重力油水分離罐自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u9673重力油水分離罐自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例分析 1158701.1引言 113251.2現(xiàn)有的各種自動(dòng)排水控制方案 2290961.3自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的改進(jìn) 3209451.4自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案設(shè)計(jì) 4157361.1.1總體裝置構(gòu)成 480181.1.2總體控制流程 5286171.1.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5120371.5控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件選型 7264601.5.1控制系統(tǒng)的要求 711231.5.2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 788591.5.3控制系統(tǒng)的裝置及硬件選型 8209211）控制柜—實(shí)驗(yàn)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 8107542）啟停裝置——電磁閥 10100893）油水界面儀——電容式雙法蘭差壓變送器 11140411.6控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 11251651.6.1PLC程序設(shè)計(jì) 12165381）PLC編程方式 12312112）控制系統(tǒng)的I/O地址分配 13119653）處理輸出數(shù)據(jù) 1355404）電磁閥和PLC的自動(dòng)啟停、報(bào)警控制程序 1566001.6.2觸摸屏程序設(shè)計(jì) 20184361）組態(tài)軟件 2176212）人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 2125191.7小結(jié) 241.1引言現(xiàn)當(dāng)下我國各大油田的工業(yè)生產(chǎn)基本工藝步驟：首先，石油和混合料被從油田中提取，并直接輸送至生產(chǎn)計(jì)量站進(jìn)行計(jì)量,在測(cè)定過程中完成后直接送至聯(lián)合車間。在一個(gè)聯(lián)合車站,將混合物加熱,然后運(yùn)送到一次分離罐。含水率偏高是一段分離罐內(nèi)油水混合物的顯著特征，而被加工處理后待排的水是游離狀態(tài)的水。第一級(jí)沉降罐的工況溫度通常維持為60℃左右。第一級(jí)沉降罐通過沉降層分離出來后，送至中間罐經(jīng)由脫水泵脫水。分離后的原油經(jīng)過二次高壓加熱后即可進(jìn)入二次分離罐(二次分離罐中的原油被持續(xù)的加熱并始終保持在80℃左右)內(nèi)，此后將被分離的原油置入電子脫水器中進(jìn)行最終處理，使其達(dá)到相應(yīng)的國家級(jí)別合格原油的含水率標(biāo)準(zhǔn)(<0.5%)，貯藏罐是分離出來的工業(yè)原油的下一站目的地，此時(shí)其已經(jīng)可以被稱為足以流通于市場(chǎng)的成品油了。精準(zhǔn)而快速直接地檢測(cè)出罐內(nèi)油水界面層的具體高度和位置，是整個(gè)工作過程中最為重要和關(guān)鍵的一個(gè)步驟，完善這一程序?qū)⒅苯咏档捅粨p失的油品數(shù)量。因此，油水界面的實(shí)時(shí)測(cè)量和精確檢測(cè)，在油田工業(yè)生產(chǎn)及含油廢水處理中有著舉足輕重的意義。目前，國內(nèi)大部分油田，應(yīng)用于原油儲(chǔ)罐(主要是一級(jí)分離罐)的油水界面檢測(cè)儀器裝置難以滿足當(dāng)前形式的需要。因此，本文以雙法蘭差壓變送器為基本測(cè)量裝置，結(jié)合現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套不同于舊的、適用于一級(jí)分離罐的新型自動(dòng)排水控制系統(tǒng)[48]。1.2現(xiàn)有的各種自動(dòng)排水控制方案目前現(xiàn)階段,國內(nèi)的大多數(shù)煉油公司和工廠仍然普遍采用的排水是一種人工自動(dòng)脫水的操作方式,都是通過布置排水管道在二次儲(chǔ)油罐中進(jìn)行除水收集,再對(duì)二次儲(chǔ)罐中的混合液進(jìn)行排水和回收,而這種排水的方法則是在二次儲(chǔ)罐中的混合液靜置了一段足夠長時(shí)間后,人工手動(dòng)地打開閥門使底部油水完全分離并排除底部的剩余水分,同時(shí)定期觀察儲(chǔ)罐內(nèi)含水量。雖然人工脫水的方法簡單明了、成本低廉,但工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大,需要時(shí)刻觀察儲(chǔ)罐和守候在現(xiàn)場(chǎng)。在提高工作效率和質(zhì)量方面、環(huán)保措施方面和作業(yè)施工安全等方面,人工脫水不僅自動(dòng)化程度低,難以準(zhǔn)確地控制分離油水的過程,不能有效保證分離油水的效果;還會(huì)大量排放污水,浪費(fèi)石油的資源同時(shí),還有可能對(duì)環(huán)境造成危害;人工脫水方法在進(jìn)行過程中很有可能就會(huì)發(fā)生硫化氫中毒的現(xiàn)象,而且在進(jìn)行自然界中人工脫水的整個(gè)過程中也也可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，這會(huì)導(dǎo)致工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中難以避免的遇到嚴(yán)重安全事故。