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        原油油品自動取樣在SCADA系統(tǒng)上的高度集成化

        2021-05-22 13:38:10朱同董飛陳婉秋尹后鳳
        油氣田地面工程 2021年5期
        關鍵詞:施耐德換向閥馬達

        朱同 董飛 陳婉秋 尹后鳳

        1廊坊開發(fā)區(qū)中油龍慧自動化工程有限公司

        2中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

        3中國石油管道局工程有限公司第一分公司

        4華港燃氣集團有限公司

        自動取樣分為時間比例取樣和流量比例取樣兩種方式,時間比例取樣基于總采樣時間和需要采集量,計算采樣時間間隔,該種取樣方式以時間為基數(shù),取樣頻率在整個取樣過程維持不變,是一種平均取樣。流量比例取樣基于發(fā)油批次總量和需要采集量計算采樣時間間隔,并與流速有關,取樣頻率與流速成比例[1]。在SCADA 系統(tǒng)HMI 操作控制界面,顯示取樣瓶質量、當前取樣次數(shù)、總取樣次數(shù)、總取樣時間以及采集量等重要參數(shù),下發(fā)取樣總時間設定、取樣瓶質量超限設定、采集量設定和發(fā)油總量設定等,所描述的是基于施耐德PLC的原油自動取樣,是在站場SCADA 系統(tǒng)已有PLC 與工控上位機Vijeo Citect的基礎上進行功能擴建,通過在PLC機柜內改造接線和程序畫面的編程組態(tài),實現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)整合原油油品自動取樣功能[2],并在乍得Ronier-Kome原油管道投入使用。

        1 取樣裝置組成

        1.1 取樣工藝系統(tǒng)

        油品取樣工藝流程主要由靜態(tài)混合器、管線取樣頭、過濾器、流量開關、循環(huán)泵、止回閥、手動閥、球閥壓力表以及采樣柜組成。圖1為自動取樣工藝流程圖。

        圖1 自動取樣工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of automatic sampling

        (1)靜態(tài)混合器。流體在管線中流動沖擊各種類型板元件,增加流體層流運動的速度梯度或形成湍流,使流體進一步分割混合,最終混合形成所需要的乳狀液。通過設置靜態(tài)混合器,可以使管線中的原油和水充分混合,到達取樣時所要求的均勻分散狀態(tài)[3]。

        (2)管線取樣頭。插入工藝管線獲取原油樣品。

        (3)過濾器。過濾混合原油樣液中的雜質,清潔油品,保護采樣柜中的取樣馬達、取樣器等設備,提高取樣分析精度。

        (4)循環(huán)泵。取樣工藝管線中的動力設備,使油品從站場工藝管道到取樣管線再到站場工藝管道間循環(huán)流動。

        (5)止回閥。防止原油油品倒流。

        (6)流量開關。信號上傳PLC,用于檢測管道內是否有流量,當PLC檢測到開關閉合時,才能開始自動取樣。

        1.2 采樣柜

        采樣柜主要放置取樣馬達(采樣器)、取樣管線、取樣瓶、電子秤和換向閥等設備,PLC通過電纜與取樣馬達、換向閥、電子秤連接,控制馬達動作和換向閥的開關,采集電子秤取樣瓶的質量數(shù)據(jù)[4]。圖2為采樣柜內設備示意圖。

        圖2 采樣柜設備示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment in the sampling cabinet

        (1)取樣馬達。從取樣工藝管線抽取原油,通過取樣管線注入取樣瓶內。

        (2)換向閥。用于取樣瓶切換,當1#取樣瓶取樣到達上限后,換向閥自動切換至2#取樣瓶繼續(xù)取樣。

        (3)取樣瓶、電子秤。取樣瓶用于盛裝原油樣品,電子秤計量取樣瓶質量。

        2 自動取樣模式

        自動取樣模式分為時間比例取樣和流量比例取樣,對于流速恒定工況,一般使用時間比例取樣,取樣時間間隔一定,屬于平均取樣。流量比例取樣,根據(jù)流速變化調整取樣間隔,取樣前需提前設定批次發(fā)油量。自動取樣啟動前會檢查安裝在取樣工藝管線的流量開關狀態(tài),當循環(huán)泵啟動,管線內原油混合液開始流動后,流量開關閉合,就具備了自動取樣的前提條件[5]。

        2.1 時間比例取樣

        調度員在操作員工作站輸入總采樣時間t總,輸入需要采集量V采,下達至PLC,計算總采集次數(shù)與采樣時間間隔,以采樣時間間隔進行計時,驅動取樣馬達進行油品采樣,并記錄實際采樣次數(shù),取樣瓶超重后通過程序驅動換向閥更換備用取樣瓶,達到總取樣次數(shù)或備用取樣瓶超重時停止取樣[6]。圖3 為時間比例取樣邏輯框圖。

