油田加熱設備數(shù)字化控制系統(tǒng)

王玉萍 張小榮

（長慶油田公司第二采氣廠 陜西榆林）

一、存在的問題

1.鍋爐控制系統(tǒng)

每臺鍋爐旁就地配置1臺控制柜，控制系統(tǒng)操作平臺為Eview觸摸屏，使用Easybulider組態(tài)軟件，下位機采用西門子S7200系列224型 PLC?？刂葡到y(tǒng)功能：①在Eview控制屏實現(xiàn)燃燒器啟停操作。②控制柜安裝1個液位顯示器，實現(xiàn)液位的高低報警和自動控制水泵啟停。目前鍋爐控制系統(tǒng)存在以下問題。

（1）原系統(tǒng)置于現(xiàn)場，未能實現(xiàn)遠程控制，不利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和操作人員人身安全。

（2）單爐單控制，人員啟停等操作工作量大，應急處理操作困難。

（3）雖能實現(xiàn)自動控制，但是數(shù)據(jù)無法遠傳，不能實現(xiàn)集中監(jiān)控，觸摸屏操作平臺操作復雜，操作人員誤操作概率較大，故障排除較為繁瑣。

（4）只有液位顯示、鍋爐壓力顯示和控制，監(jiān)控參數(shù)少。

2.加熱爐控制系統(tǒng)

加熱爐控制系統(tǒng)在加熱爐燒火間現(xiàn)場，利用一次儀表（壓力變送器、熱電偶和浮子液位計）采集加熱爐鍋筒壓力、溫度和液位數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場二次儀表顯示和控制燃燒器，實現(xiàn)報警、停爐。目前加熱爐控制系統(tǒng)存在以下問題。

（1）同1.（1）、（2）。

（2）雖能實現(xiàn)自動控制，但利用一次、二次儀表數(shù)據(jù)靈敏性較差，顯示不夠清晰明了，無動態(tài)效果；溫度控制單元、水位控制單元及壓力控制單元等控制精度低，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳功能。

（3）控制箱過于復雜，線路過多，維護不便。元器件配置老化，安全性及準確性能較低。

（4）控制系統(tǒng)無法查看報警信息及故障。

近年隨著自動控制和計算機技術的發(fā)展，數(shù)字化控制系統(tǒng)在油田加熱設備中得到應用，有效提高了設備運行安全性和經(jīng)濟效益，司爐人員勞動強度減輕，勞動條件改善。

二、鍋爐數(shù)字化控制系統(tǒng)

1.應用方案

（1）設立單獨自控室，將現(xiàn)場與控制系統(tǒng)分開，增加系統(tǒng)安全性，改善操作人員工作環(huán)境。

（2）將操作平臺由觸摸屏改為工控機，簡化操作人員操作步驟，使操作人員在自控室即可監(jiān)控鍋爐實際運行狀態(tài)并進行相關操作。

（3）更換組態(tài)軟件，增加報表打印、報警參數(shù)查詢等功能。在保持原操作畫面風格基礎下，重組監(jiān)控畫面，方便參數(shù)修改。

（4）在鍋爐房增加8臺專業(yè)攝像頭，實時監(jiān)控鍋爐房中設備運行狀況。

（5）將西門子S7200（CPU224）控制器更換為 S7200（CPU226）控制器，重新編寫PLC控制程序。1臺PLC控制4臺鍋爐，節(jié)省費用。

2.鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)

在牛毛井聯(lián)合站等鍋爐房應用，監(jiān)控系統(tǒng)主要組成：①壓力、溫度和液位的采集監(jiān)控系統(tǒng)。②鍋爐啟?？刂?。

（1）溫度、壓力和液位的監(jiān)控系統(tǒng)主要由下位機（SIMENS S7-200 PLC）通過西門子I/O EM231模擬量模塊采集現(xiàn)場熱電偶、熱電阻、液位變送器及壓力變送器的數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行一定方式的轉(zhuǎn)換使其與現(xiàn)場數(shù)據(jù)保持一致，確保顯示精確度，在上位機（組態(tài)王）建立相關的變量與之相聯(lián)接。鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)主要有鍋爐的鍋筒壓力、鍋筒液位（控制鍋爐供水泵啟停）和排煙溫度等監(jiān)控點（圖1）。