我國的油化產(chǎn)業(yè)對(duì)原油脫水的需求日益頻繁，所以設(shè)計(jì)一款新型油水分離自動(dòng)排水控制系統(tǒng)非常符合目前的市場(chǎng)需求。根據(jù)產(chǎn)業(yè)的需要我們知道該系統(tǒng)應(yīng)有一些必要的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、扎實(shí)耐用、維護(hù)和檢修方便、對(duì)各類油品具有極高適應(yīng)度，受環(huán)境影響小等，同時(shí)它還應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)分離和排水，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。目前主要的兩種原油自動(dòng)排水方式是：一、儲(chǔ)油罐和二次分離罐[50]之間安裝一臺(tái)自動(dòng)脫水器的方案，是由中國石油錦州石化公司首次提出的新型自動(dòng)脫水技術(shù)。其工作原理:由于油和水的密度差比較大，增加杠桿原理產(chǎn)生的浮力，將其適用于閥門的自動(dòng)啟停。該方案在實(shí)際應(yīng)用中基本滿足原油自動(dòng)排水的需求，但也存在部分問題：當(dāng)處理較大流量時(shí)，更多的自動(dòng)脫水器被該方案所需要，這無疑顯著的增加了成本。同時(shí)，由于自動(dòng)脫水機(jī)的工作原理是杠桿原理，則該系統(tǒng)需要增加人工日常維護(hù)和檢修，以防止因過濾器堵塞等設(shè)備故障引起的事故，這也增加了相關(guān)成本。美國瓊脂公司也在之前提供了一種目前常用的自動(dòng)脫水系統(tǒng)，已在全球122個(gè)國家被廣泛使用[51]。該系統(tǒng)工作原理及流程：儲(chǔ)罐內(nèi)原油的含水量被側(cè)壁的兩個(gè)高低油水測(cè)量儀所監(jiān)測(cè)，排水閥的自動(dòng)開啟和關(guān)停根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果來決定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原油自動(dòng)脫水。定義油層的含水率小于80%，水層的含水率大于80%。具體脫水過程：當(dāng)高位測(cè)量儀和低位測(cè)量儀檢測(cè)到水時(shí)，控制系統(tǒng)的氣動(dòng)閥門被打開，原油進(jìn)行脫水；當(dāng)高測(cè)量儀檢測(cè)到油，而低測(cè)量儀檢測(cè)到水時(shí)，控制系統(tǒng)的控制氣動(dòng)閥關(guān)閉，停止原油脫水；當(dāng)?shù)臀粶y(cè)量儀檢測(cè)油時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提醒，高位測(cè)量儀或氣動(dòng)閥出現(xiàn)故障，如果警報(bào)很快停止并顯示因?yàn)椴糠忠蛩厮a(chǎn)生的干擾，高位測(cè)量儀實(shí)際還處于工作狀態(tài)；若警報(bào)持續(xù)且系統(tǒng)的氣動(dòng)閥門因故障不能自動(dòng)關(guān)閉，需要盡快人工關(guān)閉閥門停止系統(tǒng)排水，并及時(shí)修復(fù)氣動(dòng)閥門，修復(fù)后可人工手動(dòng)開啟閥門繼續(xù)脫水工作。該系統(tǒng)基本滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，應(yīng)用也普遍深入，卻也存在部分問題，如：油水混合物若產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，則80%的定性標(biāo)定值會(huì)有誤差且難以被完全區(qū)分，由乳化現(xiàn)象帶來嚴(yán)重問題則是氣動(dòng)閥門會(huì)反復(fù)啟停，使用壽命大大縮短。另外，該系統(tǒng)的探頭對(duì)低電導(dǎo)率水的檢測(cè)易失真，對(duì)于相關(guān)設(shè)備的安裝方法也有較高要求。而系統(tǒng)的過高價(jià)格無疑增加了使用成本。1.3自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的改進(jìn)在徐磊的電磁波法油品儲(chǔ)罐自動(dòng)切水控制系統(tǒng)，與杜鑫的靜壓強(qiáng)法油罐脫水裝置基礎(chǔ)上，新建一個(gè)新型的自動(dòng)排水控制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)裝置和成本、自動(dòng)控制精度，以及系統(tǒng)的自動(dòng)化效率方面進(jìn)行有效的改進(jìn)。首先我們需要盡量避免含水率測(cè)定儀本身不要接觸分離罐內(nèi)的油水混合液，保證其測(cè)量探頭不觸及油水自動(dòng)分離的過程，在能確定油水界面層位置的情況下也可以考慮放棄使用該測(cè)量設(shè)備，這樣可以避免影響到油水自動(dòng)分離的效率和效果。其次我們精簡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中可以減少成本加大產(chǎn)能輸出。再次我們通過對(duì)油水界面層位置的精準(zhǔn)測(cè)量可以提高控制的精度，除了進(jìn)一步提高該自動(dòng)啟停控制系統(tǒng)的精確度，也能減少排水時(shí)出現(xiàn)漏油浪費(fèi)現(xiàn)象。