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1、第1章 前 言1.1 聚合物驱油简介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，直至天然能量枯竭，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，但油田采收率低。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，使油井维持较长的自喷开采期，此时油田采收率可提高到30-40%。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、高采收率。注聚合物驱油就是在这种背景下产生

2、的，它是三次采油中普遍使用的一种方法。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黏度，从而调整注入剖面，提高了原油采收率。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1996年开始投入使用聚合物驱油以来，开发面积超过100平方公里，油田采收率已经突破50%，实现聚驱采收率比水驱提高10个百分点以上，聚驱年产油量超过1000万吨，创造经济效益超过100亿元人民币，因此注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

3、施之一。1.2 聚合物驱油地面设备聚合物混配装置，是用于注聚合物驱油的主体地面设备，它包括两个单元：分散溶解单元和罐群单元。该装置是高技术含量的机电一体化产品，主要由干粉储料罐、干粉输送系统、清水输送系统、混配罐、熟化罐、液位传感器等组成，来完成干粉储存、输送、计量、风送、溶解，混配液转输以及搅拌和定时熟化等工作。其主要作用在于实现聚合物干粉与水的充分混合，配制成一定浓度、一定粘度的聚合物溶液，经熟化搅拌等后期处理，达到设计所要求的浓度和黏度值，然后按比例与清水或污水混配后注入地下，达到堵水驱油、提高油藏采收率的目的。聚合物混配装置的自动化程度很高，对其自控系统的稳定性、可靠性、安全性要求极严

4、。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。目前，聚合物混配装置的自动控制系统大都是以PLC为控制核心。它采用集散控制系统，底层采用PLC可编程控制器，工作性能稳定可靠，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合处理后送至信号箱进行指示或故障报警。上层采用工业计算机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。第2章 聚合物混

5、配装置的工艺流程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、混配液转输以及搅拌和定时熟化等工作。下面先介绍该装置的各个组成部分，然后说明它的工艺流程，最后介绍它的自动控制系统。2.1 聚合物混配装置的组成 干粉输送及计量部分由料斗、提升机、料仓、螺旋计量器、闸板阀、射流器、鼓风机、振动器、料位计等部件组成，其功能是输送、存储干粉并按设定的工艺参数通过气力输送定量干粉至混配器。着重介绍以下几个部件：（1）螺旋提升机该机螺旋体一般采用整体加工结构，

6、其螺旋面精度高，螺旋导程尺寸精确，螺旋体与外管配合间隙小，输送效率高，整机密封可靠，可以杜绝粉尘泄漏，出料口无落料阻力。（2）料仓采用筒形圆锥结构，集干粉储存、计量、风送为一体，结构紧凑，在料仓的高低位配有料位计，当料位低或高时能发出报警信号或自动停机。（3）螺旋计量下料器采用减速机与螺旋体直联结构，完成一级减速，变频器进行二级变频无级调速，以保证标定干粉的准确可调。料箱采取多重密封形式，严防干粉进入传动系统。闸板阀采用密封形式，可杜绝干粉外漏。 分散溶解部分分散溶解部分由溶解罐、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

7、初步搅拌，由螺杆泵输送至熟化罐。（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，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

8、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 聚合物混配装置的流程首先由人工将袋装干粉向料斗加料，经提升机将干粉输送到料仓，再由螺旋计量器将干粉推入料斗、射流器及风输管线送至混配器。料斗下方有料位计，检测料斗有料情况，以避免提升机无料提升；料仓设有上下料位报警，当料仓料位处于低位时，发出提醒加料信号，如在一定时间内仍不能正常加料，系统将自动停止运行；当料仓料位到达高位时，如果提升机正在提料，系统将自动停止它的工作，并发出料仓满信号。料仓仓壁外侧装有振动器，

