方利男

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

關(guān)鍵字：井下助排劑；PLC；冗余

在油氣開采過程中, 壓裂是常規(guī)體積改造手段[1]。但在壓裂過程中所產(chǎn)生的工作殘液不能完全排出，會對地層造成傷害。通常情況下，可以通過添加一種叫做助排劑的化學(xué)品來提高返排效率。助排劑系列產(chǎn)品的生產(chǎn)不僅會涉及很多工藝流程，而且還會用到一系列相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)助排劑的原料在反應(yīng)的過程中，對溫度、壓力、攪拌電機(jī)等指標(biāo)有較高的要求，通常這個過程是在反應(yīng)釜中進(jìn)行的。

反應(yīng)釜在不同的溫度階段，釜溫的控制對于助排劑產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響。某助排劑生產(chǎn)企業(yè)在之前的生產(chǎn)過程中，設(shè)備的啟停、閥門的開閉等大多依靠工人手動操作，對于工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，也大多依靠工人的現(xiàn)場經(jīng)驗。因此對溫度指標(biāo)控制精度不夠、產(chǎn)品質(zhì)量不高，產(chǎn)品的不合格率一直居高不下。這樣不僅浪費(fèi)了大量人力、物力、財力，而且長期的化工現(xiàn)場操作，對于工人的健康也構(gòu)成了一定的威脅。針對以上情況，本文設(shè)計了一套以西門子S7-300 PLC 為控制核心的助排劑生產(chǎn)線數(shù)字化系統(tǒng)，使溫度曲線更加符合生產(chǎn)工藝要求，控制精度更加準(zhǔn)確。同時也大幅度減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

1 助排劑生產(chǎn)工藝簡介

助排劑的生產(chǎn)是一個多原料反應(yīng)的過程。某企業(yè)原始的助排劑生產(chǎn)線主要由原料地埋罐區(qū)部分、上料泵及計量水罐上料部分、反應(yīng)釜和平臺及工藝管道部分、出料灌裝部分四部分組成，其中各部分的功能如下：

1） 原料地埋罐區(qū)部分。六座40m3地埋鋼襯塑儲罐，借助壓縮空氣將液體原料壓入反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜上裝有稱重模塊，可自動計量。

2） 上料泵及計量水罐上料部分。四臺泵組成泵上料系統(tǒng)（含稱重部分） 與四臺釜一一對應(yīng)，將200kg 包裝的液體物料上入反應(yīng)釜中。另外還有計量水罐自動上水系統(tǒng)將純凈水加入到反應(yīng)釜中。

3） 反應(yīng)釜和平臺及工藝管道部分。四臺10m3搪瓷反應(yīng)釜及鋼結(jié)構(gòu)平臺用來進(jìn)行主要的反應(yīng)過程。另外，工藝管道及輸送系統(tǒng)用來進(jìn)行液料輸送。

4） 出料灌裝部分。由三臺20m3鋼襯塑成品緩沖罐，三套噸包裝灌裝和一套槽車灌裝組成。并配套有一具20 m3壓縮空氣儲罐，為整套自動化系統(tǒng)提供氣源。

考慮到某企業(yè)原始的生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、自動化程度以及產(chǎn)品質(zhì)量等較低，本設(shè)計在原來生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增加了PLC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自動控制地埋罐上料，生產(chǎn)過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、自動灌裝等功能，將整套系統(tǒng)整合為一個有機(jī)體，實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動化。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對現(xiàn)有系統(tǒng)的了解和收到的技術(shù)資料，本自動化控制系統(tǒng)采用以下的控制方案：上位監(jiān)控計算機(jī)采用臺灣研華公司的IP610 作為工控主機(jī)，并設(shè)置雙機(jī)冗余；下位控制PLC 采用德國西門子S7-300 系列+ ET200M 分站的分布式方案。上位機(jī)與PLC 之間用PROFINET 總線連接，PLC與四個ET200M 分站之間采用PROFIBUS 總線以樹形方式連接。圖1 為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

