令曉明，劉光廷，李 強(qiáng)，王銳東

（1.蘭州交通大學(xué) 國(guó)家綠色鍍膜技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，甘肅 730070；2.蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 730070；3.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 730070）

0 引言

儲(chǔ)油罐中石油油樣的采集是監(jiān)控油罐對(duì)原油脫水[1,2]處理效果的一項(xiàng)重要工作環(huán)節(jié)，通過(guò)采樣分析油罐含水率[3]的變化為及時(shí)了解原油脫水情況提供科學(xué)的依據(jù)。目前國(guó)外研究主要在原油含水率測(cè)試儀器上，而針對(duì)采樣器的研究較少。如國(guó)外的Jie Cui和PK.Chan等人針對(duì)電容法含水率測(cè)量技術(shù)介紹了一種便攜式的新型低功耗分辨率容器[4]；國(guó)內(nèi)王杰則是針對(duì)油井里人工取樣代表性差等存在問(wèn)題，研制出了一種采出液自動(dòng)取樣器[5]。實(shí)際檢測(cè)油樣需要人工從油罐里采集，采樣器以采樣繩一米一打結(jié)的方法粗糙讀數(shù)[6]，存在取樣效率低，準(zhǔn)確度差，危險(xiǎn)性高等問(wèn)題，夜間則需要雙人協(xié)作，遇到惡劣天氣則無(wú)法采樣，容易因采樣監(jiān)控不到位導(dǎo)致原油含水過(guò)高影響正常生產(chǎn)，造成較大經(jīng)濟(jì)損失[7]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了PLC和觸摸屏相結(jié)合的油樣采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了取樣準(zhǔn)確定位、采樣存儲(chǔ)、采樣位置的記錄、歷史查詢等。

1 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文所設(shè)計(jì)的裝置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括空壓機(jī)、三位五通氣閥、采樣隔膜泵、輥筒、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、兩位三通油閥、流量傳感器、油樣瓶、殘油池、回油隔膜泵、PLC、觸摸屏等。

1.1 供氣裝置

供氣裝置是由空壓機(jī)、三位五通氣閥、電磁閥、超壓泄氣閥和輸氣管組成。

圖1 裝置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

采用活塞式空壓機(jī)KYJ0.36/8，用于壓縮空氣把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體的壓力能輸出。石油屬于易燃易爆的物質(zhì)，本系統(tǒng)的防爆性等級(jí)要求非常高，選用壓縮空氣來(lái)提供動(dòng)力。

1.2 采集裝置

采集裝置由氣動(dòng)隔膜泵（型號(hào)QBY-K10PF）、伺服電機(jī)、PL90-90型行星減速機(jī)、輥筒件、輥筒導(dǎo)繩器組成。

采樣時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)輥筒件旋轉(zhuǎn)，輥筒件與輥筒導(dǎo)繩器完成收線和放線。輥筒件螺紋螺距與輥筒導(dǎo)繩器螺紋紋距必須相同。氣動(dòng)隔膜泵不需要灌引水，能抽取流動(dòng)的液體，吸程高、揚(yáng)程可調(diào)（0～50m），而且防火防爆。行星減速機(jī)屬于精密型減速機(jī)構(gòu)，保證采樣裝置的準(zhǔn)確性。

1.3 回油裝置

回油裝置由殘油池、回油泵和回油管路組成。殘油池高800mm，長(zhǎng)1000m，用于存放采集時(shí)抽出來(lái)的多余油樣。殘油最終由回油泵通過(guò)管道抽回到儲(chǔ)油罐里。殘液池上設(shè)有手動(dòng)開(kāi)關(guān)，防止因傳感器有誤導(dǎo)致殘液池油液過(guò)多。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC是采用可編程微處理器為基礎(chǔ)一種自動(dòng)控制裝置[8]，具有體積小、編程方便和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在很多行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用[9,11]。

本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)均采用西門子的系列產(chǎn)品。綜合考慮其參考精度、冗余性和經(jīng)濟(jì)性三點(diǎn)進(jìn)行選型[12]。本系統(tǒng)共需要I/O點(diǎn)15個(gè)，6個(gè)輸入和9個(gè)輸出，選擇CPU模塊為Siemens S7-200 SMART SR30，再加上4點(diǎn)模擬量輸入，2點(diǎn)模擬量輸出的Siemens EMAM06模塊，選用Siemens SMART 700 IE觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)界面，構(gòu)成系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的控制終端。

系統(tǒng)上電后，伺服電機(jī)開(kāi)啟電機(jī)故障檢查；PLC對(duì)流量傳感器的輸出電流（4～20mA）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在觸摸屏上輸入采樣高度、體積和電機(jī)轉(zhuǎn)速等值后，點(diǎn)擊自動(dòng)采樣按鈕，PLC控制采樣泵到達(dá)指定的高度后，開(kāi)始采樣，當(dāng)流量傳感器監(jiān)測(cè)到所需的油樣體積后，采樣泵回到初始位置，采樣結(jié)束。當(dāng)殘液池中的殘油量達(dá)到設(shè)計(jì)的最高限制值即開(kāi)閥液位時(shí)，PLC通過(guò)控制回油泵電磁閥啟動(dòng)，將殘油池中的原油抽回到儲(chǔ)油罐中。

