赵现晖

（东北石油大学 电气与信息工程学院， 黑龙江 大庆 163318）

国内多数油田仍采用传统电脱工艺除水， 但经常存在“倒电场”的现象，影响原油脱水安全生产。 原油含水使得油田储油罐的利用率下降，同时，含水后粘度会增大，为方便原油的集输及脱水工艺顺利进行， 通常采取加热的方式降低粘度，但这相应的增加了对于加热燃料热量消耗，不利于节能。 含水率高会引起蒸馏塔内水蒸气压力瞬间抬升，不利于安全生产。 PLC 为控制器、触摸屏为参量显示界面的自动化控制系统，在对整个脱水系统的流量闭环控制、抽油泵工作方式切换、急停等方面有明显优势，能够有效避免电脱工艺的弊端。

1 系统原理

结合原油含水率生产上的要求，脱水控制系统被应用于测量及监控原油的操作温度。 原油温度对于换热器入口原油电磁阀的控制目标：原油温度低于110 ℃，电磁阀关闭；原油温度从110 ℃加热到120 ℃，电磁阀开度为0%；原油温度高于120 ℃，电磁阀打开；原油从120 ℃降温至110 ℃，电磁阀开度为100%。 按照以上的控制方案，可知原油入口电磁阀状态控制逻辑如图1 所示。

图1 电磁阀状态控制Fig. 1 Electromagnetic valve state control

整个脱水系统测量换热器上的5 个温度监测点，温度信号在经过PLC 的运算处理，由触摸屏在线显示各区域原油温度，PLC 发送控制命令用于完成抽油电机的启停、 电磁阀的开闭、控制方式的切换等。 PLC 与触摸屏在串行通讯方式下，确保脱水工艺自动化生产过程的顺利进行。

2 控制系统设计

原油脱水控制系统选用U 型管式脱水换热器作为脱水工艺装置，其结构为单壳程、双管程。 换热器左右两端布置U型导热油加热管150 根。 整个装置内放置5 块等间距的弓形折流挡板，用以改善原油的换热效果[1]。 原油脱水系统控制示意图如图2 所示，工艺流程：1）采用导热油加热含水原油，含水原油的温度控制进油管线上电磁阀的开闭；2）含水原油进入换热器，经过5 块折流板，由U 型导热油管加热后流入收集罐。 编号为TC1-TC5 热电偶直插到换热器下方，经脱水后的原油输送到外部装置；3）产生的水蒸气被输送到冷凝水及馏分回收塔。 PLC 对于温度、液位等进行控制，触摸屏作为实时显示工艺参数的人机界面。 通过RS232 接口，PLC 将原油温度存入对应的存储器，触摸屏读取储存器；阀门及抽油泵的控制由PLC 的数字量输出DO 控制，按下控制阀门开闭的按钮，PLC 上相关的数字量输出点接通或断开， 从而配合继电器控制电磁阀及抽油泵的运行。

图2 原油脱水系统控制流程Fig. 2 Crude oil dehydration system control process

2.1 PLC

脱水系统选用西门子S7-200 系列PLC 对原油温度、液位及抽油泵和阀门的开关进行控制。 原油温度控制系统由S7-200 PLC、抽油泵、电磁阀、液位开关等构成。 原油的实时温度通过智能温控仪输入到PLC 的模拟量输入端，PLC 数字量输出连接电磁阀、中间继电器，抽油泵的启停包含手动和自动，自动方式下，由原油的液位控制。 脱水系统的操作面板如图3 所示， 温控仪用于显示5 个指点位置的原油温度；WECON 触摸屏实时显示脱水参数；并安装泵、电磁阀开关按钮以及电源指示灯； 转换开关SA1-SA3 做工作方式的切换。PLC 与触摸屏采用串口通信协议进行数据交互[2]，PLC 设定为主站，触摸屏设定为从站，采用9 针的RS232 接口通讯线缆连接主从设备， 分别在触摸屏及PLC 上设置通讯参数，使波特率、停止位、数据位、校验格式等保持一致。

图3 控制系统操作面板Fig. 3 The control system operation panel

转换开关SA1 作为进油阀的自动和手动功能切换。 当SA1 拨到自动挡，SA1B 接通，同时SA1A 断开；PLC 的输入点I0.6 接通，进油阀的开关完全受控于原油的温度，程序内设定的上限温度为35 度，下限温度为30 度，程序说明：1）当原油温度小于30℃时，RS 触发器的输出Q0.1 为1， 中间继电器KA2 线圈得电，对应的常开触点KA2 接通，进油阀供电电源回路接通，进油阀关闭；2）温度从30℃上升到35℃过程，Q0.1仍然为1，进油阀仍关闭；3）温度大于等于35℃时，RS 触发器的输出Q0.1 为0，中间继电器KA2 线圈失电，对应的常开触点KA2 断开，进油阀供电电源回路断开，进油阀打开；4）温度从35℃下降到30℃过程中，Q0.1 仍为0， 进油阀仍打开。 当SA1 拨到手动挡，SA1B 断开，同时SA1A 接通，进油阀的开关由操作面板的按钮（SB4，SB5）完成。 进油阀的程序流程图如图4 所示。

