（检测技术与自动化装置专业论文）注聚合物装置自动控制系统设计与研究.pdf

摘要 目前全国各大油田经过长期的开发，主力油田均已进入高含水期，三次采油将把油 田开发技术带入新阶段，而注聚合物驱油是三次采油中普遍使用的一种方法。由于注聚 工程的特殊性( 注入周期短、设备选用多等) ，它仍是一项工程投资大、运行费用高的 复杂系统工程，仍需进一步提高注聚工艺水平，提高技术水平，降低工程投资，节能降 耗。 论文对国内外注聚合物装置做了深入的研究，针对胜利油田三次采油特点，重点对 注聚合物装置的溶解单元和罐群单元进行了设计，以松下可编程控制器( p l c ) 为控制 核心，设计了聚合物装置溶解单元和罐群单元硬件电路和软件控制程序，实现了聚合物 的自动混配过程，同时采取了一些如输入信号软件滤波抗扰、执行机构可靠性处理等抗 干扰可靠性措施，确保了全站生产安全、稳定、连续运行。 针对聚合物母液浓度控制中大迟滞系统难以精确控制，论文从预测控制理论入手， 深入研究了p i d 控制方法及预测p i d 控制理论，将预测模型引入注聚站的浓度配置控制 系统中，用预测出的浓度偏差作为给定补偿调节项，建立一种预测p i d 控制器应用于母 液浓度控制，从而验证了此控制器的有效性。 论文首次采用松下p l c 和西门子无线通信模块t c 3 5 i 实现注聚站远程监控。通过 对t c 3 5 i 原理的深入分析研究，完成了t c 3 5 i 控制电路的电源和i g t 启动电路设计； 通过对松下p l c 专用通信协议和s m s 的p d u 方式编码解码的深入研究，实现对各个 监控点进行数据采集，并对t c 3 5 i 初始化和数据控制，完成了松下p l c 与t c 3 5 i 的通 信以及t c 3 5 i 与维修监控中心的通信，以短信息的方式将生产运行状况与设备运行状态 发送到维修中心，实现了远程监控的功能。 关键词：注聚合物装置，预测p i d 控制，远程监控 d e s i g na n ds t u d yo na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m o f p l o y m e ri n j e c t i o ne q u i p m e n t y ut i a n - j i n ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f w a n gp i n g a b s t r a c t a tp r e s e n tt h r o u g hl o n g t e r mm i n i n g ，t h em a jo ro i l f i e l d sa l lo v e rt h ec o u n t r yh a v e e n t e r e dh i g hw a t e rp e r i o d ，e o rt a k e so i lf i e l dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yi n t on e ws t a g e p o l y m e rf l o o d i n gi s aw i d e l yu s e dw a yo fe o r b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fp o l y m e r i n j e c t i o n ( s u c ha ss h o r tc y c l ei n j e c t i o na n dm u l t i - u s ee q u i p m e n t ) ，i ti sac o m p l e xp r o j e c tw i t h ab i gi n v e s t m e n ta n dt h eh i g hc o s to fr u n n i n g ，a n di ts u b je c t st of u r t h e re n h a n c et h el e v e lo f p o l y m e ri n je c t i o n ，d e s i g n sa n di m p r o v e sc o n t r o le q u i p m e n tt ol o w e rp r o j e c ti n v e s t m e n ta n d r e d u c ee n e r g yl o s s t h ep a p e rm a d ei n - d e p t hr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ep o l y m e ri n j e c t i o ne q u i p m e n ta t h o m ea n da b r o a d ，f o c u s e do nd i s s o l v e da n dt a n ku n i t ss c a t t e r e dg r o u pu n i tt h ep o l y