基于S7—200可編程控制器實(shí)現(xiàn)油田自動倒罐控制裝置的設(shè)計(jì)

1、引言

目前各種石油管線輸送的加藥系統(tǒng)中，多采用人工控制，工藝復(fù)雜，僅憑儲藥罐上的玻璃管液位計(jì)目測判斷用量，不能準(zhǔn)確配制規(guī)定濃度的破乳劑溶液，不能根據(jù)液位的變化而按比例自動、精確地調(diào)整破乳劑的注入量，造成水、電及人力的浪費(fèi)，增加了能耗。針對上述問題，開發(fā)了一種基于FPl型PLC的自動加水、定量加藥、定時攪拌以及自動倒罐的控制裝置。實(shí)際運(yùn)行證明，該裝置不僅減輕了員工的勞動強(qiáng)度，提高了安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了以人為本的原則，使油田工業(yè)自動化水平達(dá)到了新的起點(diǎn)，提高了現(xiàn)場管理水平，使生產(chǎn)和管理更趨規(guī)范化、科學(xué)化。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．1 加藥裝置的基本結(jié)構(gòu)

加藥裝置包括儲藥罐、計(jì)量泵、攪拌器、液位開關(guān)、控制箱及附件等，在實(shí)際系統(tǒng)中可根據(jù)用戶要求調(diào)整配置，以適應(yīng)不同的工藝要求。圖1給出加藥裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。控制系統(tǒng)包括：攪拌機(jī)兩臺，加水電機(jī)一臺，加藥電機(jī)一臺，加藥罐兩個，儲藥罐一個，電磁閥若干個，高液位報(bào)警器，低液位報(bào)警器及交流接觸器，熱繼電器，中間繼電器，控制按鈕，信號燈，斷路器，開關(guān)等一系列的低壓控制器件。

2．2 系統(tǒng)控制功能描述

自動加藥裝置是一種能根據(jù)設(shè)定加藥液的配比濃度，實(shí)現(xiàn)自動配藥、自動攪拌、自動定量輸出的自動控制系統(tǒng)。該裝置在設(shè)定狀態(tài)下無需人工值守，一鍵控制即可實(shí)現(xiàn)所需濃度藥液的自動配制與輸出，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，真正實(shí)現(xiàn)了配藥、攪拌和投藥自動化?？紤]到現(xiàn)場操作的需求，配備了手動控制功能，任何情況下，手動控制優(yōu)先。

（1）手動運(yùn)行手動運(yùn)行前，將運(yùn)行方式轉(zhuǎn)至“手動”位置，接通10．2，調(diào)用“手動控制”子程序。按照控制面板的對應(yīng)按鈕，即可接通對應(yīng)的PLC輸入點(diǎn)，執(zhí)行相應(yīng)的動作。

以1號罐加水加藥攪拌為例，接通加水電機(jī)，即接通I0．5，輸出繼電器Q0．1接通并自鎖，外部交流繼電器得電，加水電機(jī)開始加水。斷開加水電機(jī)，即接通I0．6，Q0．1斷開，加水電機(jī)停（當(dāng)加水電機(jī)發(fā)生故障時，接通12．7，其常閉觸點(diǎn)斷開，QO．1斷開，加水電機(jī)停止運(yùn)行）。接通加藥電機(jī)，即接通10．7，輸出繼電器Q0．2接通并自鎖，外部交流繼電器得電，加藥電機(jī)開始運(yùn)行。斷開加藥電機(jī)，即接通11．0，QO．2斷開，電機(jī)停止運(yùn)行（當(dāng)加藥電機(jī)發(fā)生故障時，接通13．O，其常閉觸點(diǎn)斷開，Q0．2斷開，加藥電機(jī)停止運(yùn)行）。接通攪拌機(jī)，即接通I0.3，輸出繼電器QO．0接通并自鎖，外部交流繼電器得電，攪拌機(jī)開始運(yùn)行。攪拌一定時間后，斷開攪拌機(jī)，即接通I0.4，QO．O斷開，攪拌機(jī)停止運(yùn)行（當(dāng)攪拌機(jī)發(fā)生故障時，接通12．6，其常閉點(diǎn)斷開，Q0．0斷開，攪拌機(jī)停止運(yùn)行）。部分I／O端口分配如表1所示。

