董宇迪（大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司）

新型遠(yuǎn)程無(wú)線控制器在油田加熱爐燃燒器上的應(yīng)用

董宇迪（大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司）

遠(yuǎn)程無(wú)線控制器可用于野外低溫、環(huán)境復(fù)雜、布線困難的（小于1000 m）全自動(dòng)燃燒器上。其特征在于：由主、從兩個(gè)工業(yè)處理器組成雙單片機(jī)冗余控制電路，其中，主處理器的控制信號(hào)輸入端與無(wú)線收發(fā)模塊相連接，從處理器獨(dú)立冗余檢測(cè)信號(hào)，并在異常時(shí)從外部關(guān)斷供氣回路。該種控制器能夠通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊在遠(yuǎn)程中央控制器的控制下工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒器的遠(yuǎn)程無(wú)線控制，且可直接安裝于燃燒器現(xiàn)場(chǎng)，大大節(jié)約了電纜布線成本，提高了使用單位的經(jīng)濟(jì)效益。

無(wú)線遠(yuǎn)程控制 雙處理器 燃燒器 經(jīng)濟(jì)效益 安全控制

加熱爐是油田原油集輸過(guò)程中不可缺少的設(shè)備之一，與加熱爐配套使用的加熱爐燃燒器則是為原油加熱提溫的主要設(shè)備。隨著自控技術(shù)在油田各領(lǐng)域的應(yīng)用，加熱爐燃燒器也由傳統(tǒng)的手動(dòng)點(diǎn)火棒點(diǎn)火、手動(dòng)提溫逐步更新為自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、熄火保護(hù)等功能的全自動(dòng)燃燒器。目前，全自動(dòng)燃燒器的控制系統(tǒng)核心大多數(shù)由小型PLC及輸入/輸出模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)具有智能化高、可靠性高、體積小、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。但在油田加熱爐燃燒器上使用，也發(fā)現(xiàn)一些不盡人意之處，主要體現(xiàn)在溫控偏差大、控制距離短、系統(tǒng)布線較為繁瑣、投入成本偏高。針對(duì)PLC系統(tǒng)在加熱爐燃燒器上應(yīng)用出現(xiàn)的缺陷，公司組織設(shè)計(jì)、研發(fā)了具備PLC系統(tǒng)功能且完善PLC系統(tǒng)缺陷的新型遠(yuǎn)程無(wú)線控制器。

1 概述

PLC實(shí)現(xiàn)的全自動(dòng)燃燒器控制器:因系統(tǒng)為多摸擬量的輸入輸出接口,要求小型機(jī)以上PLC組合才能實(shí)現(xiàn)其功能。同時(shí)因PLC使用專(zhuān)用通信總線，其信號(hào)傳輸距離較短，工作溫度范圍較小，無(wú)法滿足北方油田近-40℃的現(xiàn)場(chǎng)需求。因此必須將現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)遠(yuǎn)程接入值班室進(jìn)行控制，造成現(xiàn)場(chǎng)布線成本與PLC組合配件成本都非常高。PLC自帶PID算法為通用算法，應(yīng)用于閥控調(diào)溫環(huán)境較困難且溫度調(diào)節(jié)偏差較大。

2 設(shè)計(jì)目的

針對(duì)目前油田在用燃燒器的特點(diǎn)，在PLC控制的功能基礎(chǔ)上用運(yùn)行速度更快更可靠的新型工業(yè)微處理器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)與控制。除實(shí)現(xiàn)PLC的全部功能外，針對(duì)其缺點(diǎn)，增加如下特點(diǎn)：

1）用新型低成本高性能工業(yè)型處理器取代PLC進(jìn)行控制，使控制更靈活，總成本更低，性能更強(qiáng)。

2）系統(tǒng)核心控制部分支持低溫（-40℃）野外環(huán)境要求，以實(shí)現(xiàn)控制部分現(xiàn)場(chǎng)化。

3）用戶(hù)交互無(wú)線化，可靠性由核心控制部分保證?？刂剖业浆F(xiàn)場(chǎng)只需布一根電源線，省去現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線的布線成本與難度。