m e r i n j e c t i o nc o n t r o ld e v i c ef o rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rs h e n g l io i l f i e l de o r f e a t u r e s t a k e n p a n a s o n i cp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) f o rt h ec o n t r o lo ft h ec o r e ，i td e s i g n e d a u t o - c o n t r o ls y s t e mo ft h ep o l y m e ri n j e c t i o nc o n t r o ld e v i c e ，a n dc o m p l e t e dh a r d w a r ec i r c u i t a n ds o f t w a r ec o n t r o lp r o c e d u r e so fp o l y m e rf i x e dd e v i c e s ，t a k e nan u m b e ro fa n t i - j a m m i n g m e a s u r e sr e l i a b i l i t y , i m p r o v e dm i x e dp r o c e s sa u t o c o n t r o lc o n t r o lo p t i m i z a t i o n ，a n de n s u r e d t h a tt h es t a t i o n sp r o d u c t i o ns e c u r i t y , s t a b i l i t y , c o n t i n u o u s f o rp o l y m e rc o n c e n t r a t i o nf o rl i q u o rc o n t r o ls y s t e mt os l o wp r e c i s ec o n t r o l ，t h ep a p e r s t a r t e dw i t hp r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r y i n t r o d u c e dp r e d i c t i v ep i dc o n t r o li n t ot h ep o l y m e r c o n c e n t r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n du s e dp r e d i c t e db i a sc o e f f i c i e n ta sp a r a m e t e ra d a p t a t i o n ，i t b e c a m ea d a p t i v ep r e d i c t i v ec o n t r o l l e rf o rp o l y m e rl i q u o rc o n t r 0 1 t h i sc o n t r o l l e rp r e d i c t e d n e wc o n c e n t r a t i o nd a t aa c c o r d i n ga so l dc o n c e n t r a t i o nd a t a ，a n dt h ep r a c t i c er e s u l t sa r eg i v e n t od e m o n s t r a t et h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d r e m o t ec o n t r o lu s e df i r s t l yp a n a s o n i cp l ca n ds i e m e n sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l et c 3 5 ii np o l y m e rc o n c e n t r a t i o n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft c 3 5 id e p t ha n a l y s i sa n d s t u d y , t h ep a p e rc o m p l e t e dt c 3 5 ic i r c u i td e s i g no fp o w e rc o n t r o la n di g ts t a r t ，a n dt h r o u g h t h ep a n a s o n i cp l ca n ds m sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lf