最后我們利用一系列嚴(yán)密而精準(zhǔn)的程序控制系統(tǒng)，來提高整體系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，有效減少工業(yè)生產(chǎn)中施工人員的操作量并降低工作風(fēng)險(xiǎn)。1.4自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)1.1.1總體裝置構(gòu)成①實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；②檢測(cè)系統(tǒng)；③控制系統(tǒng)。分離罐自動(dòng)排水控制系統(tǒng)中，執(zhí)行相關(guān)控制功能的部分：②檢測(cè)系統(tǒng)與③控制系統(tǒng)，整體系統(tǒng)的工作原理及工作示意圖如下：圖4-1總體系統(tǒng)的工作原理示意結(jié)構(gòu)簡圖1.分離罐；2.雙法蘭壓差變送器；3.控制柜；1.電磁閥；5.上位機(jī)PC端如圖4-1所示，分離罐1本身為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分離罐1上的裝置：罐側(cè)壁的高、低位兩個(gè)法蘭接口和側(cè)壁下部的排水孔及罐底部外側(cè)的排污管道（不影響本實(shí)驗(yàn)未畫出）。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即用于油水混合液在室溫環(huán)境下進(jìn)行分離和排水過程的載體。雙法蘭壓差變送器2即為檢測(cè)系統(tǒng)。雙法蘭壓差變送器2用于接收并顯示高低法蘭兩端之間壓差的模數(shù)信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)接收分離罐高低法蘭之間的壓差信號(hào)，然后把接收到的信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由以下組成：控制柜3（由PLC控制器及MCGS觸摸屏構(gòu)成）、電磁閥4及上位機(jī)PC端5。上位機(jī)PC端5對(duì)整體自動(dòng)排水控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯編程，電磁閥4實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的啟停功能。檢測(cè)系統(tǒng)接收到的信號(hào)由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、顯示和控制功能。1.1.2總體控制流程該系統(tǒng)自動(dòng)排水流程：將油水混合液倒入分離罐，經(jīng)過長時(shí)間的充分靜置，在密度差及重力作用下，罐內(nèi)油水發(fā)生分離現(xiàn)象[52]。通過觀測(cè)孔（試鏡）看到，當(dāng)油水分離充分完全后會(huì)出現(xiàn)明顯的油水界面層，其狀態(tài)穩(wěn)定無破碎及紊亂現(xiàn)象。當(dāng)其位置處于高位法蘭的上方時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)是正常的排水狀態(tài)，自動(dòng)打開電磁閥，位于分離罐下部的排水孔有水流出（正常排水狀態(tài)）。隨著水的逐漸排除和油水界面的逐漸下降，界面層位置將會(huì)到達(dá)于高位法蘭以下，低位法蘭以上（即高低法蘭之間），此時(shí)本系統(tǒng)仍保持正常的排水狀態(tài)。當(dāng)油水界面層下降到低位法蘭高度附近處，但位于低位法蘭以上某具體高度位置（定義為報(bào)警界面層高度）時(shí)，電磁閥自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。當(dāng)油水界面層下降到報(bào)警界面層高度以下、低位法蘭高度以上（定義為關(guān)閥界面層高度）時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)報(bào)警并停止排水。此時(shí)由工作人員手動(dòng)或械動(dòng)，將新的油水混合液倒入分離罐內(nèi)并充分靜置，待罐體內(nèi)重新出現(xiàn)油水界面層且其位于高位法蘭以上時(shí)（若不在高位法蘭之上，在不改變整體系統(tǒng)的設(shè)備裝置情況下，可以選擇倒入清水以提高油水界面層的高度，直至其穩(wěn)定位于高位法蘭之上），電磁閥自動(dòng)打開，自動(dòng)排水過程不斷循環(huán)進(jìn)行。在整體排水過程中，設(shè)置一個(gè)最大排水時(shí)間，記錄實(shí)時(shí)排水時(shí)間并與之比較，若超過最大排水時(shí)間，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)報(bào)警并停止排水，工作人員關(guān)停整體控制系統(tǒng)并處理故障完畢后重新啟動(dòng)系統(tǒng)。1.1.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)由PLC邏輯控制器與MCGS觸摸屏共同組成的控制柜是本系統(tǒng)的主要裝置——控制系統(tǒng)部分。將電容式雙法蘭壓差變送器通過法蘭連接件，安裝到分離罐側(cè)壁相應(yīng)的、位置固定的對(duì)接法蘭上，通過對(duì)高位法蘭和低位法蘭兩者之間的壓差（靜壓差值）的信號(hào)進(jìn)行讀取和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開、停電磁閥的功能，進(jìn)而完成該系統(tǒng)的自動(dòng)排水工作目標(biāo)。