PLC在油田控制系统中的选型与应用.pdf

日经验窒煎日 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 d ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 8 P L C 在油田控制系统中的选型与应用 庄文浩 长江大学 电子信息学院， 荆州 1 4 3 4 0 2 3 器 墨旦 摘要 随着P L C的推广普及 ， 种类繁多的P L C的功能、 价格及适用场合也各不相同。 本文主要介绍进行设计时围绕工艺过 程控制要求从输入输出点数、 存储器容量、 功能及安全性能等方面。 设计出-眭能价格比最优的控制系统。并结合油田生产 中实际使用的生产设备如钻井废液处理、 塔榆末站、 垦东陆采平台的站控系统。 进一步阐述TP L C的选型和应用。 关键词 P L C； 控制系统； 选型； 应用 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B The s e l e c t i o n a nd a ppl i c a t i o n o f PLC i n t he o i l fie l d c o n t r o l s y s t e m ZHUANG W le n． h a o S c h o o l o f E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n ,Y a n g t z e U n i v e r s i t y , J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e g e n e r a I i z a t i0n a n d p O pu Ia r i z a t i O n o f PL C， PL C v a r i e s f r 0m t h e f u n c t ion ， p r ic e t o t h e a p p l i c a t i o n oc ． c a s i o n ．Th i s ar t ic l e i n t r od u c e s ma i n l y h o w t o d e s i g n t h e c on t r oI s y s t e m wi t h t h e o p t ima I r a t io o f p er f or man c e ． p r i c e i n a s p e c t o f i n p u t ／ o u t p u t p o i n t s ， me mor y s p a n ， f u n c t i o n an d s a f e t y p e r f o r ma n c e an d S O o n． Mo r e o v e r ， c o mb i n e d wi t h p r o． du c t i o n f a c i l i t i e s u s e d i n t h e o i l fi e l d p r o d u c t ion s u c h a s t h e c o n t r oI s y s t e m o f d r i l li n g fl u i d wa s t e s t r e a t me n t ．t h e en d s t a t i o n o f T A YU p i p e l i n e ， KENDONG o f f s h o r e pla t f o r m， i t p r e s e n t s b r i e fl y PL C s e l e c t i on a n d a p p l i c a t ion ． Ke y wo r d s PL C；c o n t r o l s y s t em； s e l e c t i o n ； ap p l i c a t i o n 0 引言 随着油田开发生产的深入， 石油集输工艺和生产流 程越来越复杂多样， 这就要求与之配套的控制系统要准 确快速的采集生产数据， 通过合理的分析， 及时可靠的控 制生产设备， 确保生产设备安全平稳的运行。 