田生产的单位能耗 ， 为我国原油生产加工工业实现现代化 控制起到了极大的推进作用。 油田联合站是原油生产的关键环节， 它的主要作用是接受各 转油站来油 ， 对油气水进行分离、 净化、 加热， 将处理后合格的原 油、 净化污水 、 净化天然气向下一级油库输送。它是联合站原油 生产的重要过程， 直接关系到成品原油的质量和污水 回注的质 量 ， 关系到联合站的节能降耗， 也决定着联合站生产过程的安全 平稳运行及原油生产的经济效益。应用可编程控制器对联合站 集输系统实行良好的自动控制， 有利于联合站生产的平稳运行， 保证原油质量， 降低成本， 减轻工人劳动强度。 收稿 日期 2 0 1 20 4 0 8 1 研 究机理 1 ． 1 P LC的工作原理 P L C_ 2 是一种微机控制系统， 其工作原理也与微机相同， 但 在应用时， 可不必用计算机的概念去做深入的了解 ， 只需将它看 成是有普通的继电器、 定时器、 计数器、 移位器等组成的装置， 从 而把 P L C等效成输入、 输出和内部控制电路三部分。在使用 P L C 时， 可以把输入端等效成一个继电器线圈， 其相应的继电器常开 或常闭触点可在内部控制电路中使用 ， 而输出端可以等效为内部 输出继电器的一个常开触点 ， 驱动外部设备， 如图 1 所示。 P L C一般采用循环扫描方式工作。当P L C加电后 ， 首先进行 初始化处理， 包括清除 I ／ O及内部辅助继电器、 复位所有定时器、 检查 I ／ O单元的连接等。开始运行之后， 串行执行存储器中的程 序， 这个过程主要可以分为如下四个阶段。 - - [ 按 钮 卜 T 卜 I 加 ∞ r - ／一 O0 M r 厂 咖∞ 廿 1 咖O _ ／ 0 0 ∞ l o 1 110 0 0 I - _ 1 ． 亚 薹 锄 0 0 2 _ ． [ ] _ H卜 『 ． ／一 l ∞ O l ∞ 0 。 3 廿 洲 卜 _ L 1 0吣 ● ● ， ⋯ ． 、 r 一 ， _ l O l ∞ 0一 l I ／ 卜 1 0 1 0 I 一圆一 O∞ 卜 一 一_ t o t a 2 [ |_ 一 ， - 10 10 3 l ∞ M 一 0 一 l外 部 输 入 输 入 部 分 内 部 控 制 电 路 一 输 出 部 分 ． 外部负 图1 P L C等效工作电路 E le c t r i c a I Au t o ma t io n 1 0 7 电 气自 动 化 2 o 1 3 年 第3 5 卷第1 期 应 用 实例 一 Ap p l ic a t io n I d e a s 1 系统监测阶段 这部分在每次循环开始都要被执行， 包括复位系统定时器、 检查程序存储器、 检查 UO总线、 检查扫描时间等。如出现异常 情况， 则通过自诊断给出故障信号 ， 或自行进行相应的处理 ， 这将 有助于及时发现或提前预报系统的故障， 提高系统的可靠性。这 部分时间是固定的， 对 C Q M1机来说 ， 一般为 0 ． 8 ms 。当安装了 一 个时钟内盒时， 这个时间为 0 ． 9 ms ； 当选用 C Q M1一C P U 4一E 型 C P U时， 这个时间为0 ． 1 m s 。 2 执行外围设备命令阶段 当使用 R S一 2 3 2 C端口及其它外设接口时， 则 P L C都将执行 来 自外部设备的命令。这部分时间一般为扫描周期的 5 ％ ， 且可 在系统设置中适当改变。R S一2 3 2和外设接 E l 的使用时间最小 为 0 ． 3 4 m s ， 最大为8 7 ms 。 3 程序执行阶段 在这个阶段 ， C P U将指令逐条调出并执行， 即按程序对所有 的输入和输出状态数据进行处理， 包括逻辑、 算术运算等 ， 再将结 果送到输出状态寄存器。 4 输入、 输出刷新阶段 P L C的 C P U在每个扫描周期进行一次输入／ 输 出更新。C P U 对各个输入端进行扫描， 并将输入端的状态送到输入状态寄存器 中； 同时， 把输出状态寄存器的状态通过输出部分转换成外部设 备能接受的电压或电流信号 ， 以驱动被控设备。C Q M 1 的输入刷 新分为循环刷新和中断刷新两类 循环刷新是指每个扫描周期的 设定时间进行一次输入刷新； 中间刷新是指当输人中断、 间隔定 时器中断或高速计数器中断发生在中断处理子程序执行前执行 输入刷新。输出刷新分为循环刷新和直接刷新两类 循环刷新是 指每个扫描周期的设定时间进行一次输出刷新； 直接刷新是指当 用户程序有一个输出时输出点立刻被刷新。输入和输出在任何 情况下都执行循环刷新。如果要执行输入中断刷新， 那么在系统 设置中应设定输入刷新范围。在 C Q M1系统设置的 D M6 6 3 9中 可以设定停止输出直接刷新。 1 ． 2 欧姆龙软件的功能 欧姆龙软件 是一个用来对 O MR O N P L C进行编程和对 O MR O N P L C设备配置进行维护的工具。