孟亞男,孫 銘

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

天然氣作為主要的化工材料，廣泛地應(yīng)用在人民生活和工業(yè)生產(chǎn)中.我國是天然氣資源生產(chǎn)大國，因此油氣開發(fā)裝置的研究對(duì)于我國具有重大經(jīng)濟(jì)推動(dòng)作用.然而剛從油田采出的天然氣含有較多的重?zé)N成分，這些氣體導(dǎo)致天然氣的烴露點(diǎn)過高，無法直接外輸天然氣，這就要求必須采取措施提高天然氣的質(zhì)量.

采用輕烴回收裝置既可以降低天然氣的烴露點(diǎn)，又能防止在輸送天然氣時(shí)輕烴在管道中發(fā)生堵塞現(xiàn)象，并能回收液態(tài)烴.油田氣里所含成分復(fù)雜，不采取輕烴回收措施直接燃燒排放，不但損失了大量的自然資源，還對(duì)大氣環(huán)境造成不可估量的破壞，輕烴回收裝置在油氣開發(fā)過程中有著不可或缺的地位，對(duì)其的研究是當(dāng)前最主要的任務(wù)[1].目前，我國在輕烴回收裝置研發(fā)方面還存在工藝設(shè)計(jì)不合理、主要參數(shù)整定不當(dāng)?shù)戎T多問題，這導(dǎo)致裝置液烴回收率低，整套系統(tǒng)的高投資卻沒收獲理想的經(jīng)濟(jì)收益.此外，過程控制沒能充分利用先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)，控制方案優(yōu)化方面顯得十分短板.如今被應(yīng)用的輕烴回收裝置主要以滿足工藝過程控制需求為主，對(duì)降低能耗、工業(yè)生產(chǎn)成本和設(shè)備管理考慮不周[2].

基于我國輕烴回收裝置控制方法的研究現(xiàn)狀，本文首先分析了輕烴回收的工藝流程和工藝要求.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)表研究并確立輕烴回收裝置控制方案，選用S7-MicroWIN軟件編程,采用龍鼎源軟件開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng).基于S7-200 SMART的輕烴回收裝置自動(dòng)化程度明顯提高，不僅產(chǎn)物滿足商業(yè)需求，也大幅度減輕了工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，是目前較好的控制方案.

1 輕烴回收工藝流程設(shè)計(jì)

輕烴回收工藝流程如圖1所示.

圖1 輕烴回收工藝流程圖

來自井排閥組的天然氣經(jīng)生產(chǎn)分離、計(jì)量分離工序傳輸至輕烴回收工序，圖中露點(diǎn)分離器分離出符合露點(diǎn)要求的天然氣，將其直接送到外輸管線.烴露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)的天然氣經(jīng)管道輸至輕烴回收裝置進(jìn)行反應(yīng)(采用勝利油田德利輕烴回收裝置)，符合質(zhì)量指標(biāo)后輸至外輸管線[3-4].

來自分離器的凝析油進(jìn)入一級(jí)閃蒸罐，經(jīng)反應(yīng)后產(chǎn)生的天然氣輸送至外輸管道.上一級(jí)不合格的凝析油進(jìn)入二級(jí)閃蒸罐進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生的天然氣同樣送至外輸管道.

2 輕烴回收控制方案

2.1 S7-200 SMART

本文采用的S7-200 SMART PLC是西門子公司開發(fā)的一款經(jīng)濟(jì)型控制器，CPU模塊直接可以利用自身就能實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單的控制.根據(jù)本工藝具有少量I/O點(diǎn)擴(kuò)展及需要更多的通信端口的特點(diǎn)，采用S7-200 SMART能夠帶來整個(gè)系統(tǒng)更好的靈活性、經(jīng)濟(jì)性[5].

2.2 輕烴回收控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為輕烴回收控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.本系統(tǒng)中的服務(wù)器兼操作員工作站、PLC控制柜、各種打印機(jī)和通信設(shè)備通過以太網(wǎng)和光纖線路進(jìn)行信息傳輸.PLC控制柜中的I/O模塊接收可燃?xì)怏w報(bào)警控制器發(fā)出的超限報(bào)警信號(hào)，通過RS-485傳輸?shù)牧髁坑?jì)信號(hào)與在線色譜分析儀信號(hào)等，并將被測信號(hào)傳送到工作站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

圖2 輕烴回收控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 S7-MicroWIN軟件編程

(1)模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)中的被測流量、溫度、液位等都是時(shí)變的模擬量，執(zhí)行器限于接收PLC輸出的模擬信號(hào)，但S7-200 SMART PLC只能識(shí)別數(shù)字量[6]，故本文編寫了模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序.目的在于將模擬量(4～20 mA)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量(5530-27648)轉(zhuǎn)換成工程數(shù)據(jù)(溫度、壓力、流量等).