（2）自動運(yùn)行 若首次運(yùn)行（儲藥罐為空時），先將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至“手動”位置，接通IO．2，手動打開進(jìn)水電磁閥，待藥罐中的液位達(dá)到最低液位之上時，停止手動控制，將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至“自動”位置，接通I0．1，調(diào)用“自動控制”子程序，開始自動循環(huán)。按下操作面板上的“自動運(yùn)行“，接通I3.2，整個程序開始工作。

3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 S7—200可編程控制器簡介

S7—200系列產(chǎn)品是具有高性能的中央處理器，因其模塊化的靈活設(shè)計(jì)而具有廣泛的適用范圍，同時具有極高的性價比。S7—200無論單機(jī)運(yùn)行，還是與其他設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，都具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

S7—200主要特征：①快速的中央運(yùn)算處理能力；②豐富的編程指令集；③響應(yīng)快速數(shù)字量和模擬量輸入／輸出通道；④強(qiáng)大的通訊能力，豐富的擴(kuò)展模塊；⑤操作便捷，易于掌握。

根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)和用戶的實(shí)際需要，基于S7—200型PLC控制，利用內(nèi)部軟繼電器實(shí)現(xiàn)過程控制，使系統(tǒng)控制簡便，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

3．2 硬件電路的設(shè)計(jì)

在1號罐、2號罐內(nèi)，分別設(shè)置高液位，低液位控制器，控制器的數(shù)據(jù)信號通過導(dǎo)線連接至配電柜內(nèi)的控制電路，實(shí)現(xiàn)PLC的控制。圖2給出系統(tǒng)接口電路圖。

3．2．1 攪拌機(jī)系統(tǒng)

攪拌軸包括傳動軸本身和隨軸轉(zhuǎn)動的漿葉，它是流體攪拌裝置中的一個子系統(tǒng)，攪拌軸是執(zhí)行攪拌混合操作的主要部件。由于流體激振力作用，輸入轉(zhuǎn)速波動和攪拌軸偏心的影響，在攪拌軸上存在三種型式的振動：軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動。軸向振動是攪拌軸的伸長和縮短，軸向振動的自然頻率一般很高（大于3 ooo Hz），因而在攪拌器的設(shè)計(jì)中，攪拌軸的軸向振動一般不考慮。扭轉(zhuǎn)振動引起攪拌軸轉(zhuǎn)速的波動，實(shí)際操作中很難觀測到，它的自然頻率也較高。彎曲振動是軸的橫向擺動，它是最有害的一種振動形式，它的自然頻率較低，破壞性極強(qiáng)，與流體激振頻率和軸的轉(zhuǎn)速較接近，易引起共振。因而研究攪拌軸的彎曲振動，準(zhǔn)確確定攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速，對于設(shè)計(jì)攪拌軸和預(yù)測軸的破壞有重要意義。該裝置設(shè)計(jì)的攪拌轉(zhuǎn)速為120 r／min，槳葉安裝在離軸端100 mm處，攪拌軸通過聯(lián)軸器與減速機(jī)的輸出軸連接在一起。螺旋漿葉一般為3葉，也可為2葉或4葉。其葉片直徑與攪拌槽內(nèi)徑之比為0．2~0．5，通常取為0．33，螺距與葉片直徑的比值為1：2。圖3給出攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