圖1 鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)畫面

使用工業(yè)控制機（上位機）替換觸摸屏，用組態(tài)王6.52軟件替換Easybulider軟件。下位機為SIMENS S7-200 PLC。PPI方式是西門子公司專為S7-200系列PLC開發(fā)的一個通信協(xié)議，內(nèi)置于S7-200 CPU中，PPI物理上基于RS-485接口，通過屏蔽雙絞線就可以實現(xiàn)PPI通信，是一種主—從通信協(xié)議。組態(tài)王與PLC連接見圖2。使用組態(tài)王軟件編制動態(tài)畫面：①主控制畫面。在主控制畫面中，當發(fā)生異常情況（鍋爐實際控制值超過其工藝設定參數(shù)），畫面中溫度、壓力和液位等工藝參數(shù)會出現(xiàn)閃爍的紅（高于工藝設定參數(shù)）或黃（低于工藝設定參數(shù)）底色，而不需要查看報警信息即可判斷報警點，從而可加快事故處理速度；增加手動強制開關鈕，用于應急處理；增加大小火轉(zhuǎn)換鈕，可便捷實現(xiàn)大小火之間轉(zhuǎn)換。②歷史趨勢畫面。可以設定需要保存的時間，能夠方便地查出每時每刻的歷史數(shù)據(jù)，能夠顯示每班運行數(shù)據(jù)的平均值、最大值和最小值等。③報警畫面。顯示定義變量的報警值，可進行記錄打印。④報表畫面。日報表可以對每個班次的數(shù)據(jù)做成報表，方便查詢。歷史報表則可通過設定保存期限，對長期的生產(chǎn)過程進行統(tǒng)計、分析，使管理人員能夠?qū)崟r掌握和分析生產(chǎn)情況。

3.實現(xiàn)功能

（1）燃燒器自動控制。當鍋筒壓力低于其設定的壓力下限值時，啟動燃燒器大小火；當鍋筒壓力高于其設定的壓力下限+下限回差時，關閉燃燒器大火，小火保持不變；當鍋筒壓力高于其設定的壓力上限值時，關閉燃燒器小火；當鍋筒壓力重新降至其設定的壓力上限-上限回差時,啟動燃燒器小火；當鍋筒壓力繼續(xù)降到設定的壓力下限值時,啟動燃燒器大火；當鍋筒壓力高于設定壓力上限報警值，鍋筒壓力超壓報警,燃燒器連鎖停機。

（2）補水泵自動上水。當鍋筒水位達到設定低水位（高于報警低線）時，鍋爐上水泵自動啟動，直到設定上線，泵停止。

（3）“三?！惫收现甘緢缶＂偃紵饕蚋鞣N故障不能準確點火，電腦控制器不連鎖設備，報警燈亮且音響報警提示。②鍋筒水位報警指示燈亮。當鍋筒水位過低，鍋筒水位報警，強制關閉所有受控設備，音響報警提示。③鍋筒壓力報警指示燈亮。當鍋筒壓力發(fā)生超高時,鍋筒壓力報警,強制關閉所有受控設備，音響報警提示。④排煙溫度報警指示燈亮。當排煙溫度高于設定值時，排煙溫度報警，強制關閉所有受控設備，音響報警提示。

（4）上位機。①實現(xiàn)遠程啟停功能。實時顯示壓力、水位、排煙溫度、報警信息（報警畫面）、火焰（燃燒大、小火或停止）指示、水泵啟停和液位狀態(tài)。②系統(tǒng)參數(shù)設定（壓力上下限停爐設定值，大小火切換設定值）。③實現(xiàn)報警上下限設定功能、報警消音操作。④壓力等數(shù)據(jù)運行曲線及報表生成。

圖2 組態(tài)王與PLC連接

4.鍋爐房的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于自控室與鍋爐現(xiàn)場采用分開式設計，為了增加鍋爐運行穩(wěn)定性，減少故障處理時間，在鍋爐房中增加8臺攝像頭實時監(jiān)視鍋爐運行情況（圖3、圖4）。

（1）采用專業(yè)的圖像采集軟件和專門的圖像采集卡（洪視NV700X）對現(xiàn)場攝像頭采集的圖像進行真實的還原，保證圖像的真實性和實時性。

以上案例中，關于D企業(yè)實行多元化的人員安排提供了“新”引導，這種趨向性開發(fā)實踐過程，不僅適應了企業(yè)當前發(fā)展階段，管理工作的全面性探索，也能夠始終保障企業(yè)管理環(huán)節(jié)擁有新鮮的血液，迎合了高速率發(fā)展的市場需求。

（2）采用RS485通信協(xié)議通過RS485/RS232轉(zhuǎn)換器與電腦上的串口進行連接，控制解碼器對現(xiàn)場的攝像頭進行位置控制，根據(jù)實際需要不斷調(diào)節(jié)攝像頭的方向，對鍋爐房中設備進行全方位實時監(jiān)控。

圖3 攝像頭

圖4 鍋爐監(jiān)視畫面

三、加熱爐數(shù)字化控制系統(tǒng)

1.加熱爐控制系統(tǒng)設計流程（圖5）

在柳二接轉(zhuǎn)站應用，通過 RTU（UT-206）采集現(xiàn)場壓力、溫度和液位等信號，在RTU內(nèi)部進行轉(zhuǎn)換、運算、對比和分析等一系列處理實現(xiàn)燃燒器自動啟停報警功能。RTU具備數(shù)據(jù)遠程，觸摸屏具備現(xiàn)場顯示和控制功能。