o rt h ep d u m o d ec o d ei n d e p t hs t u d y a c h i e v e dt h ev a r i o u sc o n t r o lp o i n t sf o rd a t a a c q u i s i t i o n ，a n dt c 3 5 ii n i t i a l i z a t i o na n dd a t a c o n t r o l ，c o m p l e t e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np a n a s o n i cp l ca n dt c 35 i ，a n dm a i n t e n a n c e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o n i t o r i n gc e n t e ra n dt c 3 5 i ，s e n tt h er u n n i n gs t a t ea n dt h e o p e r a t i o no fp r o d u c t i o na n de q u i p m e n tt om a i n t e n a n c ec e n t e ri nt h ew a yo fs h o r tm e s s a g e w i t ht h er e a l i z a t i o no ft h er e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o n k e yw o r d s ：p l o y m e ri n j e c t i o ne q u i p m e n t ，p r e d i c t i v ep i d ，r e m o t ec o n t r o l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： j 亟：聿日期：二蝴年月6e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：墨! 主 指导教师签名：一一_ 二互。 备 一 日期：2 ，暗年占月6 日 日期：l 沙畅诨多月莎日 中国石油人学( f # 东) 颂f j 学位论文 1 1 课题背景和研究意义 第l 章绪论 随着我国经济的快速发展，能源问题已经成为未来中国经济潜在的危机之一。为了 保障石油资源的可持续发展和安全稳定供给，采用各种方法提高原油采收率，充分利用 现有的石油资源极为重要。 如何提高原油的采收率，成为各国竞相研究的新技术。目前全国各大油田经过长期 的开发，主力油田均已进入高含水阶段，大部分已处于二次采油末期或三次采油的阶段。 三次采油的概念是根据油田开采方式的发展而演变来的。最初利用油藏的天然能量进行 开采，随着开采的进行，油压逐渐减小，直至油井不能自喷为止，这一阶段称为一次采 油，其特点是投资较少，技术简单，利润高，采收率高，但目前此类自喷油田存在较少。 二次采油是指一次采油之后采用注水的方式使油藏能量恢复，使油井维持较长的机械开 采期，此时油田采收率可提高到3 0 - 4 0 。当二次采油末期油田含水上升到经济极限， 再用注水以外的新技术继续进行开采，就叫三次采油，其特点是高技术、高投入，并能 大幅度提高采收率。 三次采油将把油田开发技术带入新阶段，我国具有很大的三次采油潜力。经过十年 左右化学驱油科技攻关和工业应用，不论规模上、年增油量和技术配套上，均走在世界 前列。我国三次采油的高速发展，是在本世纪8 0 年代以后，由于国民经济高速发展需 要大量能源，而老油田陆续进入二次采油中、后期，尤其是9 0 年代以来，产量递减， 产水量大幅度上升，注水效率降低，原油成本上升，而新增石油储量满足不了生产发展 的需要，急需三次采油新技术接替。 注聚合物驱油就是在这种背景下产生的，它是三次采油中普遍使用的一种方法。在 油价不断上涨的今天，聚合物驱油的研究和使用越来越受到人们的重视。注聚合物驱油， 即通过注入聚合物来增加注入水的粘度和降低油层的水相渗透率，改变水油流度比，这 个过程的实现是靠水溶性的高分子，以极小浓度的活性物质在溶液中产生高粘度，调整 注入剖面，改善水驱动波及效率，使水与油能均匀地向前流动，从而大大提高了原油采 收率。国内油田普遍应用的聚合物驱油为水解聚丙烯酰胺( p a m 或h p a m ) ，由于油 层对聚丙烯酰胺分子的吸附、捕集作用，而降低了高、中渗透层或高、中水淹层的渗透 性，扩大了注入水的渗流阻力，使低渗透层或低而未淹层的吸水量增加，扩大了注入水 第1 章绪论 在油层平面上的波及范围和油层纵向上的水淹厚度，从而扩大水淹体积，将水驱时未动 用的原油采出来，达到提高原油采收率的目的。 当前聚合物驱己开始工业化推广应用，比水驱提高采收率l o 左右；复合驱油取得 技术突破，油田矿场先导试验比水驱提高采收率1 5 - - 2 0 ：国产驱油剂已有很大发展， 五种驱油剂已有中试产品，其中三种己开始用于矿场试验。