海上平臺(tái)注水流量集顯系統(tǒng)改造

王愛民

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津300459)

1 問題描述

某海上平臺(tái)共有注水流量計(jì) 10臺(tái)，流量計(jì)安裝于豎直管線上，距離地面高度達(dá) 4m 以上，流量計(jì)遠(yuǎn)傳信號(hào)電流(4～20mA)通過IP電纜一對(duì)一傳送至中控DCS系統(tǒng)顯示。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過程中遇到2個(gè)問題。

問題 1：中控點(diǎn)位授權(quán)不足，無法實(shí)現(xiàn)全部流量信號(hào)接入中控顯示。中控?zé)o法及時(shí)精確掌握現(xiàn)場(chǎng)注水情況，故影響注水質(zhì)量，進(jìn)而影響平臺(tái)產(chǎn)量、效益。

問題 2：流量計(jì)安裝高度較高且分布比較分散，人員巡檢時(shí)需要爬到二層流量計(jì)平臺(tái)或高凳上查看流量數(shù)值，存在墜落風(fēng)險(xiǎn)，且耗時(shí)較長(zhǎng)，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(hào)全部接入中控顯示和現(xiàn)場(chǎng)低高度集中顯示2項(xiàng)要求。

該海上平臺(tái)所有注水流量計(jì)均為菲舍波特電磁流量計(jì)，其瞬時(shí)量以 4～20mA 電流信號(hào)輸出，無累積量輸出信號(hào)。將注水流量計(jì)輸出的電流信號(hào)接入PLC的AI模塊，在PLC內(nèi)進(jìn)行程序運(yùn)算，計(jì)算出流量計(jì)的瞬時(shí)量與累積量，通過海泰克觸摸屏進(jìn)行流量數(shù)值的現(xiàn)場(chǎng)顯示，并進(jìn)行當(dāng)日當(dāng)前累計(jì)注入量的顯示，方便得知當(dāng)日注入水量的多少。每臺(tái)流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)由S7-200 PLC通過485通信傳至中控，在中控進(jìn)行組態(tài)顯示瞬時(shí)量與累積量。該平臺(tái)使用的中控系統(tǒng)為 Emerson公司 DELTAV系統(tǒng)，有備用 485接口，滿足改造要求。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

3 改造實(shí)施

3.1 PLC程序編寫

注水流量計(jì)輸出為4～20mA電流信號(hào)，通過AI模塊EM235接入西門子PLC S7-200中，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的量程轉(zhuǎn)換得到瞬時(shí)流量。由流量計(jì)輸出的電流信號(hào)與流量成線性關(guān)系可得知：

Q瞬時(shí)量＝Q量程(I-4)/16

式中：Q瞬時(shí)量為流量計(jì)瞬時(shí)流量，Q量程為流量計(jì)量程，I為流量計(jì)輸出電流。

在 PLC內(nèi) 4mA對(duì)應(yīng) PLC內(nèi)機(jī)械數(shù)為 6400，20mA對(duì)應(yīng)機(jī)械數(shù)為32000，所以：

Q瞬時(shí)量＝Q量程(PLC內(nèi)機(jī)械數(shù)-6400)/25600

4～20mA信號(hào)電流轉(zhuǎn)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(jì)輸出略小于 4mA時(shí)上述減法運(yùn)算會(huì)出現(xiàn)溢出，為防止溢出需對(duì)小于 4mA的信號(hào)進(jìn)行過濾。由于 PLC讀入的數(shù)據(jù)是整數(shù)，為保證精度需要轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，即整數(shù)需要先轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，雙整數(shù)再轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)。程序編寫如圖 3所示。

圖2 4～20mA轉(zhuǎn)換到工程量程序Fig.2 4 to 20mA conversion to engineering quantity program

圖3 4mA過濾及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序Fig.3 4mA filtration and data conversion program

上述程序是針對(duì)1臺(tái)流量計(jì)的編程過程，本次改造是將10臺(tái)流量計(jì)接入PLC內(nèi)，因此將上述程序做成子程序，每臺(tái)流量計(jì)的計(jì)算調(diào)用子程序即可。