可编程控制 器 简称P LC 就能把这种功能完美体现出来， 因其结构 紧凑、 功能完善、 操作方便、 可靠性高等优点， 越来越广 泛地应用于石油生产过程控制系统中。 但是随着P L C的 推广和普及， P L C 产品的种类和数量越来越多， 而且功能 也日趋完善。 其结构型式、 性能 、 容量、 价格等各不相同， 适用场合也各有侧重。因此， 合理的选择P L C， 对于提高 P L C在控制系统中的应用起着重要的作用。 1 P L C的分类 1 ． 1 按性 能分类 根据P L C 的I ／ O点数、 用户程序存储器容量和控制功 能的不同， 可分为小、 中和大型三类r 1 】 。 小型P L C的I ／ 0 点 数小于2 5 6 点， 单C P U， 用户程序存储器容量小于4 K 字， 以 开关量控制为主， 具有逻辑运算、 定时、 计数、 移位及自诊 断、 监控等基本功能。中型P L C 的I ／ O 点数在2 5 6 ～ 2 0 4 8 点 之间， 双C P U， 用户程序存储器容量为2 K - 8 K 字， 具有较 强的模拟量输入／ 输出、 算术运算 、 数据传送和比较、 远程 I ／ O、 通信联网等功能。 大型P L C的I ／ O ,数在2 0 4 8 点以上， 多C P U ， 用户程序存储器容量为8 K 1 6 K 字， 增加了带符号 算术运算、 矩阵运算、 位逻辑运算及其它特殊功能函数的 运算 、 制表及表格传送功能等。 1 ． 2按结构分类 根据P L C 的构成形式 ， 可将P L C 分为整体式和机架 式 模块式 两大类。 整体式结构的P L C 是将C P U 、 存储单 元、 输入输出模块和电源部件集中配置在一个机箱内。 这 种P L C 输入输出点数少、 体积小、 价格低便于装入设备内 部。 机架式结构的P L C 将各单元做成独立的模块， 使用 时将这些模块分别插入机架底板插座上。 可根据生产实 际的控制要求配置模块构成不同的控制系统。这种P L C 5 4 EI C V 0 1 ． 2 0 2 01 3 No ． 2 输入输出点数多， 配置灵活方便， 易于扩展。 1 ． 3 按应用范 围分类 根据应用范围的不同可将P L C 分为通用型、 专用型、 安全型三大类 。 通用型P L C作为标准工业控制装 置可在 各个领域使用， 而专用型P L C 是为了某类控制要求专门设 计， 如数控机床专用型、 锅炉设备专用型等。应用的专一 性使其控制质量大大提高。 安全型P L C 是为关键控制系统 和高安全要求系统的安全应用而专门设计的可编程控制 器。 当检测到系统故障尤其是危险故障时能使系统回到安 全状态， 从而最大限度保证系统的可靠性和可用性。 2 P L C的选型 在P L C系统设计时首先应确定控制方案， 其次就是 P LC工程设计选 型。T艺流程 的特点和应用要求就是 P L c工程设计选型的主要依据。 P L C 及有关设备应是集 成的、 标准的， 应按照易于工业控制系统形成一个整体 、 易于扩充其功能的原则选型。 P LC 设计选型和估算时应 详细分析工艺过程的特点、 控制要求， 明确控制任务和范 围确定所需的操作和动作 ， 然后估算输入输出点数、 存 储器容量、 确定功能、 设备特性等， 最后选择有较高性能 价格比的P L C和设计相应的控制系统。 2 ． 1 确 定P L C 的规模 在P L C选型之前首先确定系统I ／ O点数和存储器容 量。 基本步骤是先根据工艺控制条件对I ／ O 点数 数字输 入／ 输出量、 模拟输入／ 输出量 作出一个准确的统计， 在这 个统计数据的基础上再增加1 0 ％- 3 0 ％的余量来确定I ／ O 总点数。 优点是 可以弥补统计过程中的遗漏点数； 保证 系统投入运行后， 个别点有故障时能够替换； 预备将来可 能增加的点数需求， 按I ／ O 点数就可以确定P L C 的规模 。 P LC的存储器用于存储用户程序和数据， 一般有内 置式和外插式两类， 存储器容量选择按如下方式进行估 算_ 2 ] 存储器容量 指令字 数字量I ／ O 点数X1 0 模拟量I ／ 0 点数X2 5 特殊量I ／ O点数X1 0 0 。 2 ． 2 输入输出模块的选择 器 塞旦 输入输出模块 的选择应考虑与应用要求的统一口 ] 。 例如对输入模块应考虑信号电平、 信号传输距离、 信号隔 离、 信号供电方式等应用要求 。 