9、定期振动，保证聚合物干粉的顺利下行，有助于干粉沿料仓壁面向下滑动，避免“膨料”现象的发生，并有助于提高螺旋计量器输送干粉的计量精度。实际下粉量由下料器电机的转速控制，电机的转速通过变频器调节，为保证下料的精度，应使电机的转速维持在一个恒定值上，为此对转速进行了闭环控制。通过检测电机的转速，与给定的转速比较，由PLC实现PID算法，计算出的调节量经D/A控制变频器，进而控制电机的转速。干粉由鼓风机风送至混配器，如前所述，混配罩内是负压，干粉与高速水流可以充分接触。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，从而调整调节阀的开度，同时通过变频器改变干粉的下料速度最终达到

10、确定的配比液浓度。通过混配器进入溶解罐的混配液，还未完全溶解，只是处于润湿状态，采用搅拌器搅拌，促进其溶解。当混配罐内液位达到一定位置时，搅拌机开始搅拌，并在低于设定的停止液位时自动停止工作；螺杆泵用于把罐内液体输送到熟化系统中去。在自动状态下，溶解罐内的液面高度达到一定数值时，螺杆泵才启动。由于该泵为容积泵，在泵出口处按装了安全阀。当输出管线压力过高时，安全阀自动开启泄压，液体回流罐内，这样使螺杆泵在工作时不过载，达到保护泵及电机的目的。混配液的外输由排液泵来完成，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

11、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。聚合物混配装置流程示意图如2-1所示。该套装置是由2个溶解单元和1个罐群单元组成的，这种装置适用于额定配液能力比较大的注聚站，当需要的配液量很大时，2个溶解单元可以同时工作，大部分情况下，一般投入一套装置，另一套装置作为备用。图2-1 聚合物混配装置工艺流程2.3 自动控制系统分析2.3.1 控制系统概述注聚装置采用分布式控制系统、C-NET网络连接方式；底层控制器采用欧姆龙PLC可编程控制器，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；上位机监控系统

12、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，与底层PLC采用网络式通讯结构，通讯性能高效可靠5，如图2-2所示。中央控制单元信号箱罐群单元溶解单元2溶解单元1图2-2 注聚装置自控系统各组成单元2.3.2 控制系统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

13、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。工控机溶解单元罐群单元信号箱干粉低位报警运行/故障信号运行允许信号运行故障信号图2-3 注聚装置控制单元间的关系2.3.3 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，是聚合物配制站最重要的环节，如图2-4所示。图2-4 溶解单元工艺流程图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，自动方式用于系统正常运行。（1）手动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。（2）自动运行方

14、式自动方式为系统的正常运行方式，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。第3章 可编程控制器的选型本章先对课题设计中所用到的核心的控制部件可编程控制器及所选用的欧姆龙系列PLC做一简单的介绍，然后说明选用的可编程控制器的型号，最后介绍

15、用于欧姆龙系列PLC的编程软件CX-Programmer。3.1 可编程控制器概述聚合物分散溶解装置采用可编程控制器作为整套设备的控制核心。可编程控制器是一种迅速崛起的现代控制设备。它结构简单、编程简单、操作方便，还可以将计算机的许多功能与继电器控制系统结合起来，通用性强。由于可编程控制器拥有很多的优点，使得它在钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车卸载、造纸、纺织、环保以及娱乐等各行各业得到广泛的应用，与机器人和CAD/CAM并行构成现代工业自动控制的三大支柱。可编程控制器的优点主要有：（1）抗干扰性能强，稳定性及可靠性很高。主要体现在： 输入、输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能

16、力。 主机的输入电源和输出电源均相互独立，减少了电源间的干扰。 采用循环扫描的工作方式，提高了抗干扰能力。 内部采用“监视器”电路，以保证CPU正常可靠的工作。 采用密封、抗震、防尘的外壳封装，能够适应恶劣环境。（2）采用模块化组合式结构，使系统构成十分灵活，可根据用户需要任意组合，易于维修，易于实现分散式控制。（3）编程语言简单易学，便于普及。PLC采用面向控制对象的编程语言，简单、直观、易学易记，适于在工矿企业中推广。（4）可进行在线修改，柔性好。正是由于这些优点使得PLC在工业自动化中受到广泛的欢迎，近年来，在工业中应用日益普遍10。3.2 欧姆龙CJ系列PLC概述日本OMRON（立石公