通過輸入?yún)?shù)#AI接收一個(gè)整型值，因整型值無法直接轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，故先轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)，再轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù).程序段2、3將輸入閾值設(shè)定為5530-27648.程序段4、5、6目的是計(jì)算出輸入值在閾值中所占的比值，再將其與工程數(shù)閾值相乘，得到工程數(shù)值在該閾值的結(jié)果，最后與下限相加輸出實(shí)際工程測量值[7-9].模擬量輸入轉(zhuǎn)換計(jì)算公式為：

(1)

式中，OUT為模塊輸出值；IN為模塊輸入值；H為上限設(shè)定值；L為下限設(shè)定值.

(2)模擬量控制程序

模擬量控制程序如圖3，輕烴回收裝置系統(tǒng)有4個(gè)AI點(diǎn)，調(diào)用模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序，將現(xiàn)場測量值作為輸入，并根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)計(jì)上下限，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出，輸出值傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測.

圖3 模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序

(3)Modbus通信程序設(shè)計(jì)

對(duì)于通過CPU串口進(jìn)行的Modbus RTU通信，S7-Micro/WIN SMART和S7-200 SMART CPU包含預(yù)組態(tài)的子例程和中斷例程，使得與Modbus設(shè)備的通信更為便捷.

如圖5，采用MBUS_CTRL與MBUS_MSG指令編寫程序，同時(shí)在Modbus RTU主站中調(diào)用，MBUS_CTRL的功能是初始化Modbus主站協(xié)議，而且還能命令CPU端口單獨(dú)為Modbus主站通信使用.MBUS_CTRL指令在MBUS_MSG中調(diào)用，當(dāng)產(chǎn)生輸入信號(hào)時(shí)，MBUS_MSG對(duì)Modbus從站發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，并執(zhí)行來自Modbus從站的信號(hào).需要注意的是，在程序中一次只能出發(fā)一個(gè)MBUS_MSG指令，如果同時(shí)激活多個(gè)MBUS_MSG指令，系統(tǒng)將執(zhí)行第一條被觸發(fā)的MBUS_MSG指令，其余相同指令被中止激活并發(fā)送錯(cuò)誤代碼.

圖4 模擬量控制程序

圖5 MBUS_CTRL與MBUS_MSG的調(diào)用

3 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

選用“北京龍鼎源”軟件，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)輕烴回收裝置監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)監(jiān)測以及產(chǎn)生超限報(bào)警信號(hào)等各項(xiàng)功能[10].根據(jù)實(shí)際工程需求，進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)表建立遠(yuǎn)程連接、設(shè)備變量的建立和組態(tài)界面的設(shè)計(jì)等步驟.

最終完成的上位機(jī)監(jiān)測界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測被測溫度、天然氣運(yùn)輸管道的流量和反應(yīng)裝置的液位、壓力數(shù)據(jù).當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，并在報(bào)警表顯示紅色字樣的具體報(bào)警情況.確認(rèn)信息后，報(bào)警信息由紅色改為綠色并停止播放聲音.消除故障后，報(bào)警信息由綠色改為藍(lán)色，監(jiān)測界面如圖6.

圖6 上位機(jī)監(jiān)測畫面

4 結(jié) 論

在油氣的開發(fā)過程中，為了得到優(yōu)質(zhì)的天然氣，提高輕烴回收裝置的自動(dòng)化水平尤為重要.相對(duì)于我國目前對(duì)裝置和控制方案的研究與應(yīng)用，采用S7-200 SMART對(duì)輕烴回收裝置自動(dòng)化控制是工業(yè)生產(chǎn)中較好的控制方案，即提高了油田氣開發(fā)水平，又達(dá)到了節(jié)約環(huán)保的目的.同時(shí)開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，操作人員無需親臨現(xiàn)場便隨時(shí)監(jiān)測各種參數(shù)，使工業(yè)生產(chǎn)變得更加安全、便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保.