对输出模块应考虑选用 的输出模块类型， 通常继电器输出模块具有价格低、 使用 电压范围广、 寿命短、 响应时间较长等特点。 可控硅输出 模块适用于开关频繁、 电感性低功率因数负荷场合， 但价 格较贵、 过载能力较差。 2 ． 3 网络通讯功能的确定 P L C系统的通信网络中上级的网络通信速率应大于 1 Mb p s ， 通信负荷不大于6 0 ％I4 】 。 P L C 系统的通信网络主 要形式有下列几种形式 P C为主站多台同型号P LC 为从 站组成简易P LC网络； 1 台P L C 为主站其他 同型号P L C 为 从站构成主从式P L C网络； P LC网络通过特定网络接口 连接到大型DC S 中作为DC S 子网； 占用P L C网络。 2 ． 4 安全型P L C 的要求 安全系统P L C在开车 、 停车 、 出现工艺扰动及正常 维护操作期间对生产装置提供安全保护。 一旦当工厂装 置本身出现危险， 或由于人为原因而导致危险时， 系统立 即做出反应并输出正确信号， 使装置安全停车， 以阻止危 险的发生或者事故的扩散。 2 ． 4 ． 1 基本 要求 安全 系统P LC具有特殊结构型式和特殊的处理方 式， 对安全系统P L C 的基本要求是 需要得到第三方专业 机构的安全认证， 满足苛刻的安全性和可靠性国际标准； 安全P LC的硬件应与担负常规控制的分散型控制系统相 互独立， 物理上完全分离； 必须具有完善的的诊断测试手 段， 包括对硬件和软件的测试 。 2 ． 4 ． 2 安全 结构和安 全措施 用作安全系统的安全P LC 可分为两大类， 一类为基 于表决的系统， 另一类为基于自诊断测试的系统。 1 基于表决 的系统 ， 其系统硬件通常为三重或者四 重冗余配置， 通过择多表决器来决定最终结果。模块化 三重冗余是指在系统的冗余性设计中， 关键电路都实行 了三重化， 各通道相互独立， 又同时完成同一功能。 硬件 和软件实现容错， 它们是两种不同的技术路线， 前者系统 响应快， 而后者硬件较简化。 两者均可用在微处理器构成 的容错系统中。 2 基于自诊断的系统具有特殊的硬件设计， 借助于 安全性诊断测试技术来保证安全性。系统对每一个与安 全性有关的部件r 中央模块 、 输入／ 输出模块、总线模块 等 均进行测试 。 对元器件设计的工作原理是 “ 正常工 作”、“ 故障一断开”， 两者必居其一。 2 ． 4 ． 3 安全 P L C的选 择 为过程工业应用选择安全P L C时， 不仅仅考虑S I L 认 证和最初成本， 还要考虑以下方面 1 考虑具有德国莱茵T uv认证的制造商， 作为极好 的经过验证的功能安全中心。 2 选择具有S I L 3 要求限制的安全P L C， 即使有极少 或没有S I L 3 的S I F 。 要记住的是 ， 安全P L C由很多S I F 用部 分重叠相关的危险风险共享。 3 高度权衡伪平均无故障时间率。过程正常运行 时间对经济原因和安全都是极端重要的。 通过降低误动 作， 避免生产损失， 限制对过程设备的损坏或压力， 考虑 业主的生命周期成本。 4 校验制造商的安全跟踪记录， 为得出你自己的结 论， 确保在过去有大量的安装应用。 2 ． 5 选型注意事项 选型除了考虑以上几个方面以外， 还要从考虑P L C的 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 日经验窒逾旦 编程方式、 是否需要专用模块、 冗余问题、 与监控软件的 配套能力 、 P L C 对工作环境的要求以及售后服务与技术 支持等。 总之在P L C选型时应遵循以下注意事项 】 1 根据P L C是单机控制还是形成网络、 输入输出点 数、 控制功能确定P L C规模， 并且在选购P L C时要在实际 需要点数的基础上留有一定余量【 6 】 。 2 用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重 要指标 ， 一般存储容量越大 、 速度越快 的P L C价格就越 高， 应该根据系统的大小合理选用P L C 产品。 3 在满足要求的情况下尽量选择比较熟悉的机种和 机型 4 5 尽量选用大公司的产品， 其产品质量比较有保障， 且 技术支持、 售后服务较完善， 有利于产品扩展与软件升级。 