17、司）电机株式会社是世界上生产PLC的著名厂商之一。欧姆龙系列的PLC种类齐全，指令系统功能强大，能够处理复杂的控制过程，该公司以良好的性价比占据了我国PLC市场的较大份额。聚合物分散溶解装置的控制系统使用的是欧姆龙的CJ系列可编程控制器，现在介绍该系列相关产品的特点和相关的软硬件知识12。欧姆龙新推出的CS/CJ系列PLC，无论是在性能、功能及扩展性方面均有卓越的表现。纳秒级的指令执行速度，多达四层的网络架构支持三层网络间的无缝信息通信，以及可以实现各种基于PLC的系统扩展，如：基于PLC的过程自动化系统、高精度定位及运动控制和远程监控系统等。目前新面世的V3.0版本的CPU单元又增加了功能块

18、（FB）支持功能，功能块逻辑可写入结构化文本（ST），并符合IEC61131-2标准，使得梯形图程序中难以实现的处理变得容易解决。CJ1系统可以工作于24V DC电源或者100240V AC电源。对于以数字量为主的小型系统也可以使用一个低成本的小容量电源单元。根据CPU的类型，最多有三个扩展机架可以连接到CPU机架上，最大可以扩展到40个I/O单元，每个系统的扩展电缆长度最长可到12。3.3 PLC型号的选择CJ1系列可编程控制器包括以下几个模块包括CPU模块、开关量I/O模块、模拟量输入输出A/D和D/A模块、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.3.1 CPU及开关量

19、I/O模块的选择（1）CPU模块选用的是：CJ1M CPU-11，这种类型的CPU支持的最大I/O点数为160点，其程序容量是5K步，数据容量是52K字，逻辑处理速度为100ns，支持的最大I/O单元数为10。（2）开关量输入单元选用的是CJ1W-ID211，它支持的点数为16，其工作电压为24V DC。（3）开关量输出单元选用的是CJ1W-OD211，它支持的点数为16，其工作电压为1224V DC。3.3.2 A/D和D/A的选取PLC用于工程控制时，只能处理数字量信息，因此，输入若为模拟量，则需要用到可编程控制的专用高级单元A/D单元，将模拟量转换成数字量，经CPU处理后输出。输出量再经

20、过D/A模块，将数字信号转换成模拟信号，用来控制执行机构动作。（1）A/D的选取模拟量输入单元选用的是CJ1W-AD041-V1。该A/D单元有4个输入通道CH0CH3。A/D单元的各项主要技术参数为：输入信号范围：电压：05V，15V，010V，-1010V，电流：420mA；数字输出范围：-4000+4000或08000；分辨率：1/4000，但可以在特殊I/O单元DM区域将分辨率设置成8000；隔离方式：光电耦合；转换时间：250s/点；精度：室温下为±0.5F.S.（满程）；A/D单元的电压和电流输入通过在接线板后面的电压/电流开关来选择，使用前板上的单元号开关来设置单元号。

21、数据通过特殊I/O单元区域（用来操作单元的数据）和特殊I/O单元DM区域(用来进行初始设置的数据)在CPU单元和CJ1W-AD041-V1模拟量输入单元之间交换，所以要对这些特殊I/O单元DM区域写入控制字13。（2）D/A的选取模拟量输出单元选用的是CJ1W-DA041V。该D/A单元有四路输出通道CH0CH3。D/A单元的各项主要技术参数为：数字输入范围：10V：K=±2000，15V，05V，010V，420 mA：K=04000；模拟输出范围：电压：05V，15V，010V，-1010V，电流：420mA；分辨率：1/4000；隔离方式：光电耦合；转换时间：1ms/点；精度：