我国当前三次采油面临进一 步提高经济效益，加强油藏精细描述，因地制宜发展新技术和优化三次采油系统工程整 体效益。 聚合物混配装置是用于三次采油的重要地面设备，是高技术含量的机电一体化产 品。它主要是将水和水溶性聚合物干粉定量充分溶解，配制聚合物原液，经熟化搅拌等 后期处理，达到设计所要求的浓度和粘度值，然后注入地下，达到堵水驱油、提高油藏 采收率的目的。作为三次采油中普遍使用的一种方法，自从在油田推广以来，收到了明 显的降水增油效果。仅以大庆油田为例，大庆油田从1 9 9 6 年开始投入使用聚合物驱油 以来，开发面积超过1 0 0 平方公里，油田采收率已经突破5 0 ，实现聚合物驱采收率比 水驱提高1 0 个百分点以上，聚合物驱年产油量超过1 0 0 0 万吨，创造经济效益超过1 0 0 亿元人民币，聚合物驱油是我国老油田高含水后期保持稳产增产的重要措施之一。而注 聚站的自动控制系统大都是以p l c 为控制系统核心，由于注聚站的自动化程度很高， 对自控系统的稳定性、可靠性、安全性要求极严。因为自控系统一旦出现问题，现场值 班员往往束手无策，对出现的问题不能及时处理，严重时会出现冒罐、停注等重大事故， 对注聚站的正常生产运行及注聚效果影响很大，故应设计一套稳定、可靠、安全的自控 系统，同时对运行状况进行实时监控。 由于注聚工程的特殊性( 注入周期短、设备选用多等) ，它仍是一项工程投资大、 运行费用高的复杂系统工程，仍需进一步提高注聚工艺水平，提高设备的再用率，提高 技术水平，降低工程投资。注聚合物装置的自动控制优化设计与相关设备的技术改造， 是决定三次采油整体效益与采收率提高的重要环节。 1 2国内外研究应用现状与存在的问题 1 2 1 国内外研究应用现状 近几年来，国内外有多种注聚合物装置投入使用，但由于设计水平和工艺水平的限 制，使用效果有很大差异3 。我国从2 0 世纪8 0 年代末开始引进国外聚合物分散溶解装 置进行试验，经过1 0 余年的现场应用，基本掌握了各种装置的工艺流程和工作原理， 2二 中国石油人学( 华东) 硕i j 学位论文 并研制出系列化聚合物分散溶解装置。在上料机、计量下料器、混合器、计算机自动控 制方面有所改进和创新，使之更加适应国内现场工艺需求，促进了国内各油田注聚合物 工艺的推广应用。国产聚合物分散溶解装置在品种规格上形成系列化，形式上完全吸收 了引进产品的特点，并且进行了创新；在控制方式上，全部采用可编程控制器n 4 , 型微 机的集散控制系统；配套仪表、阀门、机泵都已达到国外同类装置水平；其自动控制系 统大都是将工控机和p l c 结合，使二者优势互补，组成高性能比的控制系统，实现生 产过程的实时监控和管理。国产装置近1 0 年内已在大庆、大港、辽河、胜利、华北和 河南等油田大面积使用。经多次反复改进和试验，确定了基本形式，完善了规格，使国 产设备的性能满足了现场工艺的需要，其可靠性也逐步提高，某些性能指标超过了引进 设备，更加适应国内油田三次采油需要，完全可以替代进口产品。 2 0 世纪8 0 时年代末国内开始了分散装置的试制工作。经过调查分析，选定了美国 辉瑞公司生产的分散装置作为仿制、试制对象，对其主要原理、结构型式、自动控制程 序、主要技术指标及技术难点等进行技术攻关。其中聚合物干粉溶解的好坏是衡量分散 装置的技术指标之一。关键技术部位包括水流量计、干粉计量下料器和混合头，采用了 喷射式混合头润湿混合，效果较好，且水量可调，现场运行良好。分散溶解部分的自动 控制系统采用先进的计算机和可编程序控制器( p l c ) 组成的小型集散控制系统。具有 计算机全汉化动态画面显示装置的运行状况、故障检测、数据统计、故障报警、历史事 件记录等多项功能，但没有远程维修监控的相关设备进行故障的分析与处理。目前，分 散装置从整机水平看，己达到国外先进水平。 自1 9 9 4 年开始，国内多个厂家进行技术合作，针对运行可靠性技术指标，提出如 下改进措施，并取得了显著的效果。使粘度保留率由原来的8 0 - 9 0 提高到9 5 9 8 ，易损件的使用寿命也大大提高。熟化罐搅拌器，它不仅有一定的搅拌强度，使悬 浮物完全溶解，而且还具有最小的剪切降解率，使溶液粘度保持不变或变化最小。另外， 它还具有在室外环境下长期连续工作的能力，具有良好的可靠性和抗干扰性能。 聚合物驱油技术在东部地区几大油田的现场试验取得了良好结果。试验结果表明， 该工艺可大幅度提高采收率，增加原油产量。平均每注入1 吨聚合物；可增加原油1 5 0 吨以上，提高采收率l o 。由于我国陆相储层的地质条件各异，陆相沉积非均质性严重， 渗透率变异系数一般大于o 5 ，更适合聚合物驱：东部油田原油粘度较高，一般在5 5 0 m p a s 之间，这正是聚合物驱油的最佳粘度。所以聚合物驱油技术在我国得以迅速发 展并且具有良好的应用前景。 3 第1 章绪论 大庆石油管理局在大庆油田和e l fa q u i t a i n e 公司在法国c o u r t e n a y 油田，正在全面 推广和应用就证明了这一点心1 。据有关统计数据表明：自1 9 9 3 年起，大庆的可采油储量 至少增加1 5 0 0 0 万吨，并在今后的2 5 年中，每年的产油量可以增加5 0 0 6 0 0 万吨。