基于PLC 的井下助排剂生产线控制系统设计

方利男

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

关键字：井下助排剂；PLC；冗余

在油气开采过程中, 压裂是常规体积改造手段[1]。但在压裂过程中所产生的工作残液不能完全排出，会对地层造成伤害。通常情况下，可以通过添加一种叫做助排剂的化学品来提高返排效率。助排剂系列产品的生产不仅会涉及很多工艺流程，而且还会用到一系列相关的生产设备。生产助排剂的原料在反应的过程中，对温度、压力、搅拌电机等指标有较高的要求，通常这个过程是在反应釜中进行的。

反应釜在不同的温度阶段，釜温的控制对于助排剂产品的质量有很大的影响。某助排剂生产企业在之前的生产过程中，设备的启停、阀门的开闭等大多依靠工人手动操作，对于工艺参数的调节，也大多依靠工人的现场经验。因此对温度指标控制精度不够、产品质量不高，产品的不合格率一直居高不下。这样不仅浪费了大量人力、物力、财力，而且长期的化工现场操作，对于工人的健康也构成了一定的威胁。针对以上情况，本文设计了一套以西门子S7-300 PLC 为控制核心的助排剂生产线数字化系统，使温度曲线更加符合生产工艺要求，控制精度更加准确。同时也大幅度减少了生产成本，提高了生产效率。

1 助排剂生产工艺简介

助排剂的生产是一个多原料反应的过程。某企业原始的助排剂生产线主要由原料地埋罐区部分、上料泵及计量水罐上料部分、反应釜和平台及工艺管道部分、出料灌装部分四部分组成，其中各部分的功能如下：

1） 原料地埋罐区部分。六座40m3地埋钢衬塑储罐，借助压缩空气将液体原料压入反应釜中，反应釜上装有称重模块，可自动计量。

2） 上料泵及计量水罐上料部分。四台泵组成泵上料系统（含称重部分） 与四台釜一一对应，将200kg 包装的液体物料上入反应釜中。另外还有计量水罐自动上水系统将纯净水加入到反应釜中。

3） 反应釜和平台及工艺管道部分。四台10m3搪瓷反应釜及钢结构平台用来进行主要的反应过程。另外，工艺管道及输送系统用来进行液料输送。

4） 出料灌装部分。由三台20m3钢衬塑成品缓冲罐，三套吨包装灌装和一套槽车灌装组成。并配套有一具20 m3压缩空气储罐，为整套自动化系统提供气源。

考虑到某企业原始的生产线生产效率、自动化程度以及产品质量等较低，本设计在原来生产线的基础上增加了PLC 控制系统，该系统包括自动控制地埋罐上料，生产过程监控、数据记录、自动灌装等功能，将整套系统整合为一个有机体，实现整条生产线的自动化。

2 控制系统设计

根据对现有系统的了解和收到的技术资料，本自动化控制系统采用以下的控制方案：上位监控计算机采用台湾研华公司的IP610 作为工控主机，并设置双机冗余；下位控制PLC 采用德国西门子S7-300 系列+ ET200M 分站的分布式方案。上位机与PLC 之间用PROFINET 总线连接，PLC与四个ET200M 分站之间采用PROFIBUS 总线以树形方式连接。图1 为系统的整体结构图。

图1 控制系统整体结构

另外，控制系统还包含36 个各型称重传感器，5 个称重通信模块，4 块称重显示仪表，5 台电子称，各型气动阀94 个以及兼具就地显示及远传的温度传感器14 个、压力传感器11 个、液位传感器10 个。

2.1 系统硬件配置

根据现场情况以及控制系统的要求，本设计采用以下硬件配置：其中，CPU 模块选用CPU315-2DP，电源模块选用PS 307-5A，/O 模块选用16 通道/32 通道的数字量扩展模块SM321、SM322，8 路模拟量扩展模块SM331、SM332，并留有15%的余量。通讯接口模块选用IM153-1。

2.2 系统控制要求

该助排剂自动化生产线有以下控制要求：

1） 系统上料计量误差不超过千分之五；

2） 反应釜工作温度：55 ～60 ℃；

3） 反应釜温度均匀性：± 5 ℃；

4） 反应釜温度控制精度：± 1 ℃。

整个助排剂生产线可以分为上料、加热、保温、冷却和出料五个阶段。其中上料和出料阶段的控制属于整个控制系统的辅助部分，主要实现的控制有：启动上位工控机并对原料罐车向地埋罐卸料过程进行实时监控，确保地埋罐压力、液位、温度的检测结果为正常范围；其次借助电子秤，实现200L 桶装料通过上料泵给反应釜准确计量、上料；待反应结束后，关闭加热和冷却装置，产品通过管道泵及管道输送至成品缓冲罐等待灌装。加热、保温和冷却阶段的控制属于整个控制系统的核心部分，主要完成的控制有：打开加热阀提高釜温，利用PID 算法使釜温维持在误差范围内，反应结束后冷却至室温即可出料。

