段玉波，陳靜石

(東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000 )

油田工藝處理流程中，通常只存在4種信號(hào)： 開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出[1]。開(kāi)關(guān)量輸入一般作為普通報(bào)警以及極限關(guān)斷輸入；開(kāi)關(guān)量輸出一般作為現(xiàn)場(chǎng)關(guān)斷閥(或控制閥氣源)控制、設(shè)備跳閘斷電控制等；模擬量輸入作為過(guò)程監(jiān)視參數(shù)，被PLC采集后上位組態(tài)軟件顯示為人機(jī)交換界面，部分也是自動(dòng)控制的過(guò)程參數(shù)；模擬量輸出一般作為控制閥控制信號(hào)，屬于操作者或控制系統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)所用。在石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，控制系統(tǒng)應(yīng)將生產(chǎn)控制與緊急關(guān)停控制分開(kāi)，因而從控制系統(tǒng)的角度來(lái)講，緊急關(guān)停系統(tǒng)(ESD)主要接入極限開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸出至關(guān)斷閥或設(shè)備跳閘斷電，用于開(kāi)關(guān)量控制；生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要接入模擬量輸入輸出、部分開(kāi)關(guān)量輸入輸出，一般不會(huì)涉及生產(chǎn)或設(shè)備緊急關(guān)停。

在無(wú)擾控制系統(tǒng)切換設(shè)計(jì)中，首先保證的是安全性，其次是工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。工藝系統(tǒng)不穩(wěn)定可能直接導(dǎo)致極限開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，帶來(lái)失控危險(xiǎn)，致使緊急關(guān)停系統(tǒng)動(dòng)作而發(fā)生關(guān)停，而生產(chǎn)控制系統(tǒng)一般不會(huì)直接導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停，所以在系統(tǒng)切換中首先考慮切換生產(chǎn)控制系統(tǒng)，待生產(chǎn)控制穩(wěn)定正常后，再切換ESD[2]。

1 生產(chǎn)控制系統(tǒng)的切換

生產(chǎn)控制系統(tǒng)大部分信號(hào)為模擬量輸入輸出。部分模擬量輸入作為自動(dòng)控制的過(guò)程參數(shù)來(lái)控制輸出，這類(lèi)模擬量輸入需要將自動(dòng)控制切換回手動(dòng)控制，斷開(kāi)模擬量輸入與輸出之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系之后再切換。

1) 無(wú)關(guān)聯(lián)的模擬量輸入切換。該類(lèi)模擬量輸入只是用于人機(jī)交換界面顯示，從一個(gè)控制系統(tǒng)切換到新控制系統(tǒng)可能主要存在量程不對(duì)應(yīng)、輸入信號(hào)不匹配的問(wèn)題。切換前應(yīng)仔細(xì)核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器量程以及輸出信號(hào)[3]。例如現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為4～20 mA，量程為0～1 600 kPa，如果新控制系統(tǒng)輸入卡件設(shè)置為0～5 V，量程0～1 000 kPa，那么上位機(jī)將無(wú)法正確顯示現(xiàn)場(chǎng)壓力參數(shù)。一般只需修改新控制系統(tǒng)PLC卡件屬性即可，該方法修改簡(jiǎn)單方便，通過(guò)PLC編程軟件可以直接得到參數(shù)修改后的結(jié)果[4]。

2) 有關(guān)聯(lián)的模擬量輸入切換。先必須將關(guān)聯(lián)斷開(kāi)，一般將自動(dòng)控制切換為手動(dòng)控制即可，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程量不會(huì)突變，采用手工控制也能穩(wěn)定工況。將關(guān)聯(lián)斷開(kāi)后，直接將模擬量輸入接入新系統(tǒng)即可，參照無(wú)關(guān)聯(lián)的模擬量輸入切換。