運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面的動(dòng)態(tài)動(dòng)畫程序，將會(huì)對(duì)自動(dòng)排水控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)性監(jiān)控，可以達(dá)到工作人員對(duì)該系統(tǒng)的異地監(jiān)控及遠(yuǎn)程操控功能。本文中的油水界面層高度，指的是實(shí)時(shí)油水界面層中心部分距離油罐底的垂直高度。該控制系統(tǒng)具體工作流程：（1）通過理論研究計(jì)算和及實(shí)驗(yàn)操作情況，按照實(shí)際工作的需求和安全標(biāo)準(zhǔn)，在MCGS觸摸屏上對(duì)相關(guān)參數(shù)：開閥界面層高度、關(guān)閥界面層高度、報(bào)警界面層高度以及最大排水時(shí)間進(jìn)行具體數(shù)值的設(shè)定。以上所有相關(guān)參數(shù)的具體數(shù)值標(biāo)定，均與高低兩法蘭的安裝高度及混合液的實(shí)時(shí)分離狀態(tài)直接有關(guān)。整體系統(tǒng)正常工作的前提原則：規(guī)定高位法蘭高度略大于開閥界面層高度遠(yuǎn)大于報(bào)警界面層高度略大于關(guān)閥界面層高度。（2）點(diǎn)擊觸摸屏上“啟動(dòng)”按鈕，自動(dòng)排水開始進(jìn)行，由壓強(qiáng)差引起的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)被雙法蘭壓差變送器接收到，通過信號(hào)輸入端口，傳輸?shù)絇LC控制器，PLC接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)處理將測(cè)得的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)界面層高度，并自動(dòng)將該數(shù)據(jù)與先前程序中人為設(shè)定的開閥界面層高度參數(shù)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)實(shí)時(shí)界面層高度大于設(shè)定的開閥界面層高度，PLC控制中間繼電器打開電磁閥并保持該狀態(tài)持續(xù)進(jìn)行排水的過程，同時(shí)在電磁閥開啟的同一時(shí)間自動(dòng)對(duì)原油排水進(jìn)行周期性計(jì)時(shí)。（3）在排水過程中隨著時(shí)間推移，罐內(nèi)的油水界面層穩(wěn)定緩慢下降，當(dāng)其所處位置到達(dá)高、低法蘭之間時(shí)，油水界面層的具體高度被PLC精確檢測(cè)到。而當(dāng)實(shí)時(shí)界面層的高度小于或等于設(shè)定的關(guān)閥界面層的高度時(shí)，PLC控制中間繼電器關(guān)閉電磁閥并停止原油排水，同時(shí)停止對(duì)原油排水時(shí)間的計(jì)時(shí)。系統(tǒng)暫時(shí)待機(jī)，待工作人員重新加入油水混合液并充分靜置，油水界面層顯著、穩(wěn)定的出現(xiàn)并且實(shí)時(shí)界面層高度再次大于開閥界面層高度的設(shè)定值時(shí)，以上步驟將被循環(huán)重復(fù)。（4）在進(jìn)行以上步驟的同時(shí)，當(dāng)某一個(gè)周期（開啟電磁閥到關(guān)閉）內(nèi)的原油排水的時(shí)間超過了設(shè)定的最大排水時(shí)間時(shí)，或者實(shí)時(shí)界面層高度小于關(guān)報(bào)警高度時(shí)，MCGS觸摸屏發(fā)出報(bào)警但仍排水，直到實(shí)時(shí)界面層高度小于關(guān)閥界面層高度時(shí)，中間繼電器自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，原油排水的狀態(tài)被系統(tǒng)止步。整體系統(tǒng)的關(guān)停也可以由工作人員通過控制柜里觸摸屏上的“停止”按鈕來控制1.5控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件選型1.5.1控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的控制要求有以下幾點(diǎn)：（1）需要從觸摸屏上讀取4個(gè)設(shè)定值(最大排水時(shí)間、開閥高度、關(guān)閘高度、報(bào)警高度)和1個(gè)經(jīng)過壓差變送器轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電流模擬信號(hào)，并在其中輸出1個(gè)數(shù)字量信號(hào)(代表的是實(shí)時(shí)界面層的高度)，其通過中間繼電器自動(dòng)對(duì)電磁閥進(jìn)行開關(guān)控制，同時(shí)還必須要求電磁閥可以進(jìn)入自鎖狀態(tài)，這是為了保持電磁閥的開啟狀態(tài)以使得系統(tǒng)持續(xù)的自動(dòng)排水。（2）PLC應(yīng)具備可從上位機(jī)PC端及觸摸屏中讀取“開始”自動(dòng)排水以及“停止”排水信號(hào)的功能，這將有便于對(duì)自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行人工自主的手動(dòng)控制。（3）將PLC邏輯控制器里設(shè)定好的程序上載到MCGS觸摸屏中后，觸摸屏可以自動(dòng)讀取PLC設(shè)定的數(shù)據(jù)，人機(jī)交互界面可以將本系統(tǒng)目前的運(yùn)行狀態(tài)（由各類物理參數(shù)表達(dá)）顯現(xiàn)出來。