劉志強(qiáng)

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300456）

引言

某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪配備一套熱介質(zhì)油加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由2 臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐和相應(yīng)的配套設(shè)施組成，單臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐（以下簡(jiǎn)稱鍋爐），設(shè)計(jì)溫度為-10/350 ℃，壓力為1 000 kPaG，容量為8 140 kW。

熱介質(zhì)加熱系統(tǒng)的主要作用是：鍋爐把熱介質(zhì)油加到約220 ℃，再通過(guò)閉式循環(huán)泵，強(qiáng)制循環(huán)輸送到各原油艙、工藝艙、污水污油艙、燃料油箱、原油分離和處理模塊上的各種熱交換器，予熱器，加熱器等，滿足原油儲(chǔ)藏溫度恒定為45℃和油氣生產(chǎn)的供熱需求。

1 鍋爐控制系統(tǒng)的基本原理

鍋爐控制系統(tǒng)主要由鍋爐安全保護(hù)鏈、燃燒程序控制器（以下簡(jiǎn)稱控制器）安全鏈、控制器（LFE1/8851）、溫度控制器（KFM）和檢測(cè)、報(bào)警模塊組成。

當(dāng)按下起動(dòng)按鈕后控制器開始工作，在鍋爐安全鏈路閉合的情況下，鼓風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，比例調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)將風(fēng)門開至最大，開始向爐膛內(nèi)送風(fēng)掃膛，清除空氣管線、天然氣管線及爐膛內(nèi)的廢氣。掃氣完成后，比例調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)將風(fēng)門關(guān)閉。

控制器繼續(xù)運(yùn)行，點(diǎn)火變壓器通電使火花塞發(fā)火，同時(shí)點(diǎn)火天然氣閥打開，點(diǎn)火天然氣在爐膛內(nèi)燃燒形成點(diǎn)火火焰。火焰探測(cè)器開始工作，確認(rèn)點(diǎn)火火焰形成5 s 后，燃?xì)饣蛉加碗姶砰y打開，天然氣或經(jīng)霧化的柴油進(jìn)入爐膛與點(diǎn)火火焰相遇形成主火焰。然后點(diǎn)火變壓器斷電，點(diǎn)火電磁閥關(guān)閉，點(diǎn)火程序完成。

控制器繼續(xù)運(yùn)行，鍋爐進(jìn)入正常燃燒程序，由溫度控制器根據(jù)熱介質(zhì)油的溫度控制比例調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)鍋爐安全保護(hù)鏈斷裂或鍋爐運(yùn)行參數(shù)異常時(shí)，鍋爐控制系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)不同級(jí)別的系統(tǒng)關(guān)斷并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警。

2 原控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的必要性

鍋爐原有電氣控制系統(tǒng)為20 世紀(jì)80 年代，在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪建造時(shí)，配套引進(jìn)的繼電器－接觸器控制系統(tǒng)，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，控制系統(tǒng)所要求的各種關(guān)聯(lián)、鎖定關(guān)系、報(bào)警功能均由傳統(tǒng)繼電器、按鈕和指示燈實(shí)現(xiàn)[1]?？刂乒駜?nèi)各類繼電器、接觸器和控制盤上的指示燈、按鈕有兩百多個(gè)，接線繁雜。圖紙缺失、控制線無(wú)線號(hào)，報(bào)警點(diǎn)少，出現(xiàn)故障時(shí)，維修人員查找排除故障困難。隨著25 年的連續(xù)使用，元器件和內(nèi)部線路出現(xiàn)老化、松動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)行繼電器、接觸器的線圈溫度在90℃左右，觸點(diǎn)溫度高達(dá)110 ℃，密集的熱源，使控制柜內(nèi)溫度升高，控制柜內(nèi)溫度的升高加劇了繼電器－接觸器控制系統(tǒng)的老化速度，造成鍋爐故障連續(xù)不斷，給浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成了很大的威脅。

隨著對(duì)PLC 和觸摸屏技術(shù)的深一步了解、學(xué)習(xí)及其運(yùn)用技術(shù)的日漸成熟，改造成本不斷下降，同時(shí)鑒于爐膛和相應(yīng)的配套設(shè)施狀態(tài)良好。并經(jīng)過(guò)對(duì)原鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估、研究和分析，于2015 年6月對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行了全新的升級(jí)改造。