图4 原油进油阀程控流程图Fig. 4 Crude oil inlet valve program flow chart

转换开关SA2 作为回流阀自动和手动功能切换，当SA2拨 到 自 动 挡，SA2B 接 通， 同 时SA2A 断 开，PLC 的 输 入 点I0.7=1 接通，回流阀的开关受控于导热油的温度，调试温度为35 ℃，当导热油的温度大于等于该值，Q0.2 置位接通，中间继电器KA3 所在回路接通，KA3 的线圈得电，对应的常开触点KA3 闭合，进而回流阀所在的供电电源回路接通，回流阀打开。 当导热油的温度低于该值，Q0.2 复位断开， 中间继电器KA3 所在回路断开，KA3 线圈失电，对应的常开触点KA3 断开，进而回流阀所在的供电电源回路断开，回流阀关闭。 回流阀的程序流程图如图5 所示。

图5 回流阀程控流程图Fig. 5 Backflow preventer program flow chart

转换开关SA3 作为抽油泵电机的手动和自动功能切换。 当SA3 拨到自动挡，SA3B 接通的同时SA3A 断开，PLC的输入点I1.3=1 接通， 抽油泵的启停完全由脱水原油的液位来控制，当原油的液位处于下限值，对应的下浮球液位开关KS2 接通，KS2 接通使得I0.1=1。 当液位处于上限值，对应的上浮球液位开关KS1，KS2 全部接通，Q0.0=1，中间继电器KA1 线圈得电，对应的常开触点KA1 接通，接触器线圈得电，主触头闭合，抽油泵电机启动。 当原油的液位介于上下限之间，KS2 接通，KS1 断开；Q0.0=1，抽油泵启动；当原油的液位低于下限值，KSA，KS2 全部断开，Q0.0=0， 中间继电器KA1 线圈失电，对应的常开触点KA1 断开，接触器线圈失电，主触头断开，抽油泵电机停止运行。 SA3 拨到手动挡，SA3B 断开的同时SA3A 接通，PLC 的输入点I1.3=0，抽油泵的启停由操作面板的按钮（SB1，SB2）完成。抽油泵启停控制流程如图6 所示。

图6 抽油泵程控流程图Fig. 6 Pump flow chart of SPC

2.2 触摸屏

触摸屏读取PLC 内部对应的存储温度值的地址，并且把地址的内容显示到人机界面[3]。 K 型热电偶是温度控制仪的输入信号， 温控仪输出与温度对应的是4～20 mA 的电流，温度和输出的电流呈线性关系，电流所对应的温度值在智能温控仪上设定，长按“set”，把P－SH 高满度显示设定为30，P－SL低满度显示设定为10，当热电偶检测的温度为10 ℃时，温控仪输出4 mA；检测的温度为30℃时，温控仪输出20 mA。 温控仪的变送4～20 mA 输出是作为EM235 的输入。 西门子S7－200 PLC 内部模拟量和数字量之间的对应关系为4～20 mA 和6400－32000，热电偶测量温度与变送输出的对应关系为10～30 ℃和4～20 mA，触摸屏上显示的温度即为热电偶测量到的温度，触摸屏直接读取PLC 的地址，温度信号首先在PLC 内被转换为6400－32000 的数字量，通过梯形图程序，把数字量转换成实际测量的温度。 假设实验环境温度为Y，温度对应的数字量为X， 温度与数字量之间的线性关系为Y=（30－10）/（32 000－6 400）X+K，温度为10℃时，电流转换成的数字量为6 400，解得K=5。 所以温度和数字量直接的关系为Y=X/1 280+5，X－输入电流在EM235 内经过A/D 转换后的数字量。 在STEP7 软件上的程序如图7 所示。