1.5.2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)要研究的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)的相關(guān)需要，我們分析得到本系統(tǒng)的具體控制要求：在本次設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)中，控制柜由PLC邏輯控制器與MCGS人機(jī)交互界面組成，并與中間繼電器、電磁閥和上位機(jī)PC端組成控制系統(tǒng)，連接雙法蘭差壓變送器；檢測(cè)裝置壓差變送器輸出相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并由1個(gè)模擬量輸入端子接收；1個(gè)數(shù)字量輸出端子經(jīng)中間繼電器控制電磁閥開關(guān)的啟動(dòng)和關(guān)停功能?？刂茊卧到y(tǒng)包括1個(gè)控制柜(由1個(gè)PLC邏輯控制器、1個(gè)MCGS組態(tài)軟件和對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互界面、1個(gè)中間繼電器和其他電路元件構(gòu)成)、1個(gè)電磁閥開關(guān)、1臺(tái)差壓變送器、1臺(tái)上位機(jī)PC端組成。本系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)部分基本結(jié)構(gòu)總體框圖描述如圖4-1虛線圓圈③。本系統(tǒng)中控制系統(tǒng)部分的設(shè)備連接與工作原理圖如圖4-2。圖4-2控制系統(tǒng)工作原理圖1.5.3控制系統(tǒng)的裝置及硬件選型1）控制柜—實(shí)驗(yàn)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①PLC（S7-200,CPU222）該控制系統(tǒng)需要1個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和1個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，型號(hào)為EM231的模擬量輸入拓展模塊是相對(duì)較好的選擇。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)的規(guī)模以及實(shí)驗(yàn)所處工況分析來看,屬于微型或者是大型微量控制系統(tǒng),根據(jù)該實(shí)驗(yàn)室的條件則可以進(jìn)行最優(yōu)化考量的就是選用西門子的step7-200型號(hào)系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是緊湊整體式，拓展性良好的同時(shí)能夠直接便捷地連接到多個(gè)拓展模塊;s7-200系列指令功能強(qiáng)力、可靠性優(yōu)異、實(shí)時(shí)性良好、通訊能力強(qiáng)大,對(duì)于各種適用人群而言都完美地表現(xiàn)了它易于掌握、使用便捷的特點(diǎn);而且具備了種類多樣的集成內(nèi)置功能,則向我們?cè)V說著其極高的適應(yīng)度。西門子s7-200系列PLC雖然是最佳的選擇，但考慮到實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)時(shí)售后問題，我們選擇了具備同樣性能且成本較小的國產(chǎn)巨朋Gforce-200PLC（簡稱G-200）系列產(chǎn)品，自帶一個(gè)型號(hào)為EM231的模擬量輸入拓展模塊，CPU型號(hào)為CPU222。該機(jī)型的相關(guān)參數(shù)：（1）數(shù)字量的輸出點(diǎn)8個(gè)和數(shù)字量的輸入點(diǎn)6個(gè)；（2）20KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；（3）36KB的程序存儲(chǔ)空間；（4）24V直流電源；（5）可同時(shí)拓展7個(gè)拓展模塊的PPI通訊口。以圖4-2為原則搭建控制柜，中間繼電器的硬件選擇：施耐德電氣公司某額定電壓為直流24V的相關(guān)產(chǎn)品，其在本系統(tǒng)中的主要作用：擴(kuò)展觸點(diǎn)容量、增加觸點(diǎn)數(shù)量以及繼電保護(hù)；既能發(fā)送中間信號(hào)，也能以小電流控制大電流由模擬量輸入模塊EM231的A-F接口接入的電壓信號(hào)的范圍是0～10V，G、H接口用于接入0-20mA電流信號(hào)，本控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡見圖4-3，完成電路接線后，控制柜的電路接線實(shí)拍圖見圖4-4。圖4-3控制柜PLC電路接線示意圖圖4-4控制柜PLC現(xiàn)場(chǎng)接線圖實(shí)拍②觸摸屏MCGS（TPC1061Ti）根據(jù)移動(dòng)觸摸屏的具體操作系統(tǒng)原理及接觸介質(zhì)特性來進(jìn)行信息傳遞。本文所選用的觸摸屏型號(hào)是美國昆侖通用TPC1061Ti，其本身預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件(安裝操作系統(tǒng)無需運(yùn)行正式版)，具有優(yōu)秀的軟件視覺設(shè)計(jì)特性。數(shù)據(jù)處理功能功能齊全,操作簡單便捷，可視性良好，易于維護(hù)保修。