3．2．2 計(jì)量加藥裝置

計(jì)量加藥裝置直接與氣力輸送系統(tǒng)相連，氣力輸送系統(tǒng)正常工作必須有恒定的壓力條件，如果系統(tǒng)壓力損失過大，會給風(fēng)機(jī)增加負(fù)擔(dān)，甚至引起藥粉的堵塞而影響工作。為了盡量降低系統(tǒng)的壓力損失，裝置設(shè)計(jì)中的計(jì)量加藥裝置，采用變螺距螺旋輸送器作為壓送式氣力輸送裝置的供料器，該裝置越靠近氣力輸送管道處其螺距越小，使輸送的藥粉越壓越緊以斷絕氣體漏出的渠道，圖4給出螺旋加料裝置結(jié)構(gòu)。在帶襯套的鑄鐵殼體3內(nèi)有一段變螺距螺旋軸4，其右端通過彈性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)5相連，當(dāng)螺旋在殼體內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)時，物料從上方的加料斗2經(jīng)過閘門l經(jīng)螺旋而被壓入下方的輸料管6，該輸料管又與壓送式氣力輸送裝置的輸料管道相連，物料由此被送入了氣力輸送系統(tǒng)。由于螺旋的螺距從左至右逐漸減少，使進(jìn)入螺旋的物料被越壓越緊，可防止氣力輸送管道內(nèi)的壓縮空氣通過螺旋漏出。當(dāng)物料進(jìn)入氣力輸送系統(tǒng)管道后，遇到壓縮空氣并將其吹散，使物料加速，形成壓縮空氣與物料的混合物均勻地進(jìn)入氣力輸送系統(tǒng)的輸料管中，在高速氣流的帶動下輸送物料。

3．3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序大部分使用梯形圖編制，而在模擬量計(jì)算及輸出方面使用了功能塊和語句表。梯形圖直觀易懂，且較多的采用RS觸發(fā)器和時間繼電器，在程序編寫中，對每個被控（PLC輸出）只需分析找到所有置位、復(fù)位條件，即可順序編寫。這樣可使程序簡明，減少編程出錯機(jī)會。

啟動自動運(yùn)行后，首先會自動判斷DF23的開關(guān)狀態(tài)（即1號罐管線打藥閥DF23是開還是關(guān)？若DF23關(guān)，說明2號罐往管線打藥，l號罐可以進(jìn)水、加藥及攪拌；若DF23開，說明l號罐往管線打藥，2號罐可以進(jìn)水、加藥及攪拌）。若DF23關(guān)，此時1號加藥罐中的液位不是最低液位，即操作面板的加藥罐最低液位顯示燈未亮，而且加藥罐中的液位也不是最高液位，則進(jìn)水電磁閥打開，加水電機(jī)啟動，開始向加藥罐中進(jìn)水，當(dāng)加藥罐中的液位到達(dá)最高位時，傳感器發(fā)出信號，加水電機(jī)停車，進(jìn)水電磁閥關(guān)閉，加水過程完成。之后加藥電機(jī)和攪拌機(jī)同時啟動。定時器KF3和KF4啟動，延時一定的時間后，加藥電機(jī)先停車，再攪拌一定的時間后攪拌機(jī)停車，加藥攪拌過程完成。1號罐的加水，加藥，攪拌過程完成，等待。

2號罐打藥過程中，最低液位報(bào)警時，發(fā)出信號要求，2號罐打藥閥DF24關(guān)閉，1號罐打藥閥DF23打開，l號罐往管線打藥，實(shí)現(xiàn)2號罐自動加水、定量加藥、定時攪拌。完成倒罐過程。圖5給出加藥裝置的程序流程，圖6給出控制系統(tǒng)梯形圖。

4、 結(jié)語

油田注水全自動裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各環(huán)節(jié)工作信息傳送至PLC控制系統(tǒng)，使加藥系統(tǒng)全自動運(yùn)行，藥液濃度恒定，投加準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了加藥罐的全部自動化，大大提高了工作效率，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，減少了藥劑對人體的危害。同時該裝置還具有結(jié)構(gòu)緊湊、配置豐富、安裝簡單、可靠性高等優(yōu)勢，是目前自動化程度較高的藥劑投加系統(tǒng)。通過論述旨在找到一種實(shí)用價值更高，應(yīng)用前景更廣闊的產(chǎn)品，從而達(dá)到環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

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