4）用戶(hù)界面支持主流通用操作屏，實(shí)現(xiàn)與PC一樣同步科技發(fā)展進(jìn)行靈活產(chǎn)品升級(jí)，從而得到最優(yōu)性?xún)r(jià)比。

5）獨(dú)立研發(fā)新型低成本高可靠性電流環(huán)電路，定量滿足加熱爐實(shí)際控制精度、低溫漂、高抗干擾的要求。

6）設(shè)備控制與系統(tǒng)參數(shù)提供高安全性要求，所有參數(shù)分三類(lèi)保存于處理器EEPROM內(nèi)。指令的修改除需要密碼驗(yàn)證外同時(shí)需要對(duì)應(yīng)主控板截開(kāi)關(guān)通過(guò)硬件方式解除鎖定。

3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1）采用高性能工業(yè)型組合微處理器進(jìn)行控制，并使用雙CPU互檢冗余處理。其可靠性得到極大提升。其微處理器為最新型16位處理器+D SP雙核架構(gòu)，極方便實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜信號(hào)處理。主工業(yè)處理器的兩個(gè)控制信號(hào)輸出端分別經(jīng)電阻接至安全閥開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)二極管的基極上和點(diǎn)火電極開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)二極管的基極上；從工業(yè)處理器的兩個(gè)控制信號(hào)輸出端分別經(jīng)電阻接至安全閥開(kāi)關(guān)的關(guān)斷二極管的基極上和點(diǎn)火電極開(kāi)關(guān)的關(guān)斷二極管的基極上。主處理器負(fù)責(zé)全部設(shè)備的檢測(cè)與控制，從處理器獨(dú)立冗余檢測(cè)信號(hào)，并在異常時(shí)從外部關(guān)斷供氣回路。從而實(shí)現(xiàn)雙處理器冗余安全控制。主處理器進(jìn)行正?？刂撇僮鳎碧幚砥鞅O(jiān)聽(tīng)主處理器上傳數(shù)據(jù)并比對(duì)實(shí)際檢測(cè)輸入信號(hào)，當(dāng)主處理器一段時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)出或發(fā)出的數(shù)據(jù)內(nèi)容與實(shí)際輸入信號(hào)相沖突，副單片機(jī)將強(qiáng)制切斷現(xiàn)場(chǎng)供氣并使主處理器復(fù)位，從而達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)控制可靠性的要求。

2）主控制電路專(zhuān)門(mén)針對(duì)低溫、野外環(huán)境，內(nèi)外電源供電完全獨(dú)立且不共地，所有輸入輸出信號(hào)全部實(shí)現(xiàn)光電隔離，所有器件選用-40℃工業(yè)級(jí)型號(hào)。主控電路通過(guò)-40℃實(shí)際環(huán)境連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，支持現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電器設(shè)備抗干擾及抗10K V ESD環(huán)境要求。

3）現(xiàn)場(chǎng)的主控制電路與值班室的用戶(hù)觸摸屏實(shí)際距離有50~400m遠(yuǎn)，且遠(yuǎn)距離動(dòng)力線與信號(hào)線混合布線本身存在較大交叉干擾，故采用可自由使用的業(yè)余無(wú)線電頻段進(jìn)行無(wú)線通信，用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳與用戶(hù)指令下達(dá)。所有的安全與可靠性控制均由主控電路實(shí)現(xiàn)，無(wú)線通信僅僅上傳現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與當(dāng)前工作狀態(tài)，并接受用戶(hù)端下達(dá)的控制指令。所有可接受的指令只含有啟/停機(jī)等常規(guī)設(shè)置，主控板將會(huì)對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與校驗(yàn)，確定指令的正確性。數(shù)據(jù)出錯(cuò)與無(wú)線通信中斷時(shí)完全不影響現(xiàn)場(chǎng)控制的安全性。短時(shí)通信中斷或出錯(cuò)時(shí)不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生通信設(shè)備故障等長(zhǎng)時(shí)中斷，系統(tǒng)自動(dòng)退回到最小燃燒狀態(tài)并報(bào)警。

