基于小型PLC和HMI的油田注水間控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

劉志東

大慶油田自動化儀表有限公司

目前，我國主要油田已進入高含水開采階段，油田內(nèi)井間、層間的狀況存在較大的差異，而解決的方法是根據(jù)各類油層的特點以滿足合理有效地控制注水。油田注水間的主要作用是將供水系統(tǒng)來水或經(jīng)過處理符合標準的水進行加壓，然后輸送至注水井里[1-3]。本設(shè)計中的某油田注水間包括流量控制器、壓力變送器、溫度變送器、變頻泵和變頻器等設(shè)備。以前注水間都沒有自動控制系統(tǒng)，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制，對瞬時注水量、累計注水量、注水壓力、注水溫度等數(shù)據(jù)和注水泵、變頻器等設(shè)備的工作狀態(tài)無法實現(xiàn)遠程實時采集與監(jiān)控，要安排員工監(jiān)管和操作設(shè)備。但由于油田操作人員的減少，注水間又都改成了無人值守的模式，并且一般這種無人值守遠程的自控系統(tǒng)都用普通PLC和配套設(shè)備來實現(xiàn)，一套需要投資約幾十萬元，整個油田就需要投資幾千萬元，這對于降本增效是非常不利的。所以迫切需要既能實現(xiàn)自控要求，又能節(jié)約投資的無人值守遠程自控系統(tǒng)。另外，在北方由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，尤其是在冬季，如果自控系統(tǒng)無法工作，會影響到冬季注水，這就要求所選自控系統(tǒng)要具備在惡劣環(huán)境下仍然能工作的能力。本設(shè)計采用基于國產(chǎn)某小型PLC、HMI 和DTU 的控制系統(tǒng)，監(jiān)控注水間的設(shè)備，經(jīng)過多年運行，大大提高了無人值守注水間監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和管理水平，消除了生產(chǎn)隱患，避免了因系統(tǒng)故障、設(shè)備停機引起的經(jīng)濟損失和安全事故。

1 小型PLC的特點和優(yōu)勢

小型PLC 具有方便高效、高性價比、高穩(wěn)定性、高可靠性、高集成度、模塊化、體積小、重量輕、低功耗、抗干擾能力強等優(yōu)點，現(xiàn)已占據(jù)國內(nèi)48.8%以上的PLC市場份額[4]。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。在應(yīng)用軟件中，還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)就具有極高的可靠性。系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造。小型PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也更容易。更重要的是同一設(shè)備經(jīng)過改變程序使改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。某些小型PLC 底部尺寸小于100 mm，質(zhì)量小于150 g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。

2 PLC自控方案硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)要求

注水間的主要電器設(shè)備一般包括注水泵、流量控制器、變頻器等，檢測儀表主要包括壓力變送器和電流變送器等。PLC 控制系統(tǒng)能夠采集并顯示3臺注水泵的進、出口壓力和出口匯管壓力，如果進口壓力低于進口設(shè)定壓力或者出口壓力高于出口設(shè)定壓力就連鎖停泵。根據(jù)出口匯管壓力調(diào)節(jié)變頻器頻率及注水泵轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)出口壓力恒定。一般1 臺變頻器可以控制2 臺注水泵，工作模式為1 臺變頻1 臺工頻。當1 臺變頻器要控制3 臺以上注水泵時，就需要對注水泵進行選擇切換，實現(xiàn)選擇控制功能。該系統(tǒng)還可采集并顯示變頻注水泵的電流及變頻注水泵和變頻器的各種狀態(tài)。注水井的流量由流量控制器控制，PLC 系統(tǒng)與流量控制器通信，既可顯示注水井的瞬時流量、累積流量、設(shè)定流量和流量控制器狀態(tài)，還可遠程修改設(shè)定流量、手動模式或者自動模式。無人值守與定期有人巡檢相配合，確保巡檢人員能夠在本地操控各種控制功能。無人值守過程中能夠?qū)崿F(xiàn)把注水間裝置的數(shù)據(jù)上傳給控制中心或站隊，同時控制中心或站隊也能夠?qū)崟r控制或調(diào)節(jié)注水泵、變頻器和流量控制器。

2.2 硬件選型

本項目選用的國內(nèi)某品牌小型PLC，該產(chǎn)品高度集成，8路數(shù)字量輸入，8路數(shù)字量輸出，8路模擬量輸入，2 路模擬量輸出，1 個10 M/100 M 以太網(wǎng)接口，支持MODBUS TCP 協(xié)議，2 個RS232/RS485 接口和1 個RS485 接口，支持MODBUS RTU協(xié)議或者自由口編程。支持擴展模塊，有配套的數(shù)字量模塊、模擬量模塊和混合模塊。額定功率7 W，工作環(huán)境溫度為-40～85 ℃。