2.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)在Siemens STEP7-Micro/WIN SMART軟件操作平臺(tái)上采用梯形圖進(jìn)行編寫(xiě)，控制系統(tǒng)的程序流程如圖2所示，主要功能包括控制電機(jī)運(yùn)行、采樣泵采油、模數(shù)轉(zhuǎn)換、閥門控制、回油泵控制，流量傳感器計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)應(yīng)的PLC網(wǎng)絡(luò)程序包括：系統(tǒng)初始化，電機(jī)初始化檢查，伺服電機(jī)運(yùn)行，報(bào)警解除，將觸摸屏中電機(jī)轉(zhuǎn)速寫(xiě)入PLC中，伺服電機(jī)ON/OFF控制，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，電機(jī)正反轉(zhuǎn)中斷，中斷關(guān)閉程序，采樣泵運(yùn)行的高度，將PLC中的電機(jī)高度顯示在觸摸屏上，渦輪流量傳感器初始化，流量計(jì)計(jì)量，將流量顯示在觸摸屏上，空壓機(jī)控制，采樣泵控制，回油泵控制，自動(dòng)控制數(shù)據(jù)處理，電磁閥控制，伺服電機(jī)增速、勻速、加速控制及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算存儲(chǔ)。

圖2 程序流程圖

2.3 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是在Siemens WinCC flexible操作平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，包括創(chuàng)建功能界面，I/O區(qū)域組態(tài)、觸摸手動(dòng)按鍵組態(tài)、工藝畫(huà)面組態(tài)以及文本域顯示等[13]；該軟件可根據(jù)實(shí)際控制要求設(shè)計(jì)不同的工藝畫(huà)面，設(shè)計(jì)的功能界面包括：系統(tǒng)介紹、主控制界面、實(shí)際數(shù)據(jù)顯示界面、趨勢(shì)曲線查詢界面。其中主界面如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制元件相關(guān)參數(shù)及狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；在觸摸屏上設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。在手動(dòng)方式下可以人工操作實(shí)現(xiàn)整個(gè)采樣過(guò)程；在自動(dòng)控制方式下，需要提前設(shè)定好觸摸屏上的3處給定值，點(diǎn)擊自動(dòng)采樣按鈕可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)采樣過(guò)程。

圖3 主界面

2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速

在自控采樣時(shí)，為了使整個(gè)裝置在采集過(guò)程中無(wú)明顯震動(dòng)，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速起步不宜過(guò)大，加、減速過(guò)程平滑無(wú)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制如圖4所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

計(jì)算公式：

式中：h為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，t為電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。Vmax為電機(jī)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速，為電機(jī)加速的加速度，為電機(jī)減速的加速度。

電機(jī)的增速、減速和勻速運(yùn)行控制采用模糊PID參數(shù)自整定的控制方法，其模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，與傳統(tǒng)的PID控制不同的是：本文設(shè)計(jì)的基于傳統(tǒng)PID控制和模糊控制器相結(jié)合，采用偏差e和偏差率△e作為輸入，即找到kp、Kt、Kd三個(gè)參數(shù)與e和△e之間的模糊關(guān)系，通過(guò)模糊控制原理計(jì)算出參數(shù)值，然后作用于PID控制器[14]。PID控制器輸出u(t)和輸入e(t) 關(guān)系是為：

式中：kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制策略為：當(dāng)T＜0.1t時(shí)，增速運(yùn)行；當(dāng)0.1t≤T＜0.9t時(shí)，勻速運(yùn)行，當(dāng)T≥0.9t時(shí)，減速運(yùn)行。

圖5 模糊PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5中r為系統(tǒng)輸入給定轉(zhuǎn)速；y為實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)調(diào)試后，將該采集裝置安裝在某采油廠，針對(duì)其中某一沉降罐（高11m）進(jìn)行連續(xù)7天的準(zhǔn)確性測(cè)試。自動(dòng)采樣和實(shí)際采樣誤差數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示（部分?jǐn)?shù)據(jù)），在測(cè)試中采集裝置運(yùn)行穩(wěn)定，采樣準(zhǔn)確，安全保障生產(chǎn)，可以滿足工作人員不需要到油罐頂部就可以采集到油樣。由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)誤差取平均值計(jì)算可知，自動(dòng)采樣高度給定值和實(shí)際高度誤差波動(dòng)在±3%，容積給定值和實(shí)際采樣容積波動(dòng)誤差在±5%。因此，該系統(tǒng)運(yùn)行誤差在允許范圍之類，其準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工取樣，也大大減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 自動(dòng)采樣和實(shí)際采樣誤差數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的基于PLC的石油油樣采集系統(tǒng)能有效的解決了人工采集油樣危險(xiǎn)性高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大和采集位置不準(zhǔn)確的問(wèn)題，達(dá)到了無(wú)需上罐自動(dòng)采集的目的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，該石油采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單，符合采油廠用戶實(shí)際需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。