累積流量就是將每個(gè)時(shí)間段內(nèi)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(shí)量的準(zhǔn)確度，那就必須設(shè)定一個(gè)極短的時(shí)間間隔才能保證瞬時(shí)流量的準(zhǔn)確度。這樣就必須用定時(shí)中斷才能實(shí)現(xiàn)，并且在 PLC程序內(nèi)只能運(yùn)行這一個(gè)中斷程序，不允許再產(chǎn)生其他中斷，以防止干擾定時(shí)中斷的時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性。程序編寫時(shí)首先在主程序里進(jìn)行中斷的使能，并設(shè)定為每100ms進(jìn)行1次中斷，在中斷程序內(nèi)先求出每 100ms的流量值，在每100ms中斷時(shí)進(jìn)行1次流量的累加，程序編寫如圖4所示。

累計(jì)量的計(jì)算進(jìn)行今日累計(jì)和昨日累計(jì)的運(yùn)算，通過今日累計(jì)的查看可以更方便地進(jìn)行注水量的調(diào)整，昨日累計(jì)的運(yùn)算省去了現(xiàn)場(chǎng)人員每日注水量的手動(dòng)計(jì)算，提高了工作效率。程序編寫時(shí)首先讀取 PLC內(nèi)時(shí)間，在每天的 24點(diǎn)把累計(jì)量保存到上一天，并把當(dāng)前累計(jì)量清零。

PLC內(nèi)的流量數(shù)據(jù)通過 485遠(yuǎn)傳至中控，需要對(duì)S7-200 PLC的PORT 0口進(jìn)行初始化，PLC作為從站，中控作為主站讀取從站的數(shù)據(jù)。調(diào)用MBUS_INIT指令，PLC地址為 1，波特率為 9600，無奇偶校驗(yàn)，讀取VB602開始的300個(gè)字地址數(shù)據(jù)，并添加MBUS_SLAVE指令，該指令被用于為485主設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求服務(wù)，并且必須在每次掃描時(shí)執(zhí)行，以便允許該指令檢查和回答485請(qǐng)求。

圖4 中斷程序Fig.4 Interrupt program

3.2 觸摸屏組態(tài)

本次改造利用電泵柜升級(jí)改造換下的海泰克觸摸屏 PWS1711進(jìn)行流量計(jì)瞬時(shí)量和累積量的顯示，需要對(duì)觸摸屏進(jìn)行畫面組態(tài)，利用 ADP組態(tài)軟件進(jìn)行畫面的組態(tài)，并實(shí)現(xiàn)與PLC的通信。

由于本次使用的觸摸屏 PWS1711型號(hào)較老，組態(tài)軟件只能使用ADP3.2版本。如圖5所示，在ADP軟件中點(diǎn)擊新應(yīng)用，輸入新建應(yīng)用名稱，在人機(jī)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(nèi)選擇新建畫面。

圖5 新建應(yīng)用Fig.5 New application

如圖6所示，在空白畫面中組態(tài)出需要顯示的文字和數(shù)值。瞬時(shí)流量值的顯示為直接讀取 PLC內(nèi)相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)值，選擇動(dòng)態(tài)數(shù)值元件，變量讀取地址為 PLC內(nèi)對(duì)應(yīng)的地址。PWS1711觸摸屏型號(hào)較老，只能讀取PLC內(nèi)的整數(shù)，無法直接讀取小數(shù)部分，小數(shù)部分的顯示是在組態(tài)中選擇小數(shù)位數(shù)，例如選擇一位小數(shù)就是 PLC內(nèi)數(shù)值的最后一位作為小數(shù)部分顯示出來。整數(shù)位數(shù)和小數(shù)位數(shù)是顯示數(shù)值的格式。