2.3 硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)和工藝要求，設(shè)計使用小型PLC、HMI 和DTU。小型PLC 作為本自控系統(tǒng)的核心設(shè)備，再加2 臺8 路模擬量輸入模塊，采集檢測注水設(shè)備數(shù)據(jù)、注水設(shè)備狀態(tài)并控制設(shè)備。壓力、電流為4～20 mA模擬量輸入信號，變頻泵的狀態(tài)為數(shù)字量輸入，變頻泵的控制為數(shù)字量輸出。瞬時流量、累積流量、設(shè)定流量和流量控制器狀態(tài)通過MODBUS RTU協(xié)議實現(xiàn)，接線方式為RS485形式。為方便巡檢人員本地操控，設(shè)置觸摸屏HMI 作為人機交互設(shè)備，實現(xiàn)對PLC和注水裝置的監(jiān)控。遠傳功能選用DTU（Data Transfer Unit）實現(xiàn)[5]。

3 程序設(shè)計

油田注水站控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計以自動控制和實時監(jiān)控顯示為目標，系統(tǒng)軟件設(shè)計包括可編程控制器PLC軟件控制程序設(shè)計和觸摸屏HMI軟件顯示界面設(shè)計兩部分。

3.1 下位程序設(shè)計

在滿足系統(tǒng)要求的前提下，程序編寫得要簡潔清晰，既便于程序的快速運行又方便運維人員的解讀和分析。

（1）根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)定壓力、設(shè)定流量和儀表量程均需可調(diào)，所以都設(shè)計成可調(diào)整變量而不是常數(shù)。

（2）PLC讀取到的注水泵進口壓力與進口壓力設(shè)定值比較，當進口壓力小于等于進口設(shè)定壓力，發(fā)出停泵指令，指令為數(shù)字量輸出信號。讀取到的注水泵出口壓力與出口設(shè)定壓力比較，當出口壓力大于等于出口設(shè)定壓力發(fā)出停泵指令，也是數(shù)字量輸出信號。當注水泵停止時，PLC接收到注水泵的停止狀態(tài)信號。在經(jīng)過規(guī)定的時間后，PLC判斷進口和出口壓力是否同時滿足條件，如果條件滿足，檢測信號的上升沿，當收到上升沿時自動復(fù)位，準備注水泵的下一次啟動；如果條件不滿足，禁止啟動。PLC 程序具有人為操作停泵功能[6]。部分程序邏輯如圖1所示。

圖1 高壓注水泵部分保護程序Fig.1 Protection program of the part of high pressure water injection pump

（3）PLC 使用PID 功能，根據(jù)泵出口匯管壓力和壓力設(shè)定值調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制泵的轉(zhuǎn)速，同時采集變頻器頻率反饋值，實現(xiàn)閉環(huán)控制，輸入、輸出信號都是模擬量。一般1臺變頻器控制2 臺注水泵，1 臺變頻注水泵另外1 臺工頻注水泵，當1臺變頻器控制多臺注水泵時，可以根據(jù)現(xiàn)場實際需要，通過程序選擇哪臺泵使用變頻[6-8]。

（4）PLC與流量控制器通信使用MODBUS RTU協(xié)議。流量控制器一般使用整形數(shù)據(jù)，而上位軟件為便于操作人員讀取和設(shè)置，使用數(shù)據(jù)為浮點數(shù)，所以下位程序要做整形數(shù)據(jù)與浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換。PLC接收到的流量控制器數(shù)據(jù)，高低字或者高低字節(jié)有時需要轉(zhuǎn)換，其中高低字轉(zhuǎn)換情況較多，高低字節(jié)轉(zhuǎn)換情況較少。對PLC的RS485口的通信參數(shù)進行設(shè)置，保持與流量控制器一致。接線采用RS485形式，因為這種通信有可能會延時，所以在程序中設(shè)計通信狀態(tài)判斷，狀態(tài)包括正常、通信超時（從站無響應(yīng)）、請求參數(shù)錯誤、響應(yīng)錯誤、響應(yīng)CRC 校驗和錯誤或接線錯誤、從站不支持請求的功能、從站不支持此種數(shù)據(jù)類型、從站設(shè)備故障等，數(shù)據(jù)類型為WORD[9]。部分變量見表1。