在 c o u r t e n a y 油田，在1 9 8 9 - - 一1 9 9 1 的三年中，聚合物驱油增产1 2 万吨以上。2 0 0 3 年大庆 油田聚合物驱年产油量突破1 0 0 万吨，年产油量占总产量的2 0 以上，成为世界上最大 的三次采油基地。 1 2 2 注聚站自控系统存在的问题 注聚站自控系统为保证生产运行提供了保证，但是在某些环节还需进一步，以提高 各设备利用效率，节省成本，提高注聚井采收率。 ( 1 ) 配置站自动控制急需改进口1 。注聚合物工艺流程控制方案不规范，导致可靠性 和安全性不高；控制过程有些繁琐拖沓，不能有效地利用现有设备，不能体现其自动控 制的特点：混配过程出现故障不能根据相应情况及时有效的解决处理，影响正常配注。 ( 2 ) 母液浓度控制不能满足注聚驱现状。目前各油田聚合物配置站p l c 控制系统 对母液浓度控制时主要采用了传统的p i d 控制技术h 1 。传统p i d 控制算法具有算法简单、 鲁棒性好、可靠性高等优点，但将其应用于大时滞的母液配置浓度控制的时候由于其控 制算法是根据实测浓度与期望浓度的偏差作为给定补偿调节项，微分作用也只是在系统 出现明显偏差时起作用，属于事后控制方式，故在控制效果上不能很好地抑制系统的超 调，不可避免的产生母液配置浓度的偏差。另外，各个p i d 参数设置的准确性对装置的 浓度配置精度起着至关重要的作用，目前溶解装置的p i d 参数主要是通过生产经验来设 置的，这就必然存在人为的主观因素。因此近几年来生产中就迫切需要科研人员寻找新 的更精确的设置p i d 参数的方法，但是由于时效、环境、气候及生产的连续性和稳定性 等不确定不可控干扰因素对聚合物的物理性和化学性可以产生很大的影响，寻找更有效 的控制方法存在相当大的难度，新方法应用后均有一定不足之处。 母液配制指标的实现是聚合物驱效果的关键。聚合物驱之初，主要控制母液配制的 浓度值，而在三次采油技术不断完善后，粘度指标成为控制重点，因此，应重新构建分 散装置母液浓度控制模型，使能够精确控制母液浓度，进一步节省聚丙烯酰胺成本并最 大程度的提高石油采收率。 ( 3 ) 抗扰和故障可靠性问题。在生产过程中，虽然工业控制机和可编程控制器本 身都具有很高的可靠性，但如果输入给p l c 的开关量信号出现错误，模拟量信号出现 4 中国油大学( 华东) 硕i j 学位论义 较大偏差，p l c 输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错， 出现由于数据采集干扰导致误报警或报警失灵现象，从而导致某个生产环节的失控甚至 整个系统的瘫痪造成无法挽回的经济损失。为加强生产管理，配制站控制系统应进行升 级和完善，在软件设计上引入先进的控制理论，通过控制器的合理设计，根据生产实际 数据分析整个系统的工作状况，并构造新的控制规律，以确保系统稳定。 ( 4 ) 远程监控。在分布式注聚合物装置控制系统中，通过几年的现场经验证明1 ， 继电器接触器电磁阀等执行器件的故障率相对较高，这些元件本身发生故障时p l c 不 会自动停机，直到故障造成了后果时才会被发现，对系统可靠性的影响很大。所以除了 选用高质量的元器件来提高可靠性，还要充分考虑到故障发生的可能性，在电路设计和 软件编程时对故障率较高的外围器件的工作状态进行反馈和检测。这就需要将离控制中 心较远的下位机采集到的设备运行数据实时地送给维修中心，在出现故障时及时通知维 修厂家，使其尽快赶往现场抢修。当有故障发生时，根据故障部位的重要性和对控制系 统的影响及时采取给出报警信息，避免造成严重后果。这种控制系统要经受通信干扰、 高温等的影响，其工作条件十分恶劣，有的又相距较远，对整个系统的稳定性、可靠性 和抗干扰能力都有较高的要求。对于各生产厂家比较多，故障类型不确定的情况，串行 通信口来说是无法完成的，需要一种便捷的方式完成上述任务。 1 3 论文研究的主要内容与解决的关键技术 1 3 1论文研究的主要内容 ( 1 ) 以孤岛注聚站为例，采用松下p l c 中的f p l 0 s h 为主要控制单元，对油田注 聚合物装置分散溶解单元和罐群单元进行设计，设计出聚合物混配装置的硬件电路和软 件控制程序，实现整个混配过程全自动控制运行。 ( 2 ) 在各控制系统程序中设计去扰，以提高可靠性。针对数字信号和流量、压力 液位等模拟输入信号的实际特点，设计了适应性不同的数字滤波技术；采用一阶惯性滤 波算法剔除液位信号的干扰；利用软件进行可靠性设计。 ( 3 ) 以预测控制理论为基础，采用预测控制方法，将预测模型引入油田聚合物配 置站的聚合物浓度配置控制系统中，将通过预测控制方法根据已有的生产数据预测结果 转化为下粉量的给定补偿，形成一种预测p i d 控制器应用于聚合物配置站的母液浓度配 置控制。 ( 4 ) 实现由松下p l c 和西门子无线通信模块t c 3 5 i 实现的远程监控对生产运行状 5 第1 章绪论 况进行监视，设计无线通信模块控制电路的电源设计和i g t 启动电路；设计电平转换电 路，使其能够与p l c 或计算机的串口相连进行数据通信：利用松下p l c 专用编程软件 f p w i n2 6 1 对各个监控点进行数据采集编程，对t c 3 5 i 进行初始化并进行数据编码， 完成数据的短信息及定时发送，接收端利用v b 编程对运行状态数据进行接收并及时通 知维修人员抢修。 