22、室温下为±0.5F.S.（满程）；D/A的每个模拟量输出单元将占据特殊I/O单元区域和特殊I/O单元DM区域字地址，这需要通过单元前板上的单元号开关进行设置,并对这些特殊I/O单元DM区域写入控制字，以便完成CPU单元和CJ1W-DA041V模拟量输出单元之间的数据交换 13。3.3.3 CJ1通信单元的选取CJ1既提供标准的开放网络接口，也提供高效率的、高速的专用网络联接。PLC与上位信息系统间的数据联接可以使用串行或者以太网连接，也可以使用简洁明了的Controller Link网络。在本课题中选用的是Controller Link通信方式，它选用的通信协议是欧姆龙所专有的。用双

23、芯双绞线连接，其传输速率可达2M/s。3.4 编程软件CX-Programmer介绍CX-Programmer是一个用来对欧姆龙系列PLC进行编程和设备配置进行维护的工具，它在微软Windows环境下运行，操作方便。作为欧姆龙PLC的编程软件，它具有以下显著的特点：（1）在单个工程中支持多个PLC。（2）在单个工程中支持多个应用程序。（3）在单个工程中支持多个任务，因此可以实现模块化编程。这对于一直以循环扫描为工作方式的PLC来说，提供了很大的方便。本课题的程序编制就分成了几个任务分别编制，增强了程序的可读性。（4）以工程层次的形式分层显示一个工程的内容（比如，符号、IO表、PLC设置、记忆卡

24、、错误日志、PLC内存），这些内容能够被直接访问。（5）可以通过欧姆龙CX-Server应用支持全面通信。第4章 控制系统设计4.1 系统硬件电路设计 系统硬件装置概述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PLC的CPU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PLC里面后，现场装置将按照PLC程序执行相应的动作。（2）现场装置来完成

25、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PLC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PLC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。各部分之间的关系可用图4-1表示。监控室控制柜接线端子现场装置图4-1 溶解装置各部分间的关系4.1.2 系统硬件电路设计（1）系统硬件电路框图系统硬件电路框图设计如图4-2所示。接触器 可 编 程 控 制 器PLC现场信号继电器触点变频器电动

26、机测速电机静压液位计FBSA/D面板开关现场开关运行标志开关量输入指示灯显示D/A继电器线圈图4-2 溶解装置硬件电路框图硬件电路包括2部分：主电路和控制电路。主电路即框图的上半部分，主要功能是完成电动机的启停和运行；控制电路即框图的下半部分，以PLC为核心，使主电路按程序要求动作，完成整个工艺流程。（2）系统硬件电路分析现场模拟信号有2个：下料器电机的转速和溶解罐的液位。下料器电机的转速直接决定了下粉量的多少，为了提高控制精度，对转速进行闭环控制。采用与下料器电机同轴相连的测速发电机作为速度测量机构，将转速变换成与之对应的电压信号，速度变换器（FBS）用于将测速发电机的输出电压信号进行衰减，

27、变换成A/D可以接受的电压信号。液位的测量采用高测量精度静压液位计，将液位的高度变换成与之对应的电流信号，送入A/D中。开关量输入包括面板开关、现场开关、设备的运行标志信号等。面板开关主要包括手动自动切换开关、手动操作时的开关、故障时复位按钮；现场开关主要是提升机的运行停止按钮，为了现场操作的方便，提升机的开关安装在现场；设备运行标志的输入主要是继电器的触点，继电器吸合后，对应的常开触点闭合，通过这个输入位可以了解到设备的运行状况并可以进行相应的故障检测。各种输入信号进入PLC，然后按照预先设定的程序，当满足条件时，控制相应的继电器动作。继电器动作使得常开点闭合，接触器线圈通电，其主触点闭合电

28、动机运行，同时面板上对应的指示灯显示。经过D/A的模拟量输出控制变频器，变频器根据PLC计算出的调节量自动进行频率调整，使下料器电机的转速维持在一个恒定的值。（3）电路的工作原理说明下面以鼓风机的运行为例，详细说明电路的工作原理。KHKAKMSBKHKMKAKMQAMEX0COMX1COMPLCY1Y0E3图4-3 鼓风机控制电路接线图鼓风机控制电路接线图如上图所示。三相电源经空气自动开关、接触器、热继电器后接鼓风机，构成主电路。手动操作时，按下面板开关，X0检测到信号输入，则继电器KA吸合，对应的常开触点闭合，接触器线圈KM得电，主电路中常开触点闭合，电机运行，同时向PLC输入一个运行标志位