同時(shí)可與其他相關(guān)硬件設(shè)備連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)簡單、高效、便捷地開發(fā)出適用于不同工況下的現(xiàn)場(chǎng)信息采集、數(shù)據(jù)處理及相關(guān)控制的目的2）啟停裝置——電磁閥電磁閥屬于執(zhí)行器件，主要作用是提高各種流體運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化程度；在油氣分離相關(guān)行業(yè)的不同控制系統(tǒng)中，主要用于調(diào)節(jié)油和水進(jìn)行分離的介質(zhì)流動(dòng)通斷。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，電磁閥開關(guān)對(duì)該系統(tǒng)的介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行通斷控制?？紤]本系統(tǒng)工作壓力較小，國產(chǎn)的2W系列電磁閥型號(hào)是不錯(cuò)的選擇，相關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)：直流24V的額定電源；常閉式（通電后電磁閥開啟）；動(dòng)作方式為直動(dòng)式；低于15W的功率；-5～85℃的工作溫度；0～15kg/cm2的使用壓力；18kg/cm2的最大壓力極限；12萬次以上啟停的工作壽命。該電磁閥內(nèi)件鑄造材料為不銹鋼，閥體使用的是鍛壓方式制成，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定扎實(shí)，適用于多種類型的場(chǎng)合和系統(tǒng)，注：此類型電磁閥的性質(zhì)之一是只能單向工作，所以安裝時(shí)需使電磁閥上標(biāo)注的箭頭方向與管路中流體介質(zhì)流動(dòng)的方向相一致；若發(fā)生觸點(diǎn)抖動(dòng)的現(xiàn)象導(dǎo)致工作失常，可以考慮是安裝不牢固的問題。3）油水界面儀——電容式雙法蘭差壓變送器本文選擇壓差式界面儀（電容式雙法蘭差壓變送器）測(cè)量油水界面層的具體位置。差壓變送器可以測(cè)量各類型不同容器內(nèi)，不同位置和高度的液體靜壓差，然后將壓力差值信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA直流信號(hào)輸出。電容式變送器[30]是目前最常見和常用的壓差變送器，其特點(diǎn)是：耐腐蝕、高精度、高穩(wěn)定、低價(jià)格，便于微小處理器和簡單系統(tǒng)的控制[31]。雙法蘭差壓變送器是石油行業(yè)應(yīng)用最普遍和深入的液位側(cè)量設(shè)備[32,33]，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、高精確度、安裝維護(hù)簡單、可與不同系統(tǒng)連接使用，其主要用于測(cè)量具有腐蝕性、粘度大、易結(jié)晶、低凝固點(diǎn)的介質(zhì)[34-37]。電容式雙法蘭差壓變送器是本實(shí)驗(yàn)的最佳選擇。1.6控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)部分，對(duì)其主要功能和技術(shù)要求是：一、PLC需要讀取1個(gè)經(jīng)過壓差變送器轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電流模擬信號(hào)、觸摸屏輸入的4個(gè)設(shè)定值(最長排水時(shí)間、開閥高度、關(guān)閘高度、報(bào)警高度)，并輸出1個(gè)數(shù)字量信號(hào)(油水界面層的實(shí)時(shí)高度)，電磁閥的啟停功能經(jīng)中間繼電器控制，且電磁閥在開啟后還能進(jìn)入自鎖狀態(tài)保持開關(guān)穩(wěn)定性，以使得排水自動(dòng)進(jìn)行。二、PLC還可以從MCGS觸摸屏和上位機(jī)PC端中直接讀取開始和停止信號(hào)，這是便于人工手動(dòng)控制系統(tǒng)的啟停。三、MCGS觸摸屏可以讀取PLC控制器里傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，人機(jī)交互界面通過前文設(shè)定的固有物理參數(shù)顯示當(dāng)前的系統(tǒng)工作狀態(tài)。控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)：PLC邏輯控制器與MCGS人機(jī)交互界面、中間繼電器、電容式雙法蘭差壓變送器和電磁閥開關(guān)以及上位機(jī)PC端連接，需要1個(gè)模擬量輸入端子接收壓差變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流模擬信號(hào)，1個(gè)數(shù)字量輸出端子通過中間繼電器對(duì)電磁閥開關(guān)進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)由1個(gè)控制柜（內(nèi)含1個(gè)PLC邏輯控制器、1個(gè)型號(hào)為EM231的拓展模擬量輸入模塊、1個(gè)觸摸屏、1個(gè)中間繼電器和其他電路元器件）、1臺(tái)電容式雙法蘭壓差變送器、1個(gè)電磁閥、1臺(tái)上位機(jī)PC端?？刂葡到y(tǒng)的主體是制柜及電磁閥，控制柜內(nèi)的PLC和MCGS觸摸屏最為重要，首先在上位機(jī)PC端通過軟件MCGS設(shè)計(jì)觸摸屏的界面程序動(dòng)畫并上傳至觸摸屏，然后在上位機(jī)PC端通過STEP-7軟件設(shè)計(jì)好PLC的邏輯程序梯形圖并下載至觸摸屏，最后可通過觸摸屏顯示罐內(nèi)液體的相關(guān)物理參數(shù)，并且可在觸摸屏上對(duì)相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，同時(shí)還能手動(dòng)控制系統(tǒng)的整體啟停。