3) 模擬量輸出切換。模擬量輸出一般都用于現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制，通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)度來(lái)控制液位、壓力、流量、溫度等。模擬量切換的不平穩(wěn)，直接造成工況的不穩(wěn)定，進(jìn)而可能引發(fā)工況波動(dòng)，帶來(lái)極限開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)生關(guān)停甚至危險(xiǎn)。模擬量輸出切換有兩種方法：

a) 調(diào)整工況。采用現(xiàn)場(chǎng)旁通閥手動(dòng)調(diào)節(jié)，逐步將調(diào)節(jié)閥隔離，此時(shí)即可將模擬量輸出端子直接接入新系統(tǒng)，再利用新系統(tǒng)手動(dòng)輸出逐漸啟用調(diào)節(jié)閥控制。該方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間、人力，并且切換過(guò)程不可逆，一旦在手動(dòng)控制不穩(wěn)的情況下，可能發(fā)生工況波動(dòng)。

b) 使用繼電器快速切換原理進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換。該方法切換時(shí)間遠(yuǎn)小于控制閥反應(yīng)時(shí)間，基本對(duì)系統(tǒng)控制不會(huì)產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 模擬量輸出切換原理示意

24 V(DC)繼電器可以采用市面所售專(zhuān)用信號(hào)切換繼電器，其切換時(shí)間小于10 ms，也可以采用普通24 V(DC)4通道繼電器，普通繼電器切換時(shí)間小于100 ms[5]，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥反應(yīng)時(shí)間一般都大于500 ms。切換過(guò)程： 現(xiàn)場(chǎng)控制閥輸入端A3接繼電器觸點(diǎn)的公共端，給繼電器吸合線圈加電，舊系統(tǒng)模擬量輸出A1接常開(kāi)點(diǎn)，此時(shí)舊系統(tǒng)模擬量輸出提供給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥，新系統(tǒng)模擬量輸出A2接常閉點(diǎn)，注意信號(hào)的正負(fù)極性。

當(dāng)滿足切換條件時(shí)，只需將無(wú)擾切換開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)即可，觀察現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥是否有劇烈動(dòng)作。如有，則應(yīng)迅速閉合無(wú)擾切換開(kāi)關(guān)K1，查找新系統(tǒng)輸入輸出對(duì)應(yīng)故障后再進(jìn)行切換。油氣水處理工藝流程中，間歇性的波動(dòng)是可以接受的，可以通過(guò)人工干預(yù)恢復(fù)正常工況而不影響處理效果。該操作簡(jiǎn)單明了，具有可逆性，時(shí)間要求短。

模擬量輸出模塊設(shè)置為電流信號(hào)時(shí)是一個(gè)恒流源，設(shè)置為電壓信號(hào)時(shí)為一個(gè)恒壓源。在恒流源的負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，恒流源輸出電壓理論上會(huì)無(wú)限上升，但在控制系統(tǒng)的電源電壓最高為24 V(DC)，輸出模塊也有電壓保護(hù)，斷開(kāi)負(fù)載時(shí)測(cè)量輸出電壓為24 V(DC)。當(dāng)切換的瞬間，由于現(xiàn)場(chǎng)電/氣轉(zhuǎn)換器、線阻等是恒定阻值，而電壓值為24 V(DC)，瞬間電流將可能超過(guò)用戶設(shè)定值，輸出模塊卡件將迅速鉗制電流，此過(guò)程時(shí)間由輸出模塊卡件性能決定，但電流階躍時(shí)間小于1 ms；如信號(hào)輸出設(shè)置為電壓信號(hào)，則輸出卡件為1個(gè)恒壓源，負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，電壓是與用戶設(shè)定開(kāi)度值對(duì)應(yīng)，負(fù)載接通的瞬間，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將承擔(dān)一部分電壓，導(dǎo)致輸出電壓值可能低于用戶設(shè)定值，但電壓階躍時(shí)間也小于1 ms。所以無(wú)論是電壓信號(hào)還是電流信號(hào)，控制系統(tǒng)輸出因?yàn)樨?fù)載接通與斷開(kāi)帶來(lái)瞬間信號(hào)階躍，對(duì)整個(gè)控制回路是沒(méi)有影響的。