圖6 顯示數(shù)據(jù)組態(tài)Fig.6 Display data configuration

為了便于量程的修改，設(shè)置了量程設(shè)置按鈕和畫面，量程按鈕設(shè)置點(diǎn)擊時(shí)打開量程設(shè)置畫面，該畫面中的量程設(shè)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(nèi)對(duì)應(yīng)的地址。組態(tài)完成后進(jìn)行編譯，編譯成功后進(jìn)行組態(tài)下載，將編輯好的組態(tài)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(gè)接線箱內(nèi)，只能分別安裝到 2個(gè)接線箱內(nèi)。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(xiàn)場(chǎng)參數(shù)對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，保持顯示數(shù)據(jù)與流量計(jì)顯示數(shù)據(jù)一致，達(dá)到了流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)低位集中顯示的目的。

3.3 中控組態(tài)

注水流量集顯系統(tǒng)PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)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(jí)屬性中設(shè)置為 RTU通信模式，主站通信屬性設(shè)置為 485半雙工通信模式，波特率 9600，無奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位。在P02口下新建一個(gè)串口設(shè)備，設(shè)備地址為1，見圖7。

圖7 端口設(shè)置Fig.7 Port setup

在新建的串口設(shè)備下新建2個(gè)Dataset，1個(gè)傳輸瞬時(shí)流量，1個(gè)傳輸累計(jì)流量。Dataset的 DeltaV屬性中數(shù)據(jù)類型為 16位帶符號(hào)數(shù)。Dataset的 PLC屬性中PLC數(shù)據(jù)類型為holding register，瞬時(shí)流量的地址偏移為0，讀取數(shù)據(jù)40個(gè)，累計(jì)流量的地址偏移為100，讀取數(shù)據(jù)也是40個(gè)，見圖8。

圖8 數(shù)據(jù)設(shè)置Fig.8 Data setup

在對(duì)應(yīng)控制器下新建1個(gè)Control Module，命名為 FLOW-CDISPLY。在新建的 Control Module內(nèi)拖入 1個(gè) Input parameter、1個(gè) Out input parameter和1個(gè)DIV模塊，選擇外部參數(shù)鏈接到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)上，由于傳輸?shù)氖?16位的帶符號(hào)整數(shù)，要想顯示 1位小數(shù)，首先在 PLC內(nèi)放大 10倍，再把讀到的數(shù)值進(jìn)行除 10運(yùn)算，顯示 1位小數(shù)。所以調(diào)用 DIV模塊，讀到的數(shù)據(jù)放到 IN_1，IN_2內(nèi)直接寫入 10，對(duì)讀到的數(shù)進(jìn)行除 10運(yùn)算。依次類推做好剩下的數(shù)據(jù)處理。做完后進(jìn)行保存，分配到對(duì)應(yīng)控制器，并進(jìn)行下裝，見圖9。

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

在需要顯示的畫面上右擊選擇 Quick Edie進(jìn)行畫面修改，使用 Datalink鏈接到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)上，并將需要顯示的數(shù)據(jù)放置到合適的位置，依次做好其他的數(shù)據(jù)，進(jìn)行保存，運(yùn)行。與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行核對(duì)可知，兩者的顯示數(shù)值一致，達(dá)到了注水流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至中控的目的。

4 效果及結(jié)論

本次改造完成后，全部流量計(jì)數(shù)據(jù)傳入中控顯示，中控能夠及時(shí)精確地掌握現(xiàn)場(chǎng)注水情況，為控制注水、注夠水提供了有效保障?，F(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)流量計(jì)數(shù)據(jù)的巡檢時(shí)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(fēng)險(xiǎn)，證明注水流量集顯系統(tǒng)搭建非常成功。

此次改造利用電泵柜升級(jí)改造替換下的 PLC及觸摸屏進(jìn)行注水流量集中顯示，充分實(shí)現(xiàn)了舊物利用，只用了1根1P電纜和2個(gè)AI授權(quán)就實(shí)現(xiàn)了原先需要10根1P電纜和10個(gè)授權(quán)才能實(shí)現(xiàn)的功能，節(jié)省了中控點(diǎn)位授權(quán)和費(fèi)用，同時(shí)也拓展了平臺(tái)人員設(shè)備管理的思路，為其他設(shè)備的優(yōu)化改造奠定了基礎(chǔ)。