图7 电流－温度转换程序Fig. 7 Current-the temperature conversion program

触摸屏上电后，首先进入“初始画面”即原油脱水系统控制界面，点击“进入系统”按钮，进入主画面，主画面由系统控制、系统状态、初始画面组成，点击“系统控制”进入控制界面，进油阀开关按钮，回流阀开关按钮，电机启停按钮。 点击“主画面”按钮，将返回到主画面，在主画面下点击“系统状态”，进入系统状态监控画面，画面实时地显示原油及导热油温度参数。 同样，点击右下角“主画面”按钮，将返回到主画面[4]。 PLC 热电偶采集温度信号转换成4～20 mA 信号输入到PLC 的模拟量扩展模块， 在PLC 内部经过A/D 转换和运算，将实际测到的原油及导热油温度值保存到VD12，VD16，VD20，VD24，VD28，VD32 存储器中，分别对应原油的温度监测点TC1、TC2，TC3，TC4，TC5 及导热油温度，如图9 所示。触摸屏和PLC 通讯成功后，PLC 将VD12，VD16，VD20，VD24，VD28，VD32 这5 个温度值发送给触摸屏的数值输入/显示控件，预先将对应的控件与存储器地址做正确的映射[5]。 实现了在触摸屏上实时显示温度参数， 触摸屏上的温度采用32 位浮点数显示，温度值带有一位小数点。 将触摸屏上显示的温度与操作面板上温控仪测到的温度做比较，两者一致，程序实现调试成功[6]。

对系统状态画面下的各个按钮作以下说明：在使用触摸屏的按钮控制阀门和电机时， 需要预先将对应的转换开关（SA1，SA2，SA3）拨到手动挡。 1）首先进油阀的开关按钮与PLC 的输出点Q0.3 关联，SA1 拨到手动。当按下“开进油阀”，Q0.3 复位。 中间继电器KA7 线圈失电，对应的常开触点KA7断开，中间继电器KA4 的线圈失电，常开触点KA4 断开，进油阀打开。 按下“关进油阀”，Q0.3 置位。 中间继电器KA7 线圈得电，对应的常开触点KA7 接通，中间继电器KA4 的线圈得电，常开触点KA4 接通，进油阀关闭；2）SA2 拨到手动，回流阀的开关按钮与PLC 的输出点Q0.4 关联， 按下 “开回流阀”，Q0.4 置位，中间继电器KA8 线圈得电，对应的常开触点KA8 接通，从而使中间继电器KA5 的线圈得电，对应的常开触点KA5 接通，回流阀打开；按下“关回流阀”，Q0.4 复位，中间继电器KA8 线圈失电，对应的常开触点KA8 断开，从而使中间继电器KA5 的线圈失电，对应的常开触点KA5 断开，回流阀关闭；3） SA3 拨到手动， 抽油泵电机的启停按钮与PLC的输出点Q0.5 关联，按下“启动抽油泵”，Q0.5 置位，中间继电器KA9 线圈得电，对应的常开触点KA9 接通，从而使中间继电器KA6 的线圈得电，对应的常开触点KA6 接通，接触器的线圈通电，主触头闭合，抽油泵电机启动；按下“停止抽油泵”，Q0.5 复位，中间继电器KA9 线圈失电，对应的常开触点KA9 断开，从而使中间继电器KA6 的线圈失电，对应的常开触点KA6 断开，接触器的线圈断电，主触头断开，抽油泵电机停止运行。 控制回路的电气原理图如图8 所示。

图8 控制回路电气原理图Fig. 8 The control circuit of electric schematic diagram

3 结 论

实验证明，脱水系统的控制精度达到了设计要求，原油脱水后含水率0.5%以下， 抽油泵对原油的液位反应灵敏，在上下限液位点，抽油泵启停正常。 温控仪的温度读数与触摸屏上的显示误差在0.1 ℃左右，能够满足原油脱水工艺要求。转换开关可方便地实现功能切换，原油的温度有效地控制电磁阀的开闭。 PLC 与触摸屏联合使用，提高了原油脱水的自动化控制水平， 可对油田上传统脱水装置进行技术升级，减少操作人员的劳动强度、改善原油脱水的生产效率。

[1] 王兆坤. 油田老化油电脱水新工艺及设备的研究[D]. 青岛：中国石油大学（华东），2012.

[2] 刘婕. 触摸屏与PLC在龙门刨床中的应用研究[J]. 机床与液压，2014，42（10）:200-203.

[3] 陈进，季园园，李耀明. 基于PLC和触摸屏的联合收割机监控系统设计[J]. 仪表技术与传感器，2014（7）:78-81.

[4] 黄勤，廖伟，甘思源，等. 智能式脱水控制系统[J]. 自动化与仪器仪表，2005（2）:46-49.

[5] 金晶，王东升，刘宁. PLC触摸屏配置方案优缺点分析及改进研究[J]. 自动化仪表，2013，34（5）:34-39.

[6] 刘振全，王汉芝. 触摸屏与PLC在海水淡化控制系统中的应用[J]. 自动化仪表，2007，28（5）:36-39.