1 3 2 解决的关键技术 采用预测p i d 控制，将预测模型引入油田聚合物配置站的聚合物浓度配置控制系统 中，根据已有的生产数据预测结果转化为下粉量的给定，形成一种新的自调节预测控制 器应用于聚合物配置站的母液浓度配置控制。 同时，首次采用p l c 直接对无线通信模块t c 3 5 i 应用于注聚站远程监控，改变了 以往采用单片机控制该模块受各种环境因素制约的窘境，提高了监控系统的可靠性，也 节省了部分控制成本，便于在各恶劣环境下使用维护。 6 中国石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 第2 章注聚合物混配控制系统 2 1 注聚站混配控制系统 2 1 1 注聚站控制系统组成 根据各站生产实际，注聚站系统可分为清水系统、分散溶解系统、罐群系统、母液 外输系统、注入系统几大部分，实现对母液配制外输过程的系统控制。注聚站系统主要 组成如图2 1 所示。 ( 1 ) 清水系统。清水系统功能上是作为分散溶解系统的服务系统，为分散装置提 供低矿化度清水。系统对水泵电机的控制通过p l c 完成，实现了控制和主电路的电气 隔离，同时系统对电机具有过载保护、缺相保护等功能，提高了设备运行的安全性。 ( 2 ) 分散溶解系统。分散溶解装置的功能是实现清水与聚合物干粉的定量混合、 溶解，具有自动、手动两种运行方式，手动方式主要用于调试、维护、邦联诊断。所有 电机的控制均由p l c 完成，主电路的电源均通过主电源开关、短路保险接入，当出现 故障时，p l c 发出报警信号，操作人员能方便地查出故障点。 分散溶解装置的自动控制是配制站自控系统的核心，每套装置都配备1 个p l c 控 制单元，它既可以独立实现本装置的数据采集、处理和逻辑控制，又可以与其它设备一 起联网。由于它只负责本装置的数据采集和顺序控制，这使得其系统控制逻辑简明，增 强了分散溶解系统的稳定性和可靠性。 ( 3 ) 罐群系统。聚合物溶液的配制是一个连续的过程，其溶液的溶解情况要求均 匀、一致，这是保证配注质量的关键环节。熟化子系统的控制范围是整个配制站的熟化 工艺过程，系统可对熟化罐进行低液位、高液位报警，熟化时间设置。 ( 4 ) 母液外输系统。母液外输系统的功能就是根据操作员的指令，将母液通过外 输泵送到注入站。随着聚合物驱规模的扩大，配制站外输流程在原来的“一泵一站 基 础上，出现了“一泵多站”或者“多泵多站 流程，为达到配制站、注入站协调运转， 在配制站推广使用了变频调速技术，优化了外输系统的运行，同时外输螺杆泵能够连续 稳定运转，延长了设备使用寿命。 ( 5 ) 注入控制系统。注入控制方法相对简单，针对“一泵多站”或者“多泵多站” 流程，在注入站进入母液储罐管路上加装流量调节阀，根据液位设定值，流量调节阀的 状态发生改变，调整进入储罐的母液量，从而保证储罐的液位在一定范围内波动，保证 7 赫2 十 聚f 物t m d c 挣制系绒 向柱鏖泵甲稳供澉。 拿熊謦莱王k 、罐拜单元 罐坪靴触 点 k 2 上& 一匿圄国 图2 - 1 注聚站系统主要组成 f 噼1c o m p o n e n t s o f t h e p o l y m e r 叫e c f i o as t a t i o ns y s t e m 分散溶解系统和罐群系统组成了聚合物混配系统它是滓聚控制系统的核心部分。 聚合物混配装置是注聚合物混配系统中的主要设备。聚合物混配装置一般包括两个单 元：分散溶解单元和罐群单元这两个单元既相互独立又紧密联系，其中每一个单元又 由机械部分和电气自动控制部分组成。整套装置的主要功能是完成干粉储存、输送、计 量、风送、溶解、混配液外输以及搅拌和定时熟化等工作。 2 12 聚台物混配装置流程 聚合物驱普遍采用“集中配液分散注入”的建站模式”1 ，聚合物千粉和清水通过 分散溶解和罐群熟化工艺集中配制成5 0 0 0 m g l 的聚合物坶液，聚合物母液与污水调配 分散注入到各个注聚井中。聚合物配制需要的配比精度高，配液量大，工艺过程连续， 采用闭环控制供水、变频器无绒调逑调值训量下粉、气功送粉和强制混合等技术。 该套装嚣是由2 个溶解峄元和1 个罐群单儿组成的，这种装置适用于额定配液能力 比较大的注聚站，当需要的配液量很人时2 个溶解啦元一，t 以唰时工作，大部分情况下， 般投入一套装霄，另一套装置作为备川。 聚合物混配装置流程示意图如2 2 所示 图2 - 2 聚台物装簧= r = 艺流程 f 噼- 2p r o c e s s o f p l o y m e ri n j e c t i o ne q u i p m e n t 聚合物干粉经行吊卸八干粉料斗山下料器定量给料至射流器，鼓风机产生压缩风 通过射流器将干粉携带经管线送至润湿头与定量的清水接触润湿进入混台罐搅拌混 合，配制成确定的浓度，然后经装置下郝的螺杆泉提升送至溶解熟化罐内搅拌，经过1 9 第2 章泞聚合物混配控制系统 2 h 的搅拌，达到完全溶解( 即熟化) 。