4）用戶(hù)端采用大尺寸TFT觸摸屏提升用戶(hù)使用性，同時(shí)系統(tǒng)使用當(dāng)前主流的智能操作系統(tǒng)W i n d o w s CE平臺(tái)進(jìn)行用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)。當(dāng)需要進(jìn)行用戶(hù)端硬件升級(jí)時(shí)只需類(lèi)似PC升級(jí)那樣將原目標(biāo)程序通過(guò)U盤(pán)等復(fù)制到新屏對(duì)應(yīng)目錄下就可以。同時(shí)因?yàn)閼?yīng)用軟件基于w i n d o w s操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，其軟件升級(jí)的開(kāi)發(fā)難度與開(kāi)發(fā)周期將大大減小。本系統(tǒng)的應(yīng)用可移植性也得到增強(qiáng)。

5）主控系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場(chǎng)并適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。所有傳感器與控制單元的布線均在現(xiàn)場(chǎng)完成，故所有傳感器與控制單元的走線不僅方便，而且布線距離也最短。最短距離的布線使引入干擾降到最低，同時(shí)省掉的屏閉電纜線的成本也非常可觀。遠(yuǎn)程值班室內(nèi)的用戶(hù)端只含有無(wú)線接收單元與觸摸屏及配套電路，故用戶(hù)端尺寸可做到非常小，其接線只需引入220V供電即可。這樣用戶(hù)端的安裝將不受值班室內(nèi)空間與電纜線槽的位置限制，也不會(huì)影響整體美觀。因省去現(xiàn)場(chǎng)與值班室之間的信號(hào)電纜及電纜鋪設(shè)，加之控制部分的總成本降低，使本系統(tǒng)綜合成本與同檔次PLC系統(tǒng)相比節(jié)省30%~50%。

6）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用改進(jìn)優(yōu)化的增量型PID算法，使溫度控制響應(yīng)速度與精確性得到很大提升。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為溫度反饋風(fēng)、氣閥開(kāi)度控制模式，PLC集成的通用位置型PID算法并不適合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制。采用優(yōu)化的增量型PID算法在實(shí)際應(yīng)用中其控制精度可做到第一個(gè)過(guò)沖與設(shè)定值小于4℃，穩(wěn)態(tài)時(shí)控制偏差小于1.5℃，以上控制完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)控制需求。

4 系統(tǒng)性能

4.1 系統(tǒng)性能參數(shù)

系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)上表1。

4.2 實(shí)際環(huán)境測(cè)試

低溫測(cè)試：主控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)溫箱內(nèi)-40℃連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)120h無(wú)異常。

無(wú)線通信測(cè)試：主控系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場(chǎng)，用戶(hù)端在400m外值班室內(nèi)，安裝于動(dòng)力系統(tǒng)電柜底部。實(shí)測(cè)通信，其中穿墻2道、電柜阻擋（非屏蔽）2層，現(xiàn)場(chǎng)加熱爐阻擋一道。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)48h無(wú)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。

4.3 干擾測(cè)試

400m現(xiàn)場(chǎng)通信，在主控系統(tǒng)周邊連續(xù)用15k V火花放電啟停各1 s，同步啟停5 k W電動(dòng)機(jī)一臺(tái)、手持電鉆一臺(tái)。連續(xù)測(cè)試4 h無(wú)故障，無(wú)通信中斷現(xiàn)象。

4.4 性能對(duì)比

顯示屏為7i nTFT真彩屏，比同等PLC配套5.7i n單色屏具有顯示更大，功能更多，使用更直觀的優(yōu)點(diǎn)。整套系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，成本低。改進(jìn)型PID控制性能比PLC自帶控制穩(wěn)定性與反應(yīng)速度更優(yōu)。PLC只能支持-20℃工作環(huán)境，本系統(tǒng)主控部分可支持-40℃連續(xù)工作環(huán)境?，F(xiàn)場(chǎng)安裝與無(wú)線控制器使成本更低，與PLC系統(tǒng)對(duì)比，總成本只需PLC系統(tǒng)的一半左右。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