另外，控制系統(tǒng)還包含36 個各型稱重傳感器，5 個稱重通信模塊，4 塊稱重顯示儀表，5 臺電子稱，各型氣動閥94 個以及兼具就地顯示及遠(yuǎn)傳的溫度傳感器14 個、壓力傳感器11 個、液位傳感器10 個。

2.1 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)現(xiàn)場情況以及控制系統(tǒng)的要求，本設(shè)計采用以下硬件配置：其中，CPU 模塊選用CPU315-2DP，電源模塊選用PS 307-5A，/O 模塊選用16 通道/32 通道的數(shù)字量擴(kuò)展模塊SM321、SM322，8 路模擬量擴(kuò)展模塊SM331、SM332，并留有15%的余量。通訊接口模塊選用IM153-1。

2.2 系統(tǒng)控制要求

該助排劑自動化生產(chǎn)線有以下控制要求：

1） 系統(tǒng)上料計量誤差不超過千分之五；

2） 反應(yīng)釜工作溫度：55 ～60 ℃；

3） 反應(yīng)釜溫度均勻性：± 5 ℃；

4） 反應(yīng)釜溫度控制精度：± 1 ℃。

整個助排劑生產(chǎn)線可以分為上料、加熱、保溫、冷卻和出料五個階段。其中上料和出料階段的控制屬于整個控制系統(tǒng)的輔助部分，主要實現(xiàn)的控制有：啟動上位工控機(jī)并對原料罐車向地埋罐卸料過程進(jìn)行實時監(jiān)控，確保地埋罐壓力、液位、溫度的檢測結(jié)果為正常范圍；其次借助電子秤，實現(xiàn)200L 桶裝料通過上料泵給反應(yīng)釜準(zhǔn)確計量、上料；待反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉加熱和冷卻裝置，產(chǎn)品通過管道泵及管道輸送至成品緩沖罐等待灌裝。加熱、保溫和冷卻階段的控制屬于整個控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成的控制有：打開加熱閥提高釜溫，利用PID 算法使釜溫維持在誤差范圍內(nèi)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫即可出料。

2.3 控制程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)工藝控制要求和助排劑生產(chǎn)線控制系統(tǒng)特點，本設(shè)計采用西門子STEP7 軟件標(biāo)準(zhǔn)庫PID 控制器中的溫度控制專用功能塊FB58 進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用FB58 功能塊進(jìn)行溫度控制，需要以下三個步驟：

1） 誤差計算與死區(qū)處理。

首先由外設(shè)過程變量選項（PVPER_ON） 選擇實數(shù)格式或者外圍設(shè)備的過程值，然后將采集到的外設(shè)過程變量值（PV_PER） 轉(zhuǎn)換成與內(nèi)部設(shè)定值（SP_INT） 單位相同的值。PV（反饋值）與SP_INT 的差值就是誤差。對誤差通過死區(qū)環(huán)節(jié) （DEADBAND） 進(jìn) 行 處 理， 可 由 參 數(shù)DEADB_W 設(shè)置死區(qū)寬度[2]。

2） PID 算法與變量計算。

FB58 采用位置式PID 算法，比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算3 部分并聯(lián)[3-5]。使用控制區(qū)（CONZ_ON） 來改善系統(tǒng)的控制效果，比較誤差是否超過CON_ZONE（控制區(qū)范圍） 來選擇可調(diào)節(jié)變量值的輸出。 通過手動選擇開關(guān)（MAN_ON） 的0，1 狀態(tài)來確定LMN（可調(diào)節(jié)變量） 的值[6]。此時LMN = LMN_P + LMN_I +LMN_D。