其取代了 O MR O N应用 软件 S Y S WI N和 S Y S M A CC P T ， 支持 O MR O N全系列 P L C， 是基 于 Wi n d o w s 环境下纯3 2位的编程软件。 1 ． 3 P I D 控制基本原理 P I D P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l a n d D i f f e r e n t i a 1 控制器是一种线性 控制器 ， 是基于对“ 过去” 、 “ 现在” 、 “ 未来” 信息估计的简单控制 算法 ， 常规 P I D控制器系统原理框图如图2所示， 系统主要由 P I D控制器和被控对象组成。 作为一种线性控制器 ， 它根据给定值和实际输出值构成控制 图2 P I D控制原理系统框图 1 o 8 E le e t r i c a I Au t o ma t i o n 偏差， 将偏差按比例、 积分和微分通过线性组合构成控制量， 对被 控对象进行控制， 故称为 P I D控制器 。其控制规律为 - f e 1 d t ] 式中 e t r t 一 Y t ， 为比例系数 ， 为积分时间常数， 为微分时 间常数 。 2 可编程控 制器 的程序设计 在确定控制对象的控制任务和选择好可编程控制器的机型 后， 使用 P L C构成一个实际的控制系统 ， 进行控制系统流程设 计， 根据控制系统流程图， 进～步说明各信息流之间的关系， 然后 具体安排输入、 输出的配置， 并对输入 、 输出进行地址编号， 写出 相应的程序。 2 ． 1 设计步骤 可编程控制器系统设计流程选用顺序控制流程图法设计程序。 设计选用 O MR O N的欧姆龙编程软件编写游离水液位 P I D 程序和温度、 压力等变量的控制程序。P L C系统的程序设计采用 I ／ O分配、 梯形图程序、 程序分析， 并采用 日本 O MR O N公司生产 的 C J 1 M型 P L C进行仿真。 1 确定控制对象 界面控制 分离器集液部分使油和乳状液有充足的时间在顶 面形成一层油层， 游离水沉降到底部。挡板用于维持油面， 界面 控制器用于维持水面， 高过挡板的油被撇去， 挡板下游的油面靠 操纵出油阀的液面控制器控制。水从位于隔油挡板短管排 出。 界面控制器检测出油水界面高度， 在转化为 P L C可以识别 的信 号， 然后 P L C再将控制信号传送给排水阀， 由此适量的水排出分 离器 ， 使油水界面维持在设计高度。 温度监视 温度值维持在 4 0～ 7 0 ℃范围内， 但最大值超过 8 0 ％时进行报警。 压力监视 压力值维持在 0 ． O 2 2 ． 5 MP a 范围内， 但最大值 超过 3 MP a 时进行报警。 2 分析动作过程 根据步与步之间的关系分析游离水脱除器的动作过程， 同时 明确步与动作的关系。 3 设计流程图 通过输入／ 输出点与各步联系起来将动作过程图转换为流程 图。其中， 方框即动作与输出联系； 菱形即条件与输入联系。 4 I ／ O分配 给工作和条件分配相应的P L C编号。 2 ． 2 I ／ 0赋值 I ／ O赋值表包括输入、 输出赋值、 中间定时器赋值， 见表 1 对 P L C装置的编号说明 2 ． 3 梯形图程序 本设计采用 日本 O MR O N公司生产的 C J 1 M型 P L C进行试 验 ， 运用欧姆龙编程软件编写， 具体程序运行效果以压力监控为 例 ， 见 图 3 。 在程序中运用了移位指令MO V、 数据比较指令 C M P等一些P L C 编程指令， 实现了温度和压力的监视功能以及游离水的液位的P I D 控制 ， 当压力值超过 3 M P a 及温度超过 8 0 ％时， 给出报警信号； 当 实际的液位与设定液位差值超过5 c m时， 进行 P I D控制。 表 1 I ／ 0赋值 用实例 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第1 期 图 3 压力监控梯形图 上接第 7 5页 时间 ， V D 4 2 0存储 积分时 间 ， V D 4 2 4存储微 分 时间 ， V D 4 2 8存储上一次采样的积分项 M X， V D 4 3 2存储上一次进程变 量 P 一 。 系统每 3秒根据这 3秒内来料量和触摸屏上设定的加水前 含水率和加水后含水率计算一次应加水量， 并将应加水量赋值给 v 0 4 o 4 S P ， 每5 0 m s 将已加水量赋值给 V D 4 0 0 P 。V D S 0 0 存储当前时刻偏差 e ， V D 5 0 4存储上一时刻偏差 一 ， V D 5 0 8存 储偏差变化 A e ， V D 5 1 8存储 e A e ， V D 5 2 2存储最大则允许偏 差 e ， V D 5 2 6存储最小允许偏差 e ， 则 e S P 一P L， e S P 一 P L l ， A e e 一 e 一 1 V D 5 0 0一V D 5 0 4 。 