熟化后的混合液由转液螺杆泵送入储罐作暂时储 存，由于聚合物粉剂需要经过一定时间才能完全溶解，因此，般采用了3 个熟化罐， 使均匀的粉水混合液一罐一罐的轮流熟化，然后输入储液罐，由储液罐连续供给母液。 母液配好以后，依靠高度差自流进入注聚泵，注聚泵以一定压力和排量将母液送到稀释 管线，与来自增压供水系统的高压清水汇合，母液和高压清水汇合后流经静态混合器进 行均匀稀释，以一定的压力和排量注入井内。 混配液的外输由外输排液泵来完成，外输排液泵的转速可以通过变频器以手动、自 动或程序设定的方式来调节。静压式液位计对罐内的液位高度进行自动连续检测，从而 确定各自控部件的开启与调节。当罐内液位过高时，控制系统自动调节进水量。控制系 统出现故障时，混配液可由溢流口排入站内排污系统。 2 1 3 混配装置组态监控 注聚站现场值班室对混配装置实行设备和运行状态监控，上位机监控系统采用工业 控制计算机为主机、大屏幕显示器为监控界面，监控画面由组态软件编制而成，操作方 便、动态感强，提供了完善的图形环境，可以提供快速的相关画面的显示和调用功能， 生产过程动态反映在微机画面上，作为现场监控，为工作人员提供直观的设备运转状况。 通过组态王软件设计构建聚合物混配计算机监控系统，以立体逼真的画面实时反映 现场设备的运转情况口1 。保证计算机和可编程控制器安全、可靠的通信，通过时动态连 接数据库，历史数据数据库，报警数据库，设备运转数据库，人机对话界面，实现计算 机现场监控的要求。“组态王 这类工控软件在实际应用过程中大都只用作监视，很少 用来进行控制，通过p l c 的数模、模数转换，可以实现对p l c 写数据从而实现对聚合 物混合系统中的计量下料机的下料量和清水罐出水流量的控制。在这个人机对话界面里 用户可简单方便的设定计量下料机下料量和清水罐水流量。 组态王的设备管理增加了驱动设备的配置向导，工程人员只要按照配置向导的提示 进行相应的参数设置，选择i 0 设备的生产厂家、设备名称、通讯方式，指定设备的逻 辑名称和通讯地址，则组态王自动完成驱动程序的启动和通信，可以实现组态软件与 p l c 的直接通信，而不需要人工进行启动。 2 1 4 混配装置各单元间的联系 电气控制系统由溶解单元、罐群单元和中央控制单元等组成，各控制单元分别以其 相应装置作为被控对象并对其进行自动控制，同时将各被控对象的运行和故障信号经综 1 0 中固石油大学( 华东) 硕i ：学位论文 合处理后送至信号箱进行指示或故障报警；罐群单元通过运行允许信号来控制溶解装置 的运行；中央控制单元则实时监控各装置的运行情况，将各装置的运行状况动态显示于 流程画面中，使现场操作人员直观的了解和观察到运行设备的状况。图2 3 表示了各控 制单元之间及控制单元与被控对象之间的关系。 工控机 i 运行允许信号 1r j1r l 溶解单元 运行故障信号罐群单元 r 信号箱 1 千粉低付报警运行盐瞳信号 图2 - 3 混配装置控制单元问的关系 f i 9 2 - 3 r e l a t i o no fp l o y m e ri n j e c t i o ne q u i p m e n tc o n t r o lu n i t s 2 2 分散溶解单元设计 聚合物分散溶解装置主要功能是完成聚合物粉剂的上料、储料、计量下料、混合、 初步溶解和混合液输出等一系列工艺过程。工作过程中，分散溶解装置要保证粉剂计量 下料准确，供水精度误差小，混合均匀，配液浓度稳定( 浓度误差不超过1 ) ，不产 生“鱼眼”等缺陷。聚合物分散溶解装置一般由上料系统、储料斗、计量下料器、供水 系统、混合器、混合罐和搅拌机、混合液输出系统等组成。供水系统控制方式、计量下 料器和混合器形式都将对配置聚合物溶液浓度产生影响，是分散溶解装置中的技术关 键。 2 2 1分散溶解控制系统 分散装置采用各自独立的控制柜进行控制，其控制内容包括装置供水流量及压力的 检测控制和调节，聚合物干粉料位的检测和干粉下料量的控制调节，混合罐的液位检测 与控制。分散装置母液配制量及配制浓度根据要求设定，装置按设定值控制供水量，变 频控制螺旋下料器转速从而达到控制干粉下料量，保证配制母液浓度的精确阳3 。 第2 帝滓聚合物混配控制系统 聚合物分散溶解过程控制采用分布式控制系统，由上位计算机进行集中管理、监控， 由下位机即p l c 网络进行现场设备的控制，实现管理的集中性和控制的分散性。考虑 功能分散、危险分散，且便于维修和技术更新等，控制结构通常分为两级：监控管理级 和现场操作级。底层控制器选用日本松下电工的f p l 0 s h 系列p l c ，为模块化结构、组 态灵活、扩展性强、可靠性高、自带的p i d 调节指令使控制更加灵活、可靠，其程序容 量大、功能强、指令丰富，同时具有体积小、控制精度高、抗干扰能力强等特点；与底 层p l c 采用局部网络通讯技术，工业以太网具有很强的实时性，使自控系统数据传输 快捷安全，而整个系统模块化结构，减轻了控制程序编制、开发、调试的复杂程度，通 讯性能高效可靠。为保证配液生产的持续性，采用双机双工热后备控制；当有异常情况 时，立即声光报警，提供报警信息行，并快速诊断故障原因，同时将故障信息通过s m s 的方式发送到维修中心。 