29、，即X1。这个标志位有2个作用，一是鼓风机运行的指示信号，二是可以作为故障检测，当继电器吸合，而没有检测到这个标志位，这种情况持续3秒以上即视为故障。同时PLC还会有一个指示灯的输出，在面板上很清楚的看到设备的运行状态。自动操作时，X0不接受面板上鼓风机开关的输入，而是在满足自动运行的条件时，把X0置位，不满足运行条件时把X0复位。其它的动作过程和手动操作时完全一样。以上以鼓风机为例，详细介绍了电路的接线与动作原理，其它设备如提升机、搅拌机、振动器的接线及控制思想与鼓风机的类似，下料器、排液泵在主电路上与鼓风机略有不同，区别在于它们用变频器取代了接触器，变频器同样接受来自继电器的动作信号，所以

30、从根本上来说控制思想是一致的。4.1.3 系统供电设计由于系统设备较多，有动力设备、中间继电器、指示灯、测量设备，且在控制柜里有交直流电同时存在，为了便于接线和故障查线时比较容易地分清各个回路，故需要把系统的电源供给情况简单说明一下。系统中各设备交直流供电分配情况如图4-4所示。从电网来的三相电供给电动机和变频器运行，其中的一相给PLC电源模块和接触器线圈。经过整流后的交流电被稳压在直流24V，直流电作为传感器的工作电压，A/D和D/A模块的工作电压，开关量输入的高电平基准电压，继电器吸合和指示灯显示的工作电压。电网交 流 220 伏PLC电源电动机变频器接触器面板开关现场开关继电器指示灯传感

31、器AD/和D/A整流 直 流 24 伏图4-4 系统供电分配4.1.4 系统抗干扰措施由于本课题来源于工程实践，因此必须要考虑现场的实际情况，为了提高系统的可靠性，采取了以下的抗干扰措施：（1）输入设备抗干扰在布线时，PLC的交流线与直流线应分开走线。开关量与模拟量的输入/输出线也要分开敷设，后者最好使用屏蔽线。输入/输出线与系统动力线更要分开布线，并保持一定距离。（2）PLC的输出电路PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果超过了规定的最大限值，必须外接继电器或接触器，才能正常工作。考虑到有的输出控制电动机，而电动机的功率比较大，超过PLC的允许带负载能力，故首先外接了继电器，然后用继电器控

32、制接触器的线圈，最后接触器的主触点来控制电机的启停。（3）PLC的接地良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件，PLC系统接地的基本原则是单点接地，即将整个装配表面接到低阻抗地的参考点，这个连接应具有极低的直流电阻（<100）和高频阻抗。为了抑制附加在电源及输入线、输出线的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其它设备分开。（4）变频器的接地由于在控制柜中引入了变频器，而变频器对模拟量信号的干扰十分严重，所以应对变频器单独接地，合理布线，避免或减小干扰的影响，提高系统控制的可靠性8。4.2 PLC控制程序设计4.2.1 溶解装置控制系统要求溶解装置控制系统要能实现以下功能：（1）

33、清水的自动输送；（2）料仓高低位的自动检测；（3）干粉的提升；（4）干粉的精确下料控制；（5）干粉的风送；（6）混合液的初步搅拌；（7）溶解罐高低液位报警；（8）混合液的转运输送；（9）能进行各种故障检测；（10）能累计各设备的运行时间。4.2.2 程序设计整体框图（1）模块化编程根据欧姆龙PLC的编程特点，它在一个工程中支持多个任务，因此把整个控制程序分成几个小任务分别编制，使其读起来更加方便，这几个任务包括：手动运行，自动运行，继电器控制，故障检测，指示灯显示，数据采集和参数设定，干粉的闭环调节，运行时间累计。（2）各模块之间的联系几个主要的模块之间的联系如图4-5所示。YN置手动标志位置