表1 部分變量Tab.1 Part of the variable

3.2 上位程序設(shè)計

上位機使用觸摸屏HMI，與下位機PLC通過串口或者以太網(wǎng)口實時通信。畫面包括總貌畫面、分組畫面、單點畫面、趨勢畫面、報警畫面、圖形畫面、棒圖等。總貌畫面顯示注水泵、注水井、流量控制器、變頻器、壓力變送器等設(shè)備或儀表的運行狀態(tài)，以及測量值、設(shè)定值、控制方式、高低報警等信息。分組畫面以模擬儀表表盤的形式按設(shè)定的分組，同時顯示幾個回路的信息，如壓力變送器的測量值、流量控制器的設(shè)定值、瞬時值、累積值等，操作員可以從分組畫面調(diào)出任一變量的詳細信息。單點畫面顯示一個回路參數(shù)，控制點的全部信息。操作人員可以對回路各參數(shù)進行設(shè)定或調(diào)整操作。報警畫面顯示當前所有正在進行的過程參數(shù)報警和系統(tǒng)硬件故障報警，并按報警的發(fā)生時間順序排列。圖形畫面顯示生產(chǎn)裝置的圖片、工藝流程圖、設(shè)備簡圖等，包括字母、數(shù)字、字符和圖形符號，所有過程變量的數(shù)值和狀態(tài)每秒動態(tài)刷新一次。棒圖表示過程變量的變化[10-11]。

4 PLC數(shù)據(jù)上傳

野外無人值守的油田注水間所有設(shè)備和儀表等數(shù)據(jù)需要上傳至遠程控制中心或者有人值班的站隊，便于管理。遠傳可以使用DTU、移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)無線路由器、無線網(wǎng)橋、光纜等形式。DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)或?qū)⒁蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進行傳送的無線終端設(shè)備，與PLC 通信使用MODBUS RTU 協(xié)議。DTU 需要插入無線通信運營商提供的流量卡。PLC 控制系統(tǒng)一般流量使用較少，通信費用較低。適合于無法敷設(shè)光纜或通信電纜的場所，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)無線路由器的應(yīng)用環(huán)境與DTU類似，但是它使用的是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，與PLC通信使用MODBUS TCP 協(xié)議。在注水間和控制中心各架設(shè)一臺無線網(wǎng)橋并調(diào)整好方向，兩臺網(wǎng)橋之間不能有大的建筑或者障礙物，傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。光纜或者通信電纜傳輸最穩(wěn)定，但是敷設(shè)工程量較大。當使用DTU 或移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)無線路由器時，要設(shè)置好參數(shù)，并與控制中心的平臺服務(wù)器軟件兼容。根據(jù)實際情況選用不同的上傳方式，本自控系統(tǒng)設(shè)計使用DTU方式[12]。

圖2 小型PLC、HMI和DTU數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.2 Data upload network topology of small-sacle PLC，HMI and DTU

5 系統(tǒng)應(yīng)用及效果

此系統(tǒng)自投用以來，充分體現(xiàn)出小型PLC系統(tǒng)的優(yōu)越性，能夠有效保證注水泵穩(wěn)定安全運行，運行多年從未出現(xiàn)生產(chǎn)事故。如果泵的進出口壓力異常，不滿足生產(chǎn)要求，本系統(tǒng)自動停泵，并在本地和遠程同時報警提示，禁止泵重新啟動。還可以遠程控制調(diào)節(jié)注水量和注水壓力。此系統(tǒng)還具有耐低溫，本地可視操作，簡單方便，易于掌握，性價比高，一次性投入少等特點，為油田節(jié)約了人力和生產(chǎn)成本。

此系統(tǒng)已應(yīng)用在某大型油田多個采油廠的無人值守注水間，也適合應(yīng)用在其他多種場所，例如油田注水站、天然氣井、原油加熱爐、計量間、轉(zhuǎn)油站、水處理站、危險化學(xué)品庫房等，都取得了非常好的效果。

6 結(jié)束語

此小型自控系統(tǒng)以小型PLC為核心控制器，以HMI 作為人機界面，以DTU 為遠傳設(shè)備，具有自動控制、手動控制、檢測顯示、異常報警、系統(tǒng)保護、遠程控制等功能，具有體積小、集成度高、功能多樣、控制能力強、可靠性強等特點，實現(xiàn)了對無人值守油田注水間的本地和遠程自動控制，完全滿足油田生產(chǎn)需求，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。