（1）觸摸屏現(xiàn)場顯示RTU采集信息及運算結(jié)果，現(xiàn)場溫度、壓力等設定值在觸摸屏可調(diào)。

（2）將RTU采集信息及運算結(jié)果遠傳給上位機組態(tài)進行集中監(jiān)控，上位機組態(tài)具有實時監(jiān)控鍋爐運行狀況、報警信息顯示、參數(shù)設定和遠程啟停等功能。

（3）將RTU采集到的信息進行運算處理，以實現(xiàn)對燃燒器進行啟動報警和停爐自動控制。

圖5 加熱爐控制系統(tǒng)設計流程

2.實現(xiàn)功能

（1）加熱爐溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示。PT100熱電阻采集加熱爐溫度，溫度變送器將阻值信號變換成4～20 mA信號后再傳至主控RTU。RTU將4～20 mA信號轉(zhuǎn)換成0～5000數(shù)值輸出傳送給觸摸屏和上位機組態(tài)，觸摸屏和上位機組態(tài)將0～5000數(shù)值轉(zhuǎn)換成0～150℃溫度值用于顯示。

（2）加熱爐壓力數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示。SWP-T20X壓力變送器采集加熱爐壓力，此后過程和上述類似，觸摸屏和上位機組態(tài)將0～5000數(shù)值轉(zhuǎn)換成-0.1～0.1 MPa壓力值用于顯示。

（3）加熱爐液位數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示。液位變送器（LT轉(zhuǎn)換器）采集加熱爐壓力后將液位轉(zhuǎn)換成μA信號傳送給液位變送器二次儀表，液位變送器二次儀表將μA信號轉(zhuǎn)換成開關量傳送給主控RTU。主控RTU通過繼電器連接揚聲器控制液位報警，通過觸摸屏畫面狀態(tài)顯示燈顯示液位報警，同時報警信息也被傳送至上位機組態(tài)。

（4）加熱爐手、自動轉(zhuǎn)換及大小火切換。加熱爐手、自動轉(zhuǎn)換及大小火切換實現(xiàn)了燃燒器手自動任意切換，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，手、自動及大小火切換需要通過控制燃燒器（BGN350P）各觸點實現(xiàn)。

（5）自動運行系統(tǒng)功能。①燃燒器現(xiàn)場“三?！保ㄒ何煌t、壓力停爐、溫度停爐）功能。②鍋爐運行參數(shù)可調(diào)功能。③數(shù)據(jù)實時顯示及報警功能。④遠程控制功能。

（6）上位機功能。①遠程啟停功能。用于實時顯示溫度、壓力、水位、報警信息（報警畫面）和火焰指示。②報警消音操作及系統(tǒng)參數(shù)設定（溫度上限停爐設定值、溫度下限啟動設定值、壓力上下限停爐設定值、大小火切換設定值）。③溫度、壓力等數(shù)據(jù)運行曲線及報表生成。實現(xiàn)報警上下限設定功能。加熱爐控制系統(tǒng)畫面見圖6。

四、應用效果

2011年完成7座鍋爐房20臺鍋爐的數(shù)字化系統(tǒng)應用。通過幾年運行，系統(tǒng)自動化程度較高，安全穩(wěn)定，有效降低了操作人員勞動強度和成本。組態(tài)王開發(fā)的上位機監(jiān)控程序功能完善，綜合性強，人機界面友好，實用性好。2013年對2臺真空加熱爐實現(xiàn)數(shù)字化改造，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

五、幾點建議

（1）鍋爐控制系統(tǒng)利用1臺PLC控制4臺鍋爐，在值班室設置上位機，安裝鍋爐控制系統(tǒng)（組態(tài)王），目前系統(tǒng)未接入廠內(nèi)站控系統(tǒng)。為此可繼續(xù)完善，實現(xiàn)遠程站控參數(shù)傳輸（不建議遠程啟停控制）。

圖6 加熱爐控制系統(tǒng)畫面

（2）加熱爐數(shù)字化控制系統(tǒng)利用工況適應性強的RTU，每臺加熱爐有1個RTU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳集中監(jiān)測和啟?？刂乒δ?，上位機組態(tài)接入站控系統(tǒng)。

（3）鍋爐房內(nèi)安裝攝像頭，對設備、儀表參數(shù)進行全方位實時監(jiān)控，減少人員巡檢次數(shù)；加熱爐未設計視頻監(jiān)控。

（4）鍋爐控制系統(tǒng)使用幾年來，功能完善、可靠，但RS485接口通信速度慢，可改用寬帶通信，提高通信速度。