基于小型PLC和HMI的油田注水间控制系统的设计与应用

刘志东

大庆油田自动化仪表有限公司

目前，我国主要油田已进入高含水开采阶段，油田内井间、层间的状况存在较大的差异，而解决的方法是根据各类油层的特点以满足合理有效地控制注水。油田注水间的主要作用是将供水系统来水或经过处理符合标准的水进行加压，然后输送至注水井里[1-3]。本设计中的某油田注水间包括流量控制器、压力变送器、温度变送器、变频泵和变频器等设备。以前注水间都没有自动控制系统，无法实现远程监视和控制，对瞬时注水量、累计注水量、注水压力、注水温度等数据和注水泵、变频器等设备的工作状态无法实现远程实时采集与监控，要安排员工监管和操作设备。但由于油田操作人员的减少，注水间又都改成了无人值守的模式，并且一般这种无人值守远程的自控系统都用普通PLC和配套设备来实现，一套需要投资约几十万元，整个油田就需要投资几千万元，这对于降本增效是非常不利的。所以迫切需要既能实现自控要求，又能节约投资的无人值守远程自控系统。另外，在北方由于现场环境恶劣，尤其是在冬季，如果自控系统无法工作，会影响到冬季注水，这就要求所选自控系统要具备在恶劣环境下仍然能工作的能力。本设计采用基于国产某小型PLC、HMI 和DTU 的控制系统，监控注水间的设备，经过多年运行，大大提高了无人值守注水间监控系统的可靠性和管理水平，消除了生产隐患，避免了因系统故障、设备停机引起的经济损失和安全事故。

1 小型PLC的特点和优势

小型PLC 具有方便高效、高性价比、高稳定性、高可靠性、高集成度、模块化、体积小、重量轻、低功耗、抗干扰能力强等优点，现已占据国内48.8%以上的PLC市场份额[4]。高可靠性是电气控制设备的关键性能。由于采用大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。在应用软件中，还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统就具有极高的可靠性。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。小型PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也更容易。更重要的是同一设备经过改变程序使改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。某些小型PLC 底部尺寸小于100 mm，质量小于150 g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2 PLC自控方案硬件设计

2.1 系统要求

注水间的主要电器设备一般包括注水泵、流量控制器、变频器等，检测仪表主要包括压力变送器和电流变送器等。PLC 控制系统能够采集并显示3台注水泵的进、出口压力和出口汇管压力，如果进口压力低于进口设定压力或者出口压力高于出口设定压力就连锁停泵。根据出口汇管压力调节变频器频率及注水泵转速，从而实现出口压力恒定。一般1 台变频器可以控制2 台注水泵，工作模式为1 台变频1 台工频。当1 台变频器要控制3 台以上注水泵时，就需要对注水泵进行选择切换，实现选择控制功能。该系统还可采集并显示变频注水泵的电流及变频注水泵和变频器的各种状态。注水井的流量由流量控制器控制，PLC 系统与流量控制器通信，既可显示注水井的瞬时流量、累积流量、设定流量和流量控制器状态，还可远程修改设定流量、手动模式或者自动模式。无人值守与定期有人巡检相配合，确保巡检人员能够在本地操控各种控制功能。无人值守过程中能够实现把注水间装置的数据上传给控制中心或站队，同时控制中心或站队也能够实时控制或调节注水泵、变频器和流量控制器。

2.2 硬件选型

本项目选用的国内某品牌小型PLC，该产品高度集成，8路数字量输入，8路数字量输出，8路模拟量输入，2 路模拟量输出，1 个10 M/100 M 以太网接口，支持MODBUS TCP 协议，2 个RS232/RS485 接口和1 个RS485 接口，支持MODBUS RTU协议或者自由口编程。支持扩展模块，有配套的数字量模块、模拟量模块和混合模块。额定功率7 W，工作环境温度为-40～85 ℃。

2.3 硬件配置

根据系统和工艺要求，设计使用小型PLC、HMI 和DTU。小型PLC 作为本自控系统的核心设备，再加2 台8 路模拟量输入模块，采集检测注水设备数据、注水设备状态并控制设备。压力、电流为4～20 mA模拟量输入信号，变频泵的状态为数字量输入，变频泵的控制为数字量输出。瞬时流量、累积流量、设定流量和流量控制器状态通过MODBUS RTU协议实现，接线方式为RS485形式。为方便巡检人员本地操控，设置触摸屏HMI 作为人机交互设备，实现对PLC和注水装置的监控。远传功能选用DTU（Data Transfer Unit）实现[5]。

3 程序设计

油田注水站控制系统的软件设计以自动控制和实时监控显示为目标，系统软件设计包括可编程控制器PLC软件控制程序设计和触摸屏HMI软件显示界面设计两部分。

3.1 下位程序设计

在满足系统要求的前提下，程序编写得要简洁清晰，既便于程序的快速运行又方便运维人员的解读和分析。

（1）根据现场实际情况，设定压力、设定流量和仪表量程均需可调，所以都设计成可调整变量而不是常数。

（2）PLC读取到的注水泵进口压力与进口压力设定值比较，当进口压力小于等于进口设定压力，发出停泵指令，指令为数字量输出信号。读取到的注水泵出口压力与出口设定压力比较，当出口压力大于等于出口设定压力发出停泵指令，也是数字量输出信号。当注水泵停止时，PLC接收到注水泵的停止状态信号。在经过规定的时间后，PLC判断进口和出口压力是否同时满足条件，如果条件满足，检测信号的上升沿，当收到上升沿时自动复位，准备注水泵的下一次启动；如果条件不满足，禁止启动。PLC 程序具有人为操作停泵功能[6]。部分程序逻辑如图1所示。