2.3 控制程序设计

根据系统工艺控制要求和助排剂生产线控制系统特点，本设计采用西门子STEP7 软件标准库PID 控制器中的温度控制专用功能块FB58 进行调节。使用FB58 功能块进行温度控制，需要以下三个步骤：

1） 误差计算与死区处理。

首先由外设过程变量选项（PVPER_ON） 选择实数格式或者外围设备的过程值，然后将采集到的外设过程变量值（PV_PER） 转换成与内部设定值（SP_INT） 单位相同的值。PV（反馈值）与SP_INT 的差值就是误差。对误差通过死区环节 （DEADBAND） 进 行 处 理， 可 由 参 数DEADB_W 设置死区宽度[2]。

2） PID 算法与变量计算。

FB58 采用位置式PID 算法，比例运算、积分运算和微分运算3 部分并联[3-5]。使用控制区（CONZ_ON） 来改善系统的控制效果，比较误差是否超过CON_ZONE（控制区范围） 来选择可调节变量值的输出。 通过手动选择开关（MAN_ON） 的0，1 状态来确定LMN（可调节变量） 的值[6]。此时LMN = LMN_P + LMN_I +LMN_D。

3） 控制器参数自整定。

FB58 具有参数自整定功能，通过分析温度的阶跃响应曲线，并提取反应釜温度的特征参数，进行多次寻优后，来确定控制器Kp、Ti、Td 参数的值。如果对于自动整定得到的参数不满意，还可以通过手动修改参数并进行保存，以便使控制效果更为理想。在自整定之前，先切换至手动模式，一段时间后再切换至自动模式，可防止系统变量不稳定而引起的震荡。

在反应釜温度闭环控制系统中，热电偶负责反应釜内液体温度检测，经温度变送器将采集到的液体温度转换成4 ～20 mA 直流电流信号，通过SM331 模块经A/D 转换后进入PLC，PLC 内部程序将转化后的温度与内部设定值SP_INT 进行比较，计算误差并根据FB58 内部控制算法进行运算，将运算结果由SM332 模块经D/A 转换后变为4 ～20 mA 的电流信号，控制电磁加热阀的输出功率[7]，从而实现对反应釜温度的控制。

2.4 自动控制流程

助排剂生产线的温度控制程序，是整个下位机程序设计的重点，关乎到助排剂产品的产率和质量。当温度反馈值高于温度设定值1℃时，关闭加热阀，打开冷却阀；当温度反馈值低于温度设定值1℃时，关闭冷却阀，打开加热阀；在误差范围内时，加热阀和冷却阀全部关闭。PID 程序控制实现小范围的恒温控制。图2 为程序设计流程图。

图2 程序流程图

3 监控系统设计

为实现对生产线控制系统的远程监控，上位机监控软件基于Windows 7 系统开发环境，采用WinCC 7.4 作为开发平台。WinCC 是一个强大的全面开放的监控系统，它拥有先进人机界面产品的所有功能，并且编程简单，画面效果好，使管理者在办公室就能浏览整个生产线流程的动态画面，从而更好地熟知生产情况，方便操作管理。如图3 所示为组态软件的整体结构。

图3 组态软件整体结构

助排剂生产线监控系统画面主要有用户管理、参数设置、工况曲线、故障预警、运行状态和报表生成。其中，用户管理功能主要是用来管理用户信息，包括用户的登录、设置密码与权限，防止其他无关人员修改信息；参数设置功能，用户可以设置反应釜各个阶段的反应温度和反应物料等工艺参数；工况曲线功能，能够使用温度曲线图来显示参数的实时变化，同时用户也可以查看历史曲线；故障预警功能，当系统处于不正常的工作状态时，可报警提醒用户及时进行处理；运行状态功能，用户可动态查看整个生产线的运行画面，方便管理与指导生产；报表生成功能，用户可进行报表打印，以便掌握生产信息。

4 结论

1） 经过设计与改造的IPC+S7-300 PLC+ET200M 的控制系统投入使用以来，稳定性很好，减少了日常维护成本。

2） 在助排剂生产过程中，系统的工艺参数得到了进一步的优化，更加符合了产品的工艺要求。

3） 基于FB58 的温度控制算法，使系统温度控制更为准确，达到、甚至超过了企业要求的性能指标。