2 2 2 分散溶解设备选取 聚合物溶解单元现场装置主要由溶解罐、静压液位计、混配器、搅拌器、螺杆泵及 由电动阀、调节阀、流量计构成的供水系统等部件组成，其功能是把干粉与水混合后， 经初步搅拌，由螺杆泵输送至熟化罐。 每套聚合物溶解单元现场装置主要设备选取如下：干粉螺旋提升机，0 8 5 m 3 h ， 1 4 k w ，1 套；干粉漏斗，1 m 3 ，1 个：干粉螺旋输送机，1 8 11 0 k g h ，1 1 k w ，9 0 v ，直 流，1 台；鼓风机，2 8 8 3 m 3 m i n ，5 5 k w ，l 台；聚合物及水润湿系统，l 套；溶解罐， 2 m 3 ，1 个；溶解泵，5 1 6 6 7 m 3 h ，0 3 m p a ，7 5 k w ，1 台；排液泵电机，2 2 k w ，2 台； 流量计量及调节阀，o 乱2 1 m 3 h ，1 6 m p a ，4 台；排液泵用变频器f r n 2 2 g 1 1 s ，2 2 k w ； 下料器用变频器f r n 0 7 5 g 9 s ，0 7 5 k w 。 ( 1 ) 静压液位计 为保证液位的准确测量和控制，避免环境影响造成误测和失灵，溶解罐装有高精度 的静压液位计，静压液位计将检测到的液位信号变换成与之成比例的电信号，传到a d 单元，然后送入中央处理单元，与设定值比较，一旦进入上下液位极限，马上发出报警 信号。 ( 2 ) 流量计和调节阀 为保证混配浓度的准确，供水管线上装有电磁流量计和电动调节阀，可保证供水精 度。清水管线中的流量计主要用于检测管线中的水流量，并把数据传给自动控制系统， 1 2 中图石油大学( o # 东) 硕l 二学位论文 电动调节阀接收自动控制系统传来的数据，从而调整调节阀的开度，保证水流量稳定在 一个相对稳定的数值上，从而也保证了混配液的浓度。 ( 3 ) 混配器 混配器由数个喷嘴将水呈扇面状喷射，在混配罩内形成负压，提供下粉的辅助动力， 增大干粉与水的接触面积，同时高速水流还能提供足够的能量打破干粉分子间的势垒， 利于干粉与水的混合，避免凝结和“鱼眼”产生。 2 2 3 溶解单元自动控制系统 溶解单元是注聚合物站的第一部分，完成水和干粉的定量混配，是聚合物配制最重 要的环节，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 溶解单元工艺流程图 r i g z - 4 p r o c e s so fp l o y m e ri n j e c t i o nd i s s o l u t i o ne q u i p m e n t 溶解单元具有手动和自动两种运行方式，手动方式用于系统的调试和维修用于各设 备的测试运行，操作人员可通过控制面板上的开关来控制每一台设备；自动方式用于系 统正常运行，自动方式下系统将按照流程要求，自动执行设定的程序。自动方式下可以 进行各种故障的判断，各部件运行时间的累计，并保存这些信息。自动方式下系统可进 行下列故障的判断：流量计故障、电源故障、超高液位故障、鼓风机故障、变频器故障、 搅拌机故障、下粉器故障、排液泵故障、振动器故障、干粉低位故障等，如果发生上述 故障，系统将做出相应反应，并发出报警，同时对该故障自锁，直到故障排除，按一下 复位灯测试按钮，故障才能完全解除。 1 3 第2 章沣聚合物混配控制系统 2 2 4 系统硬件电路设计 l 聚合物分散溶解装置，其硬件装置主要由2 部分组成：溶解控制柜和现场装置部 分，这两部分通过端子排连接起来。现场信号通过地下电缆进入控制室里的溶解控制柜， 接到控制柜下面的端子排上。下面介绍各组成部分： ( 1 ) 溶解控制柜是控制系统的核心，里面主要设备有p l c 的c p u 模块、i o 模块、 a d 和d a 模块、稳压电源、变频器、继电器、接触器、热继电器等。调试好的程序下 载到p l c 里面后，现场装置将按照p l c 程序执行相应的动作。 ( 2 ) 现场装置来完成整个混配过程，主要设备有料仓、下料器、螺旋计量器、鼓 风机、水泵、供水阀、混配器、溶解罐、搅拌机、排液泵、静压液位计、料位计，它接 受来自p l c 的控制信号，按照程序完成整个混配流程。 ( 3 ) 为了能实时掌握现场的运行状况，上位机可以通过p l c 通信口监控现场。在 值班室配备微机监控，可对电器设备的工作状态、工艺流程的运行情况实施现场监控、 实时报警，提高了自动化程度。 ( 4 ) 针对该p l c 控制系统特点，对p l c 串行连接无线通信模块，将电气设备的工 作状态和运行状况信息发送至维护中心，出现故障则及时通知维修人员，减少损失。 。l n 。l 亦蛹舆 。i 卞蜜：i 加 l 现场信号ha 。l 7 l 圳 i 7 i 义别裔l7 l r 科饥 面板开关 p l c 继电器线圈一继电器触点+接触器 现场开关 r _ - 指示灯显示 电动机 运行标志 t c 3 5 1 监控 图2 5 溶解装置硬件电路框图 n 9 2 - 5 h a r d w a r ed i a g r a mo fp l o y m e ri n j e c t i o nd i s s o l u t i o ne q u i p