图1 高压注水泵部分保护程序Fig.1 Protection program of the part of high pressure water injection pump

（3）PLC 使用PID 功能，根据泵出口汇管压力和压力设定值调节变频器的输出频率，控制泵的转速，同时采集变频器频率反馈值，实现闭环控制，输入、输出信号都是模拟量。一般1台变频器控制2 台注水泵，1 台变频注水泵另外1 台工频注水泵，当1台变频器控制多台注水泵时，可以根据现场实际需要，通过程序选择哪台泵使用变频[6-8]。

（4）PLC与流量控制器通信使用MODBUS RTU协议。流量控制器一般使用整形数据，而上位软件为便于操作人员读取和设置，使用数据为浮点数，所以下位程序要做整形数据与浮点数的转换。PLC接收到的流量控制器数据，高低字或者高低字节有时需要转换，其中高低字转换情况较多，高低字节转换情况较少。对PLC的RS485口的通信参数进行设置，保持与流量控制器一致。接线采用RS485形式，因为这种通信有可能会延时，所以在程序中设计通信状态判断，状态包括正常、通信超时（从站无响应）、请求参数错误、响应错误、响应CRC 校验和错误或接线错误、从站不支持请求的功能、从站不支持此种数据类型、从站设备故障等，数据类型为WORD[9]。部分变量见表1。

表1 部分变量Tab.1 Part of the variable

3.2 上位程序设计

上位机使用触摸屏HMI，与下位机PLC通过串口或者以太网口实时通信。画面包括总貌画面、分组画面、单点画面、趋势画面、报警画面、图形画面、棒图等。总貌画面显示注水泵、注水井、流量控制器、变频器、压力变送器等设备或仪表的运行状态，以及测量值、设定值、控制方式、高低报警等信息。分组画面以模拟仪表表盘的形式按设定的分组，同时显示几个回路的信息，如压力变送器的测量值、流量控制器的设定值、瞬时值、累积值等，操作员可以从分组画面调出任一变量的详细信息。单点画面显示一个回路参数，控制点的全部信息。操作人员可以对回路各参数进行设定或调整操作。报警画面显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的发生时间顺序排列。图形画面显示生产装置的图片、工艺流程图、设备简图等，包括字母、数字、字符和图形符号，所有过程变量的数值和状态每秒动态刷新一次。棒图表示过程变量的变化[10-11]。

4 PLC数据上传

野外无人值守的油田注水间所有设备和仪表等数据需要上传至远程控制中心或者有人值班的站队，便于管理。远传可以使用DTU、移动数据网络无线路由器、无线网桥、光缆等形式。DTU是专门用于将串口数据转换为以太网数据或将以太网数据转换为串口数据，通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，与PLC 通信使用MODBUS RTU 协议。DTU 需要插入无线通信运营商提供的流量卡。PLC 控制系统一般流量使用较少，通信费用较低。适合于无法敷设光缆或通信电缆的场所，拓扑结构如图2所示。移动数据网络无线路由器的应用环境与DTU类似，但是它使用的是以太网数据，与PLC通信使用MODBUS TCP 协议。在注水间和控制中心各架设一台无线网桥并调整好方向，两台网桥之间不能有大的建筑或者障碍物，传输以太网数据。光缆或者通信电缆传输最稳定，但是敷设工程量较大。当使用DTU 或移动数据网络无线路由器时，要设置好参数，并与控制中心的平台服务器软件兼容。根据实际情况选用不同的上传方式，本自控系统设计使用DTU方式[12]。

图2 小型PLC、HMI和DTU数据上传网络拓扑Fig.2 Data upload network topology of small-sacle PLC，HMI and DTU

5 系统应用及效果

此系统自投用以来，充分体现出小型PLC系统的优越性，能够有效保证注水泵稳定安全运行，运行多年从未出现生产事故。如果泵的进出口压力异常，不满足生产要求，本系统自动停泵，并在本地和远程同时报警提示，禁止泵重新启动。还可以远程控制调节注水量和注水压力。此系统还具有耐低温，本地可视操作，简单方便，易于掌握，性价比高，一次性投入少等特点，为油田节约了人力和生产成本。

此系统已应用在某大型油田多个采油厂的无人值守注水间，也适合应用在其他多种场所，例如油田注水站、天然气井、原油加热炉、计量间、转油站、水处理站、危险化学品库房等，都取得了非常好的效果。

6 结束语

此小型自控系统以小型PLC为核心控制器，以HMI 作为人机界面，以DTU 为远传设备，具有自动控制、手动控制、检测显示、异常报警、系统保护、远程控制等功能，具有体积小、集成度高、功能多样、控制能力强、可靠性强等特点，实现了对无人值守油田注水间的本地和远程自动控制，完全满足油田生产需求，为企业创造了良好的经济效益。