3 控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)原鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、梳理，除去觸摸屏可以代替的輸入輸出信號(hào)，得出新系統(tǒng)PLC 的I/O 類型及點(diǎn)數(shù)，如下頁(yè)表1 所示。

表1 PLC I/O 類型及點(diǎn)數(shù)

根據(jù)PLC I/O 類型及點(diǎn)數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，PLC系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 PLC 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

根據(jù)PLC 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)使用需求，確定PLC、觸摸屏等材料明細(xì)表，見表2。

表2 PLC、觸摸屏材料明細(xì)表

其中，S7-300 是西門子S 系列一種中小型PLC，因其不錯(cuò)的性價(jià)比，使之成為各類中小型控制系統(tǒng)的較好的選擇[3]；KTP 1200 PN 觸摸屏，配備可調(diào)光、12 英寸屏幕、1 個(gè)以太網(wǎng)接口（TCP/IP，PROFINET）和10 個(gè)觸覺功能鍵，可以很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)操作界面結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要分為主畫面、參數(shù)設(shè)定和趨勢(shì)、報(bào)警三部分。

圖2 操作界面結(jié)構(gòu)

主畫面主要用于熱介質(zhì)爐操作、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行監(jiān)控；參數(shù)設(shè)定畫面，用于熱介質(zhì)爐運(yùn)行參數(shù)設(shè)定；趨勢(shì)曲線，可監(jiān)視熱介質(zhì)爐的加熱溫度動(dòng)態(tài)趨勢(shì)；報(bào)警記錄，用于查詢當(dāng)前或歷史報(bào)警信息；報(bào)警記錄逆序排列，即最后出現(xiàn)的在最上面。

3.3 梯形圖程序的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在觸摸屏強(qiáng)大功能的支持下，消化吸收原有鍋爐控制系統(tǒng)基本原理和電路圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)梯形圖程序設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)原有控制系統(tǒng)所有功能的前提下，新系統(tǒng)只保留6 個(gè)功能按鈕、9 個(gè)斷路器、9 個(gè)接觸器和部分輸出繼電器，使繼電控制系統(tǒng)得到了最大的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化繼電控制系統(tǒng)的同時(shí)，增加了12 個(gè)安全鏈監(jiān)控和5 個(gè)報(bào)警監(jiān)控，鍋爐系統(tǒng)所有附屬設(shè)備的選擇、起動(dòng)、停止、運(yùn)行狀態(tài)都融入到了觸摸屏上。系統(tǒng)所涉及到的所有開關(guān)量輸入、輸出觸點(diǎn)狀態(tài)，都通過(guò)觸摸屏畫面進(jìn)行直觀地顯示，很好的改善了人際界面，極大地方便了電氣人員對(duì)系統(tǒng)的日常檢查、維護(hù)。

4 結(jié)論

以S7-300 系列可編程序控制器為核心，原有鍋爐控制邏輯為基礎(chǔ)，結(jié)合觸摸屏技術(shù)，完成鍋爐控制系統(tǒng)的改造，使控制系統(tǒng)電氣元器件和開關(guān)數(shù)量比原系統(tǒng)減少了4/5，接線變得更簡(jiǎn)單，可視化更強(qiáng)。從2015 年至今5 年多的運(yùn)行時(shí)間，鍋爐控制系統(tǒng)有記錄的故障4 起，故障率下降到改造以前的2.7%，可靠性有了很大程度的提高。

故障記錄統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)曲線、關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能的增加，能使維護(hù)人員很快地確認(rèn)鍋爐故障原因，一定程度地減少了維護(hù)的工作量。PLC 與觸摸屏結(jié)合，比繼電控制系統(tǒng)安全、方便、可靠，和集散控制系統(tǒng)[4]相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控方便。PLC 在熱介質(zhì)鍋爐控制系統(tǒng)改造中的成功應(yīng)用，對(duì)類似控制系統(tǒng)的改造具有一定的借鑒意義。