3） 控制器參數(shù)自整定。

FB58 具有參數(shù)自整定功能，通過分析溫度的階躍響應(yīng)曲線，并提取反應(yīng)釜溫度的特征參數(shù)，進(jìn)行多次尋優(yōu)后，來確定控制器Kp、Ti、Td 參數(shù)的值。如果對于自動整定得到的參數(shù)不滿意，還可以通過手動修改參數(shù)并進(jìn)行保存，以便使控制效果更為理想。在自整定之前，先切換至手動模式，一段時間后再切換至自動模式，可防止系統(tǒng)變量不穩(wěn)定而引起的震蕩。

在反應(yīng)釜溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，熱電偶負(fù)責(zé)反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度檢測，經(jīng)溫度變送器將采集到的液體溫度轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA 直流電流信號，通過SM331 模塊經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PLC，PLC 內(nèi)部程序?qū)⑥D(zhuǎn)化后的溫度與內(nèi)部設(shè)定值SP_INT 進(jìn)行比較，計算誤差并根據(jù)FB58 內(nèi)部控制算法進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果由SM332 模塊經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后變?yōu)? ～20 mA 的電流信號，控制電磁加熱閥的輸出功率[7]，從而實現(xiàn)對反應(yīng)釜溫度的控制。

2.4 自動控制流程

助排劑生產(chǎn)線的溫度控制程序，是整個下位機(jī)程序設(shè)計的重點，關(guān)乎到助排劑產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量。當(dāng)溫度反饋值高于溫度設(shè)定值1℃時，關(guān)閉加熱閥，打開冷卻閥；當(dāng)溫度反饋值低于溫度設(shè)定值1℃時，關(guān)閉冷卻閥，打開加熱閥；在誤差范圍內(nèi)時，加熱閥和冷卻閥全部關(guān)閉。PID 程序控制實現(xiàn)小范圍的恒溫控制。圖2 為程序設(shè)計流程圖。

圖2 程序流程圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)對生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)監(jiān)控軟件基于Windows 7 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，采用WinCC 7.4 作為開發(fā)平臺。WinCC 是一個強(qiáng)大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，它擁有先進(jìn)人機(jī)界面產(chǎn)品的所有功能，并且編程簡單，畫面效果好，使管理者在辦公室就能瀏覽整個生產(chǎn)線流程的動態(tài)畫面，從而更好地熟知生產(chǎn)情況，方便操作管理。如圖3 所示為組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)。

圖3 組態(tài)軟件整體結(jié)構(gòu)

助排劑生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)畫面主要有用戶管理、參數(shù)設(shè)置、工況曲線、故障預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)和報表生成。其中，用戶管理功能主要是用來管理用戶信息，包括用戶的登錄、設(shè)置密碼與權(quán)限，防止其他無關(guān)人員修改信息；參數(shù)設(shè)置功能，用戶可以設(shè)置反應(yīng)釜各個階段的反應(yīng)溫度和反應(yīng)物料等工藝參數(shù)；工況曲線功能，能夠使用溫度曲線圖來顯示參數(shù)的實時變化，同時用戶也可以查看歷史曲線；故障預(yù)警功能，當(dāng)系統(tǒng)處于不正常的工作狀態(tài)時，可報警提醒用戶及時進(jìn)行處理；運(yùn)行狀態(tài)功能，用戶可動態(tài)查看整個生產(chǎn)線的運(yùn)行畫面，方便管理與指導(dǎo)生產(chǎn)；報表生成功能，用戶可進(jìn)行報表打印，以便掌握生產(chǎn)信息。

4 結(jié)論

1） 經(jīng)過設(shè)計與改造的IPC+S7-300 PLC+ET200M 的控制系統(tǒng)投入使用以來，穩(wěn)定性很好，減少了日常維護(hù)成本。

2） 在助排劑生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)的工藝參數(shù)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，更加符合了產(chǎn)品的工藝要求。

3） 基于FB58 的溫度控制算法，使系統(tǒng)溫度控制更為準(zhǔn)確，達(dá)到、甚至超過了企業(yè)要求的性能指標(biāo)。