3 P L C 在油田中的应用 3 ． 1 钻井废液处理设备 钻井废液处理设备主要处理石油天然气开采钻探过 程中产生 的废钻井液和钻井废水等。 该装置的控制对象 主要为进水阀、 出水阀和排污阀等8 个 电动开关蝶阀。 采 用P L C 集中控制， 控制元件产生电信号输入到电动执行 机构， 执行机构控制蝶阀自动开启和关闭， 并把蝶阀的开 关状态传回P L C 系统， 完全实现了定时定量的自动排污。 在这种以开关量控制以及 以开关量控制为主、 带少量模 拟量控制的工程项 目中， 一般无须考虑控制速度， 因此选 用低档机就能满足要求。 该撬块选用了日本三菱的F X2 N 系列3 2 MR P L C， 主机上直接带有I ／ O模块和通讯接 口具 有结构紧凑、 通用性强等特点。 3 ． 2塔榆管线末站 塔巴庙一榆林天然气输气管线末站工艺部分有天然 气过滤分离装置、 外输计量管道、 收球、 发球器等内容。 该站的P L C 系统负责完成过滤分离器进、 出口差压检测； 收发球设备进、 出口温度、 压力检测； 进出站电动球阀远 程控制及状态检测。同时通过Mo d b u s 通讯协议与可燃 气体报警器、 Da n i e l 超声波流量计算机及压缩机西门子 P L C 进行数据通讯。 P L C 系统由现场仪表、 P L C控制器、 上位操作站三部分组成。 系统组成如图1 所示。 超声波流量计 图1 P L C 系统组成图 作为站场的主要控制设备P L C系统产品应具有适应 恶劣环境、 可靠性高、 耗电少、 运行稳定等特点。 根据系 统的复杂性和对控制的要求， 选择了AB公司的S L C5 ／ 0 5 EI C Vo 1 ． 2 0 2 0 1 3 No ． 2 5 5 日经验童遵日 系列可编程控制器， 其硬件组成为 CP U模块 1 7 4 6 ． L 5 5 1 、 模拟量输入模块1 7 4 6 一 NI 1 6 、 数字量输入模块 1 7 4 6 一 I B1 6 、 数字量输出模块1 7 4 6 ． OWl 6 。选型上的特点 有 结合工程情况 贸易交接计量和可燃气体报警系统独 立 和P L C控制器的特点； 控制系统要求安全金属式机架 式设计， 保证 良好的机械物理性能 ， 所有模块与CP U模 块严格保持同等、 同一系列产品。 3 I 3 垦东陆采平台 垦东陆采平台P L C 系统由2 个子系统组成， 分别是过 程控制系统P CS 和安全控制S I S 系统。P CS 系统完成工艺 过程的测量和控制， 保障工艺系统可靠、 平稳运行。S I S 系统完成工艺系统的紧急关 断、 可燃气体泄漏和室外火 灾探测， 保障生产和生活的安全。 P CS 和S I S 系统CP U采 用冗余结构， 两个系统的I ／ O 模板和机架严格分开， S I S 系 统的CP U和I ／ O模板具有S I L 2 或T UV AK4 认证。 P CS 系统控制器选用美国AB 公司S L C 5 0 0 系3 IJ P L C， 采用T CP ／ I P 协议经光纤系统与控制中心监控服务器通 讯。S LC 5 0 0 系 IJ P L C的模块化I ／ O系统提供了包括开关 量、 模拟量和专用模块在内的6 0 多种I ／ O模块。功能全面 的诊断功能简化使用过程中的故障排查。 S I S 系统控制器 选用美国AB 公司Co n t r o l L o g i x 系列P L C， 在同一的集成 化的结构中集中了离散、 运动、 坐标驱动、 批量和过程控 制， 可以利用这个单独系统完成顺序、 过程、 驱动或运动 噩 垂旦 控制的任意组合。 4 结束语 以上针对油田实际生产中应用的P L C系统进行了简 单的分析介绍， 对于不同的控制要求和生产流程， P L C系 统的选型和应用也千差万别 。 为了保证油田生产设备安 全可靠的运行，同时减d - A工操作 、降低维护成本等要 求， 油田对 自动化水平的要求也越来越高。 随着P L C功能 逐渐增强、 应用领域的不断拓宽， 如何在油田生产中选用 高效可靠的P L C 系统越来越受到关注。 口 参考文献 [ 1 】廖常初．P L C 基础及应用【 M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 1 ． [ 2 】 赵海忠， 王建国．浅谈P L C的选型【 J ] ．