这样针对 e ， A e 在 P L C中利用 s 72 0 0 P L C中的比较指令， 调用依据专家知识库设定的子程序 ， 实现在线 P I D参数的整定。 上接第 9 7页 [ 6]赵怀林． 微机在数据采集和误差处理中的应用 [ J ] ． 电测与仪表， 1 9 9 5． 6 2 82 9 ． [7] A l i Ab u r ．B a d D a t a I d e n t i fi c a t i o n Wh e n Us in g A mp e r e Me a s u r e me n t s [ J ] ．I E E E T r a n s ， 1 9 9 7， 1 2 2 8 3 1 8 3 6 ． 1 8 I Al i Ab u r ．A Bad Da t a I d e n t i fi c a t i o n Me t h o d F o r Li n e a r P r o g r a mmi n g S t a t e E s t i m a t i o n [ J ] ．I E E E T r a n s ， 1 9 9 0 ， 5 3 8 9 49 9 0 ． [ 9]立人厚， 张平安． 精通 M A T L A B综合辅导与指南[ M] ． 西安 西安交 通大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 3 结束语 1 通过对油田联合站游离水系统的现状进行了分析， 用 欧姆龙软件进行 P L C系统设计， 实现了对游离水脱 除器界面的 P I D调节 。 2 确定控制对象， 包括压力、 温度、 油水界面等， 并进行 I ／ O 赋值， 根据联合站系统工艺流程和欧姆龙编程软件编写出相 应的梯形图。 3 程序设计运行显示， 当压力值超过 3 M P a ， 温度超过 8 0 ％时， 给出报警信号； 当实际的液位与设定液位差值超过 5 c m 时 ， 进行 P I D控制， 实现了温度和压力的监视功能以及游离水的 液位的 P I D控制。 4 根据程序设计的步骤首先进行 I ／ O赋值 对所有的输入输出和中间各信号进行赋值和注释， 使编写出来的 程序一 目了然； 程序图对各指令进行具体说明， 表明了程序中所 用到数据的来源和得出方法。 参考文献 [ 1 ]刘合 ． 油 田联合站集 输 系统控制 技术 [ M] ． 北京 石 油工业 出版 社 ， 2 0 03 2 7 6 0． [ 2 ]弭洪涛， 毕国忠， 贾景贵． P L C 应用技术[ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 4 3 7 8． [ 3 ]O M R O N公司． S Y S M A C C J M I 可编程控制器手册[ M] ． 1 9 9 7 1 1 0 ． [ 4 ]林小峰． 可编程控制器原理及应用 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 93 11 0． 【 作者简介】沈德赢 1 9 8 5一 ， 黑龙江尚志市人， 毕业于大庆石油学院自 动化专业， 学士学位， 技术助理， 主要从事电气自 动化。 3 结束语 本系统将专家控制与 P L C相结合， 利用 P L C实现了专家 P I D 控制， 完成对原料含水率的精确控制。本文设计的全 自动预加水 系统在鲍店煤矿宏力新型建材厂得到了实际应用 ， 从投入至今已 正常运转半年多， 实践证明该系统运行可靠 ， 提高了产品质量， 增 加了企业的经济效益， 具有显著的现实意义。 参考文献 [ 1 ]刘家弟， 刘风春， 丁东业， 董风芝．影响煤矸石烧结砖生产工艺因素 的探讨[ J ] ． 矿产综合利用 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 2 3 ． [ 2 ]勒聪， 刘晓哲， 高宪庭．年产 8 0 0 0万块煤矸石烧结砖生产工艺研究 [ J ] ． 砖瓦世界， 2 0 1 1 ， 2 8 2 2 2 2 4 ． [ 3 ]王淑云， 闫少雄．基于专家 P I D的西门子 P L C控制器设计 [ D] ． 西 安 西安工业大学 ， 2 0 0 8 ． 【 作者简介】李坤 1 9 6 5 一 ， 男， 山东泗水县人， 高级工程师； 主要研究方 向 计算机控 制与智能控 制。 [ 1 0 ]雷慧博． 电量变送器及其检定装置 [ M] ． 北京 中国电力 出版 社 ． 1 9 9 9 ． 【 作者简介】黄勇 1 9 7 7一 ， 男， 四川广安人， 工程师， 从事电气控制工作。 王晓冬 1 9 7 0一 ， 女 ， 陕西咸阳人， 工程师， 从事电气控制工作。 陈小 卫 1 9 7 8 一 ， 女， 四川广安人， 助理工程师， 从事计算机网络工作。 杨勇 1 9 7 8 一 ， 男， 四川广安人 ， 从事计算机技术工作。 E le c t r ic a I A u t o ma t io n 1 0 9