本產(chǎn)品已成功應(yīng)用于大慶油田采油六廠喇460注水站、喇560聯(lián)合站；大慶油田采油二廠南2-3轉(zhuǎn)油站、南2-13轉(zhuǎn)油站、等站隊(duì)共計(jì)40余套。以喇560聯(lián)合站為例，加熱爐距值班室約270m，值班室鄰室內(nèi)有11臺(tái)功率大于30k W的動(dòng)力電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。用戶(hù)端安裝于盡量靠近電動(dòng)機(jī)的控制柜中，加熱爐附近有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的抽油機(jī)一臺(tái)，左邊安裝有PLC控制器的加熱爐一臺(tái)。工藝流程見(jiàn)圖1。

表1 系統(tǒng)性能參數(shù)

冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)設(shè)定溫度80℃，爐內(nèi)水溫40℃。爐體介質(zhì)溫度自身擾動(dòng)曲線及實(shí)際控制曲線見(jiàn)圖2。

經(jīng)一周調(diào)試與產(chǎn)品修正后，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)月實(shí)際結(jié)果如下：

◇安全故障：無(wú)

◇系統(tǒng)異常復(fù)位：無(wú)

◇通信中斷報(bào)警：1次，重啟后恢復(fù)

◇其他異常故障：無(wú)

6 系統(tǒng)工作圖及其簡(jiǎn)單說(shuō)明

本系統(tǒng)分主控系統(tǒng)部分與用戶(hù)端兩部分，兩部分的通信使用免費(fèi)的業(yè)余頻段進(jìn)行通信。其中主控系統(tǒng)安裝于現(xiàn)場(chǎng)為整套系統(tǒng)的核心部分，用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)與輸出單元的控制，所有控制與安全部分全部由主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)端只用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的顯示及用戶(hù)使用指令的下達(dá)。其系統(tǒng)工作框圖見(jiàn)圖3。

7 成本節(jié)約效果

以大慶油田采油六廠喇560聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)安裝使用為例。本系統(tǒng)使用普通2芯動(dòng)力線一根（可就近從其他控制柜接出，因考慮到為實(shí)驗(yàn)設(shè)置故單獨(dú)布線至值班室）長(zhǎng)度270m約4500元，現(xiàn)場(chǎng)布線成本約為2000元?？刂破鹘y(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)主控制電路，用戶(hù)端使用7寸TFT真彩觸摸屏。

鄰近PLC型加熱爐使用四芯屏蔽線7根，分別為風(fēng)閥控制線，氣閥控制線，電磁閥控制線，火焰檢測(cè)線，出口溫度檢測(cè)線，供電動(dòng)力線，檢漏檢測(cè)線。使用電纜長(zhǎng)度為1890m，按電纜市價(jià)最低值為11元/m，約2.08萬(wàn)元，現(xiàn)場(chǎng)布線的土建與材料成本約為2500元?？刂破鞑捎肧7-200系統(tǒng)的CPU 224（主控CPU）+EM 232（模擬量模塊）+EM 235（模擬量模塊）+TP177A（5.7寸單色觸摸屏）。綜合成本見(jiàn)表2。

表2 綜合成本對(duì)照單位：元

◇系統(tǒng)硬件節(jié)約1700元

◇電纜布線節(jié)約16300元

◇土建及材料節(jié)約500元

◇每套成本對(duì)比PLC系統(tǒng)節(jié)約18500元

8 總結(jié)

針對(duì)PLC系統(tǒng)在加熱爐燃燒器上使用暴露出的問(wèn)題，新型遠(yuǎn)程無(wú)線控制器通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的性能測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)燃燒器上的連續(xù)使用考核，充分證明本產(chǎn)品在功能上、性能上完全可以取代PLC系統(tǒng)，且完善了PLC系統(tǒng)在加熱爐燃燒器上使用的一些缺陷。在投入成本上對(duì)比PLC系統(tǒng)有很大的降低，綜合成本每套對(duì)比PLC系統(tǒng)節(jié)約資金40%~50%，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.011.009

董宇迪，工程師，2001年畢業(yè)于佳木斯大學(xué)，從事工業(yè)自動(dòng)化研究與應(yīng)用工作，E-mail：dydddd@163.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司，163453。

2012-08-07）