机电信息， 2 0 1 0 ， 1 8 2 6 6 ，2 6 7 ． 【 3 ] 段 志 平， 蒋 俊 能 ． PLC的选 型方 法 [ J 】 ． 科 技信 息 科 学 教 研 ， 2 0 0 8 ， 2 3 7 2 9 7 7 8 ． [4 ]白新庄． P L C的选 型探讨 [ J ] ． 石油化 工自动化， 2 0 0 5 ， 5 2 2 2 4 ． [ 5 】 陈宏．可编程控制器选型[ J ] - 化工进展， 2 0 0 3 ， 1 2 1 3 5 4 - 1 3 5 6 ． [ 6 ] 赵荣， 张伟强．P L C 在工业自动化控制中的应用[ J ] ． 科技信息 科学 教研 ， 2 0 0 7 ， 1 9 3 1 0 ． [ 7 ] 杨公源等． 可编程控制器 P L C 原理与应用． 北京 电子工业出版 社， 2 0 0 4 ． 作者简介 庄文浩 1 9 7 7 ． ， 男， 山东东营人， 电子与通信工程专业硕士研 究生， 研究方向为自动控制与检测． 收稿 日期 2 0 1 3 一 O 1 2 5 工信部等发布 加快推进传感器及智能化仪器 仪表产业发展行动计划 2 1 2 8 日， 工业和信息化部、 科技部、财政部、 国家标 准化管理委员会发布 “ 关于印发 加快推进传感器及智 能化仪器仪表产业发展行动计划的通知” 。 本计划的目的在于贯彻落实 “ 十二五”国家战略性 新兴产业发展规划和 工业转型升级规J 2 0 1 1 ． 2 0 1 5 年 ， 增强传感器及智能化仪器仪表产业的创新能力和 国际竞争力， 推动产业创新、 持续 、 协调发展。 实施期为 2 0 1 3 ． 2 0 2 5 年 。 计划中指出 未来5 ． 1 5 年， 是我国传感器及智能化仪 器仪表产业快速发展的关键时期。 充分利用业已形成的 较为完备的技术体系、 制造体系和配套供应体系， 转变产 业发展思路和观念， 推动从硬件加软件的 “ 生产型制造” 向应用服务加提供系统整体解决方案的 “ 服务型制造” 发展的产业形态变革， 实现我国传感器及智能化仪器仪 表产业创新、 持续、 协调发展。 本计划鼓励和支持测量、 控制、 智能化等前沿、 共性 技术研究， 新一代传感器及智能化仪器仪表研发及应用 验证 ， 开展标准、 检测、 可靠性等行业支撑技术工作 ， 建 设公共技术服务平台。 完善传感器及智能化仪器仪表标 准体系， 加速关键技术标准的研制， 实质性参与国际标准 化活动， 加强测试检测技术、 信息数据共享、 技术转让交 易、 人才培训等行业基础和共性技术工作。 加强重点实 验室、 工程中心、 技术中心的能力建设 ， 提升服务能力， 促进开放共享， 打造开放的共性技术服务及综合信息服 务平台网络体系。 在技术创新工程基础上， 鼓励和支持传感器和智能 5 6 EI C V 0 1 ． 2 O 2 01 3 No ． 2 化仪器仪表设计、 制造、 校验等产业化技术和专用装备 开发， 降低制造成本， 提高产品的可靠性、 稳定性及一致 性 。 重点支持企业开展以信息化和工业化深度融合为核 心的技术改造， 传感器及智能化仪器仪表创新示范园区 和基地建设， 以及以现代制造服务业为核心的产业模 式 创新。 支持有利于促 进信息化和工业化深度融合， 发展战 略性新兴产业， 提高生产效率， 改造传统工业流程， 促进 安全生产、 节能减排 、 环境保护、 食品安全的行业应用示 范， 推动在重大装备和工程中的应用。 鼓励和支持重点工程用户与仪器仪表企业联合攻 关 ， 共同开发， 探索政府引导与 “ 制造商 用户” 相结合的 市场化运作模式， 推广使用具有 自主知识产权的传感器 及智能化仪器仪表。 通过国家 “ 千人计划”、“ 百、 千、 万人才工程”， 加快 对传感器及智能化仪器仪表领军人才、 复合型人 才的引 进和培养。重视发挥企业工程技术人员， 特别是特殊工 种技工与技师的作用。 2 0 1 3 ． 2 0 2 5 年的总体 目标为 传感器及智能化仪器仪 表产业整体水平跨入世界先进行列， 产业形态实现由“ 生 产型制造”向 “ 服务型制造”的转变， 涉及国防和重点产 业安全、 重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表实现 自主制造和自主可控， 高端产品和服务市场占有率提高到 5 O ％以 匕 。