因此本章著重講解PLC的程序設(shè)計(jì)以及MCGS觸摸屏的界面程序設(shè)計(jì)。1.6.1PLC程序設(shè)計(jì)1）PLC編程方式控制系統(tǒng)部分的設(shè)備完成硬件選型和安裝后，根據(jù)自動(dòng)排水控制系統(tǒng)相關(guān)的具體控制要求來設(shè)計(jì)PLC的運(yùn)行程序，因而要使用外部編程軟件，針對(duì)性的選擇了適用于S7-200系列的Step7-Micro/Win32軟件。西門子Step7-200編程軟件為使用者提供了多樣的計(jì)算機(jī)應(yīng)用工具:符號(hào)編輯器、編程語言、軟件故障診斷和互聯(lián)網(wǎng)配置等,操作人員對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、修改、編輯、監(jiān)控等開發(fā)工作。Step7編程軟件可以非常便捷高效的實(shí)現(xiàn)硬件和網(wǎng)絡(luò)的配置，同時(shí)具備在線編程和離線編程的強(qiáng)大功能，而且設(shè)計(jì)好的PLC程序可以在線實(shí)時(shí)上傳或下載，創(chuàng)建屬于客戶自己的專屬自動(dòng)化解決方案也十分簡潔高效方便。Step7-Micro/Win32有可以相互轉(zhuǎn)換的三種不同類型的編程語言:梯形圖(LAD)、語句表(STL)和一個(gè)功能塊圖(FBD)。其中梯形圖（LAD）是應(yīng)用為廣泛和普遍的。相關(guān)編程語言和繼電器控制電路的表達(dá)方式極為相似，均由觸點(diǎn)、線圈和功能塊構(gòu)成，特點(diǎn)在于簡潔、清晰、形象[53]。本文選用的即是梯形圖(LAD)編程語言。2）控制系統(tǒng)的I/O地址分配CPU222與拓展模塊EM231的I/O地址分配如下：表4-5控制系統(tǒng)地址分配表3）處理輸出數(shù)據(jù)如表4-5，在PLC程序設(shè)計(jì)中，依據(jù)采樣周期的固有特性，從模塊通道地址AIW0讀取數(shù)字量信號(hào)，AIW0信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)4-20mA電流信號(hào)，由壓差變送器檢測(cè)產(chǎn)生，所選擇的型號(hào)為EM231的拓展模擬量輸入模塊接收到0-20mA電流信號(hào)，電流信號(hào)在PLC中轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)。鑒于諸如電磁干擾等因素對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響，帶來的數(shù)據(jù)失真的可能性，為避免此類現(xiàn)象需利用軟件對(duì)數(shù)字電流信號(hào)進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)和處理然后才在人機(jī)界面上顯示。最后，為自動(dòng)控制的高程度化和相關(guān)物理參數(shù)可視化顯示的控制需要，需將實(shí)驗(yàn)過程中壓差變送器的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的界面層高度（VD104），并在觸摸屏上顯示。同時(shí)還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的單次排水循環(huán)（定義為一個(gè)周期）進(jìn)行計(jì)時(shí)，并使用上電延時(shí)定時(shí)器T101編寫程序。數(shù)據(jù)輸出，液位高度單獨(dú)顯示，定時(shí)時(shí)間，設(shè)計(jì)的PLC程序梯形圖（LAD）如圖4-6。圖4-6數(shù)據(jù)的采集與處理PLC梯形圖4）電磁閥和PLC的自動(dòng)啟停、報(bào)警控制程序PLC是在觸摸屏的人機(jī)交互界面上設(shè)計(jì)開始、停止以及報(bào)警程序功能，而非直接連接開關(guān)等數(shù)字量信號(hào)輸入元件，本文對(duì)于相關(guān)功能的地址選用：存儲(chǔ)啟動(dòng)的數(shù)字量輸入信號(hào)I0.0、存儲(chǔ)停止的數(shù)字量輸入信號(hào)I0.1，運(yùn)行標(biāo)志地址Q0.0，開閥的標(biāo)志地址Q0.1，控制報(bào)警標(biāo)志地址Q0.2。對(duì)壓差變送器的連續(xù)采樣周期時(shí)間設(shè)置為一秒鐘（1S），同時(shí)在人機(jī)交互界面上也需要設(shè)定好開閥界面層高度、報(bào)警界面層高度、關(guān)閥界面層高度以及最大排水時(shí)間這4個(gè)參數(shù)的具體值，并將其分別儲(chǔ)存至VD108、VD112、VD116、VD124這4個(gè)地址中，其中最長排水時(shí)間的單位為秒，PLC自帶定時(shí)器功能選為“×100ms”。圖4-7為PLC的啟?？刂瞥绦蚝蛨?bào)警控制程序。圖4-7PLC啟停控制程序和報(bào)警控制程序梯形圖本系統(tǒng)的具體控制要求表明：在觸摸屏人機(jī)交互界面上設(shè)置好開閥界面層高度、關(guān)閥界面層高度、報(bào)警界面層高度以及最大排水時(shí)間（可調(diào)節(jié)的具體數(shù)值，設(shè)定原則：高位法蘭高度＞開閥界面層高度＞報(bào)警界面層高度＞關(guān)閥界面層高度）后。按下開始按鈕，I0.0得電使Q0.0得電啟動(dòng)運(yùn)行。