        2.2 流量比例取樣

        圖4 流量比例取樣邏輯框圖Fig.4 Logic block diagram of flow proportional sampling

        調度員輸入發(fā)油批次總量V總,輸入需要采集量V采,下 達 至PLC,計算總采集次數(shù)N總,計算容積采樣比例間隔,計算采樣時間間隔,以采樣時間間隔進行計時,驅動取樣馬達,進行油品采樣,并記錄實際采樣次數(shù),取樣瓶超重后通過程序驅動換向閥更換備用取樣瓶,達到總取樣次數(shù),或備用取樣瓶超重時停止取樣[6]。圖4為流量比例取樣邏輯框圖。

        3 SCADA系統(tǒng)組態(tài)

        3.1 施耐德PLC組態(tài)開發(fā)

        PLC 控制器采用施耐德Unity 67160 系列冗余CPU,取樣馬達和換向閥的控制由PLC控制器驅動DO 模塊下發(fā)24V DC 控制電壓執(zhí)行,DO 模塊采用Unity 140DDO84300,與現(xiàn)場取樣馬達、換向閥之間設置繼電器[7]。電子秤取樣瓶質量數(shù)據(jù)通過4~20 mA電流信號上傳施耐德PLC AI 模塊,模塊型號為140AVI03000。PLC的系統(tǒng)配置如圖5所示。

        圖5 施耐德PLC系統(tǒng)配置Fig.5 Schneider PLC system configuration

        在施耐德PLC 中利用功能塊語言開發(fā)邏輯程序,按照時間比例取樣與流量比例取樣邏輯框圖進行編程[8]。站控調度員可以通過選擇取樣瓶A 或者取樣瓶B 下發(fā)時間比例取樣和流量比例取樣命令,命令下發(fā)開始啟動取樣后,程序進入取樣監(jiān)視狀態(tài),觸發(fā)取樣執(zhí)行中報警,并開始記錄取樣次數(shù)與取樣累計時間,在HMI 畫面顯示當前取樣模式,當前取樣次數(shù)自動計算,以自動下發(fā)的脈沖命令為基礎進行取樣次數(shù)計算。當取樣瓶質量到達當前設定上限或者取樣時間和取樣次數(shù)到達,自動取樣停止,HMI畫面顯示取樣停止報警。除此之外,人工也可以手動點擊HMI 畫面的取樣停止按鈕停止自動取樣[9]。

        取樣脈沖命令的持續(xù)時間也決定了油品取樣效果的好壞,脈沖命令用于驅動取樣馬達,馬達轉動的時間長短會決定每次取樣量的多少,通過查詢取樣裝置的相關數(shù)據(jù)資料,取樣馬達的取樣流速V取為100 mL/s,總取樣量與設定的總取樣時間或發(fā)油量和管道流速有關。因此每次取樣脈沖時間都需要根據(jù)設定的參數(shù)進行計算,計算公式為Tp=,將Tp作為PLC DO 模塊通道輸出24 VDC 的保持時間。

        程序開發(fā)了取樣自動切換功能,當事先選擇的取樣瓶質量到達上限值后,而另一個取樣瓶還未進行取樣,并且取樣次數(shù)也未達到總取樣次數(shù),則進行取樣瓶換向切換,程序驅動PLC DO 模塊動作換向閥進行換向,把注入孔對準空的備用瓶繼續(xù)取樣。

        取樣瓶質量信號丟失應立即停止取樣,如果在自動取樣過程中電子秤損壞或者信號采集發(fā)生故障,由于程序始終檢測不到質量數(shù)據(jù),就無法與上限值比較,只能通過比較當前采樣次數(shù)與總采集次數(shù)來決定是否停止自動取樣。如果在取樣次數(shù)未到達之前,取樣瓶質量信號始終處于斷線狀態(tài),換向閥無法動作,取樣馬達一直往一個取樣瓶注入原油,就造成原油溢出,會產生比較危險的后果。因此在程序開發(fā)時,加入了質量信號丟失后立即切換至另一個取樣瓶進行取樣的邏輯,并上傳取樣瓶質量丟失報警和取樣瓶切換報警。如果另一個取樣瓶質量也到達上限或已經發(fā)生過取樣瓶切換,立即停止自動取樣,并產生保護報警至HMI畫面顯示。

        在實現(xiàn)以上邏輯控制功能外,還對自動取樣進行了以下兩種保護控制功能開發(fā):