2 緊急關(guān)停系統(tǒng)的切換

2.1 緊急關(guān)停系統(tǒng)的切換原理

緊急關(guān)停輸入信號(hào)對(duì)于部分原有控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能未設(shè)置軟件旁通，以某油田為例，ESD由2臺(tái) SLC500組成非冗余、熱備的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)分別接入SLC 1與SLC 2，經(jīng)過(guò)各自程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸出。并聯(lián)輸出至中間繼電器，控制繼電器的常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)，部分干觸點(diǎn)用于電氣設(shè)備跳閘控制，部分連接24 V(DC)用于控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥，進(jìn)而控制關(guān)斷閥或放空閥。在中心控制室控制柜內(nèi)設(shè)置了與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)并聯(lián)的旁通開(kāi)關(guān)，用于在啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)進(jìn)行旁通操作。在PLC程序內(nèi)部設(shè)置了2個(gè)用于相互檢測(cè)對(duì)方狀態(tài)的輸入輸出，2個(gè)輸出各自間歇2 s切換至開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如其中1臺(tái)PLC故障，停止切換，另外1臺(tái)即可檢測(cè)到對(duì)方故障，輸出報(bào)警。在類(lèi)似該ESD切換時(shí)，不能通過(guò)程序強(qiáng)制進(jìn)行輸入信號(hào)的旁通，即使同時(shí)連接2臺(tái)PLC強(qiáng)制，時(shí)間始終存在差異，可能造成PLC相互檢測(cè)不一致而導(dǎo)致關(guān)停事件。

圖2 非冗余、熱備的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

因此，該ESD輸入信號(hào)必須在硬件旁通板上撥動(dòng)旁通開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行輸入旁通，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)拆除時(shí)，不得發(fā)生接地等故障。將新系統(tǒng)中需要的所有輸入輸出都替代完成之后，再確認(rèn)舊系統(tǒng)對(duì)其控制的設(shè)備已經(jīng)允許關(guān)斷或關(guān)斷已經(jīng)被短接、旁通之后，才能關(guān)停ESD，否則可能發(fā)生不必要的關(guān)?；蛭ｋU(xiǎn)。

2.2 緊急關(guān)停系統(tǒng)的輸出

ESD的輸出分為兩種： 做電氣設(shè)備跳閘線圈電源回路中的一個(gè)干觸點(diǎn)；用于控制現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥，再用電磁閥去控制關(guān)斷閥、放空閥或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于第一種，需將ESD提供的干觸點(diǎn)短接，部分電氣類(lèi)設(shè)備設(shè)置了多層跳閘，下級(jí)跳閘線圈可能是使用正常斷開(kāi)觸點(diǎn)，此時(shí)只需斷開(kāi)中間1個(gè)跳閘線圈電源即可。

對(duì)于第二種控制現(xiàn)場(chǎng)關(guān)斷閥或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，有兩種實(shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)場(chǎng)關(guān)斷閥或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用ESD控制的24 V(DC)來(lái)通斷三通電磁閥氣源，切斷并放空關(guān)斷閥氣缸氣源，來(lái)控制關(guān)斷閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)。因此，第一種操作方法可以選擇對(duì)電磁閥的泄氣口進(jìn)行操作，在泄氣口直接加載氣源，當(dāng)電磁閥失去電源時(shí)，關(guān)斷閥無(wú)法泄氣而關(guān)閉，切換系統(tǒng)輸出24 V(DC)后，拆除泄氣口氣源即可。

由于部分電磁閥或其他24 V(DC)設(shè)備如果停止供電，會(huì)馬上造成生產(chǎn)關(guān)停，因而需采用以下不間斷供電方式切換控制系統(tǒng)的輸出。以某油田井口控制盤(pán)電磁閥SDY-1710為例，如圖3所示[7]。

圖3 不間斷供電方式切換控制系統(tǒng)的輸出示意

SDY-1710用于所有控制采油樹(shù)的地面安全閥(SSV)，地面安全閥氣源壓力被卸掉之后，引起設(shè)置在地面安全閥氣源管線上的壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，致使電潛泵關(guān)停。氣壓的降低需要1個(gè)時(shí)間段，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)卻需要迅速關(guān)停電潛泵，這時(shí)需增加電潛泵的跳閘線圈電源控制。因電潛泵柜內(nèi)電壓等級(jí)較高，不可在柜內(nèi)通過(guò)短接的方式進(jìn)行旁通，所以SDY-1710的任何短暫性停電，都會(huì)導(dǎo)致所有電潛泵的關(guān)停，系統(tǒng)切換時(shí)必須采用不間斷供電方式。