排水控制系統(tǒng)處于自運(yùn)行狀態(tài)，以1秒為周期實(shí)時(shí)連續(xù)性的采集雙法蘭壓差變送器的模擬量輸入信號(hào)，與此同時(shí)還將采集到的并轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)界面層高度的參數(shù)與已設(shè)定好的開閥界面層高度、關(guān)閥界面層高度、報(bào)警界面層高度進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)實(shí)時(shí)界面層高度大于開閥界面層高度，即VD104大于VD108時(shí)，Q0.1得電后電磁閥S置位開啟，通電延遲定時(shí)器T101開始計(jì)時(shí)，此時(shí)電磁閥開啟閥門進(jìn)入排水流程；當(dāng)實(shí)時(shí)界面層高度低于報(bào)警界面層高度，即VD104小于VD112時(shí)，Q0.2得電報(bào)警；當(dāng)實(shí)時(shí)界面層高度低于關(guān)閥界面層高度，即VD104小于VD116時(shí)，Q0.2得電報(bào)警，Q0.1得電，電磁閥R復(fù)位關(guān)閉閥門，系統(tǒng)止步。重新加入油水混合液并靜置，當(dāng)實(shí)時(shí)界面層高度重新大于開閥界面層高度時(shí)，程序再次啟動(dòng)，電磁閥閥門開啟，排水系統(tǒng)再次開始排水，此時(shí)不算在一個(gè)完整周期，整體系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行。而當(dāng)T101計(jì)時(shí)器的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)時(shí)間與設(shè)定的最長排水時(shí)間經(jīng)過比對(duì)后達(dá)到了臨界值，則Q0.2得電報(bào)警，Q0.1得電，電磁閥R復(fù)位關(guān)閉，系統(tǒng)止步，此時(shí)系統(tǒng)處于停止運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)出報(bào)警后即刻關(guān)停整體排水控制系統(tǒng)，檢查出報(bào)警原因處理，排除導(dǎo)致故障的問題和損壞后重新點(diǎn)擊開始按鈕使系統(tǒng)恢復(fù)正常排水工作[54]?？刂屏鞒虉D如圖4-8。圖4-8控制流程圖1.6.2觸摸屏程序設(shè)計(jì)針對(duì)油水分離自動(dòng)排水控制系統(tǒng)，在完成了PLC的程序設(shè)計(jì)和相關(guān)硬件的選型并安裝結(jié)束后，還需對(duì)MCGS人機(jī)交互界面的動(dòng)畫程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，這將使得工作人員更加方便高效的監(jiān)測(cè)和控制本系統(tǒng)的自動(dòng)排水過程，同時(shí)也可以盡量保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。1）組態(tài)軟件這一種現(xiàn)在我國工業(yè)領(lǐng)域和教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)常用的，數(shù)據(jù)采集與過程控制的軟件，它可自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控層開發(fā)環(huán)境和軟件平臺(tái)[55,56]。常見常用的組態(tài)軟件的主要功能:完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸；生成各類型的相關(guān)報(bào)表和數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的報(bào)警系統(tǒng)、人機(jī)界面顯示采集到的數(shù)據(jù)并直觀表達(dá)；共享數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)在線連續(xù)性檢測(cè)數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與歷史資料查詢等。當(dāng)控制系統(tǒng)的裝置中應(yīng)用了合適版本的組態(tài)軟件，對(duì)人機(jī)交互界面的動(dòng)態(tài)動(dòng)畫程序的設(shè)計(jì)編程于數(shù)小時(shí)即可完成，步驟：（1）由相關(guān)實(shí)驗(yàn)或工程的需求，建立系統(tǒng)的簡化數(shù)理模型；（2）在系統(tǒng)的默認(rèn)圖庫中選擇合適的圖形圖案，將其標(biāo)定為工程或?qū)嶒?yàn)中的具體設(shè)備或裝置，若無合適的圖形圖案可以參考自建圖庫。（3）建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，基于現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)參數(shù)和相關(guān)的具體需求，標(biāo)定數(shù)據(jù)庫里的具體內(nèi)容。（4）連接人機(jī)交互界面上已設(shè)計(jì)好的圖形圖案和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)象，注意：選擇為實(shí)時(shí)動(dòng)畫動(dòng)態(tài)連接模式；（5）嘗試運(yùn)行，根據(jù)具體需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。2）人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)諸多工程技術(shù)領(lǐng)域中，MCGS組態(tài)軟件已被廣泛而深入地運(yùn)用。MCGS嵌入式組態(tài)軟件(Monito