        (1)取樣馬達故障或PLC取樣控制輸出故障造成單次取樣量減少或空取。取樣馬達故障或PLC控制輸出故障后,會造成單次取樣量減少或憑空取樣,因此在程序開發(fā)時,每取10 次樣,就記錄取樣瓶增重,再取10 次樣時,再記錄取樣瓶增重。與上一個10 次取樣瓶增重值進行比較,如果差值超過40%,在SCADA 系統(tǒng)HMI 上位機產生一條警告報警,并在PLC 程序中將上一個10 次取樣瓶增重值記錄鎖存,程序繼續(xù)每隔10 次取樣就計算一次取樣瓶增重值,連續(xù)3次取樣瓶增重值與出現(xiàn)告警時記錄鎖存的增重值相比差值均超過40%,就在SCADA 系統(tǒng)HMI 畫面產生取樣故障報警,提示調度員,由調度員決定是否停止取樣,或去現(xiàn)場進行查實。取樣停止、取樣瓶切換和出現(xiàn)取樣故障報警時,增重記錄全部清零,取樣瓶切換和出現(xiàn)取樣故障報警時原增重記錄全部清零并重新開始循環(huán)記錄。正常情況下,程序對每10 次的取樣瓶增重進行不斷更新,保證差值的計算都是在臨近20 次的取樣基礎上。

        (2)換向閥控制故障。由于本取樣裝置換向閥無狀態(tài)反饋,一旦換向閥發(fā)生故障沒有進行取樣瓶切換,原油仍然會向已注滿樣品的取樣瓶中注入,所以在程序中設置了一旦產生取樣切換報警后,記錄換向后開始的最早10 次取樣的增重值,如果增重值為0(在實際編程中考慮到4~20 ma 電流信號波動,最早10次取樣增重值在0~0.1 kg以內,均認為換向閥未執(zhí)行切換),則認為換向閥未切換,取樣立即停止。對于有狀態(tài)反饋的換向閥,可不用做換向閥故障后的保護停止取樣。

        3.2 Vijeo Citect上位機組態(tài)開發(fā)

        站場SCADA 系統(tǒng)上位機采用的是施耐德旗下Vijeo Citect系列工控軟件,該軟件便于工程師自主開發(fā),通過C語言編程,可根據(jù)現(xiàn)場實際需求靈活定制系統(tǒng)功能。本次自動取樣優(yōu)化改造是在站場SCADA 系統(tǒng)原有Vijeo Citect 工程基礎上進行的,在上位機增加了自動取樣HMI 人機界面,調度員可以通過操作員站直接一鍵啟停自動取樣功能[10]。圖6為自動取樣人機交互界面。

        在界面左側采樣柜流程圖內可顯示取樣瓶質量及當前取樣模式,并可下發(fā)取樣瓶的取樣次數(shù)復位命令,命令下發(fā)后當前取樣次數(shù)清零,但取樣不停止,繼續(xù)從0開始記錄取樣次數(shù)。

        界面右側為時間取樣和流量取樣控制面板。時間取樣控制面板可設定取樣瓶質量上限并顯示,設定總采樣體積和批次發(fā)油量并顯示,顯示總采樣次數(shù)和當前采樣次數(shù),指示當前自動取樣處于啟動狀態(tài)或停止狀態(tài)。并可一鍵啟動自動取樣或一鍵停止自動取樣。流量取樣控制面板可設定取樣瓶質量上限并顯示,設定總采樣體積和總采樣時間并顯示,顯示總采樣次數(shù)和當前采樣次數(shù),指示當前自動取樣處于啟動狀態(tài)或停止狀態(tài)。并可一鍵啟動自動取樣或一鍵停止自動取樣。

        圖6 自動取樣人機交互界面Fig.6 HMI of automatic sampling

        在自動取樣人機交互控制界面,調度員可根據(jù)需要選擇取樣瓶A或者取樣瓶B開始自動取樣。

        4 結束語

        基于施耐德PLC的原油油品自動取樣目前已在乍得Ronier-Kome 原油管道工程上成功使用,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,用戶無需前往工藝區(qū),可在綜合值班室通過操作員站上位機實現(xiàn)一鍵自動精確取樣,進一步提高了取樣效率。該功能的成功實現(xiàn),減少了一套自動取樣控制器,大大降低了經濟成本,提高了自動取樣人機可視化程度,自動取樣的保護控制功能能夠對現(xiàn)場取樣過程可能發(fā)生的油品溢出起到抑制作用,對以后長輸管道原油自動取樣及其他第三方設備在SCADA 系統(tǒng)內的高度集成提供了參考和借鑒。

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