1) 方案一。直接將新系統(tǒng)24 V(DC)輸出與舊系統(tǒng)24 V(DC)輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)，協(xié)同給SDY-1710 供電，再斷開(kāi)舊系統(tǒng)輸出即可。風(fēng)險(xiǎn)分析： 舊ESD的總電源為24 V(DC)開(kāi)關(guān)電源，中間設(shè)置了1 A的保險(xiǎn)，新系統(tǒng)的電源也為24 V(DC)開(kāi)關(guān)電源，線路上設(shè)置了1 A保險(xiǎn)。開(kāi)關(guān)電源協(xié)同供電時(shí)必須設(shè)置平衡線，以達(dá)到輸出電壓等級(jí)、電壓波動(dòng)一致，負(fù)載平衡，否則會(huì)導(dǎo)致其中某個(gè)開(kāi)關(guān)電源自我保護(hù)停止輸出。傳統(tǒng)雙電源冗余方案設(shè)計(jì)中，2個(gè)開(kāi)關(guān)電源之間設(shè)置了用于平衡輸出的平衡信號(hào)線，而一般升級(jí)改造中，很難采用同品牌的開(kāi)關(guān)電源，平衡線無(wú)從設(shè)置，如果直接將新系統(tǒng)輸出與舊系統(tǒng)輸出并聯(lián)在一起，會(huì)導(dǎo)致其中某個(gè)電源停止輸出或者保險(xiǎn)燒毀。

2) 方案二。使用電池中轉(zhuǎn)，先將1塊24 V(DC)鉛酸電池對(duì)應(yīng)正負(fù)極搭接在舊系統(tǒng)輸出上，由于電池的特性，當(dāng)舊系統(tǒng)輸出電壓超過(guò)電池電壓，舊系統(tǒng)會(huì)給電池充電，充電電流為兩者電壓差除以電池內(nèi)阻與線路電阻，如果處于充電狀態(tài)，1 A保險(xiǎn)不僅承受SDY線圈、中間繼電器線圈供電，還需要承受給電池充電的電流，因此導(dǎo)致1 A保險(xiǎn)燒毀、SDY中斷供電；如將電池電壓充滿至24 V甚至24 V以上時(shí)，由于開(kāi)關(guān)電源的特性，電池是無(wú)法通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸出端子放電的，此時(shí)1 A的保險(xiǎn)電流為電池與開(kāi)關(guān)電壓之差除以一個(gè)很大的阻值，電流極小，此時(shí)電池將SDY-1710線圈、中間繼電器線圈的負(fù)荷分擔(dān)過(guò)來(lái)，再停止舊系統(tǒng)24 V(DC)輸出，此時(shí)電池將負(fù)責(zé)SDY線圈、中間繼電器線圈供電，再將新系統(tǒng)輸出的24 V(DC)接入，同理1 A的保險(xiǎn)內(nèi)流過(guò)的電流將極小，斷開(kāi)電池，新系統(tǒng)將負(fù)擔(dān)起SDY-1710線圈、中間繼電器線圈供電，達(dá)到平穩(wěn)不間斷供電切換。方案二類(lèi)似UPS原理，利用PLC輸入快速反應(yīng)特性來(lái)對(duì)方案二進(jìn)行驗(yàn)證，將圖3中的ESP ESD接入PLC輸入，使用PLC輸入檢測(cè)其是否會(huì)瞬間斷開(kāi)。

2.3 理論驗(yàn)證

將繼電器輸入設(shè)置為I： 0/0，當(dāng)繼電器得電時(shí)，常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合，一旦供電間斷，PLC將輸出鎖定O： 0/0。電磁閥為普通10 W 24 V(DC)，連接好后，模擬舊ESD的DC輸入電壓為22.3 V，電池電壓為24.5 V，另1個(gè)小型開(kāi)關(guān)電源電壓設(shè)置為24 V，切換過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)O： 0/0鎖定；隨后將電池電壓充滿至25.1 V，開(kāi)關(guān)電源電壓不改變，切換過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)PLC輸出鎖定，驗(yàn)證成功。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)不斷摸索、驗(yàn)證，控制系統(tǒng)的無(wú)擾切換可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程工藝的平穩(wěn)運(yùn)行，滿足了在控制系統(tǒng)切換的短暫瞬間，對(duì)過(guò)程工藝的參數(shù)影響最小的需求。筆者對(duì)實(shí)際過(guò)程控制系統(tǒng)的切換方案提出了新的思路，對(duì)油田的其他控制系統(tǒng)的在線切換具有借鑒意義。

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