34、自动标志位继电器控制有故障否？置故障标志位指示灯显示手动运行自动运行图4-5 各子模块间的关系手动运行和自动运行只是当动作条件满足时，将相应的输入置标志位。手动和自动运行时，分别置输入状态的标志位，它们共同控制继电器的动作，继电器动作使得常开点闭合，接触器线圈通电，其主触点闭合电动机运行，同时，利用设备运行标志位和继电器的动作状态是否一致来进行故障判断。当设备正常运行时，指示灯以平光显示，故障时以1s的频率闪烁报警。由于系统的参数比较多，所以单独把系统的参数设定单列为一个单元，这样便于以后参数的修改。干粉的闭环调节也单独作为一个任务，增强了程序的可读性。为了能了解设备的使用状况，便于检修设备，

35、需要统计主要设备的运行时间，因此加入了运行时间累计这样一个任务。采用多个任务块编程，使程序结构清楚，可读性强，调试方便，出现故障时便于查找错误，并且程序移植性好，这是欧姆龙系列PLC在梯形图编程方面的一大特色。4.2.3 系统主程序设计（1）手动与自动控制根据工艺要求，考虑系统的可靠性和生产的连续性，控制系统设计为手动控制和自动控制两种工作方式。在手动控制方式下，通过控制柜面板开关、按钮分别操纵各执行机构动作，主要用于系统调试、维修或事故操作，以确保注聚井注液的连续性。自动方式为系统的正常运行方式，也是注聚装置自动控制系统最核心的控制程序。在自动运行的工作方式下，所有动作按程序流程由PLC控制

36、自动完成。系统在自动运行过程中，系统除了按照下面流程图的顺序动作外，还将自动进行各部件运行时间的累计、存储，自动监测各故障输人点，一旦发现故障，如鼓风机故障、变频器故障、下料器故障、搅拌机故障、排液泵故障、干粉低位等故障中的任一故障，系统将根据工艺规定的故障级别，自动进行急停、延时顺停或提示等操作，并发出相应的声光报警信号，同时该故障自锁，直到故障排除后按控制面板上的复位/灯测试按钮，系统再继续自动运行。系统自动运行关的时候，为了使管线中没有残留干粉，要让鼓风机多运行一段时间，在收到关信号时，延时50s后再停鼓风机。系统主程序设计流程图如图4-6所示。自动运行状态的流程说明：在切换到自动运行方

37、式的时候，首先检测罐群允许信号，若罐群允许，则进入自动运行状态，否则，继续等待。自动运行时，先开鼓风机，调节阀，提升机。先开鼓风机是为了给装置干燥通风，便于干粉的输送；调节阀从开到其开到位，大概需要40s；提升机的运行受料仓信号的控制，若处于高料位状态，则提升机不动作。开调节阀后延时20s启水泵，约经过60s水流量可以稳定，这时开下料器，同时调用粉量闭环子程序，达到下粉量的精确控制。随着时间的累计，溶解罐液位上升，达到搅拌机启动液位时开搅拌机，达到排液泵启动液位时启排液泵。当液位低于搅拌机的停止液位时，停搅拌机，同样当液位低于排液泵的停止液位时，停排液泵。NNYNNNNYYYYN手动自动复位/

38、灯测试开始工作方式选择罐群允许开鼓风机、供水阀开提升机料高否延时20s开水泵延时50s开下料器到搅拌液位？开搅拌机到排液液位？开排液泵下粉量闭环控制手动子程序停机否结束延时50s关鼓风机到排液低位？停排液泵Y到搅拌低位？停搅拌机Y图4-6 系统主程序流程图需要指出的是，搅拌机和排液泵要达到启动液位，才会执行动作，这是保护搅拌机避免因空转而损坏，为避免排液泵在无液情况下旋转而烧坏所采取的程序保护措施。（2）故障检测电动机运行时会向PLC输入一个运行标志，若检测到该运行标志与继电器的状态不一致，并且这种状态持续3s以上即视为故障。把几种严重的故障作为急停标志，一旦出现这种故障系统立即停机。（3）指

39、示灯显示灯测试时，按下复位/灯测试按钮后3秒钟，指示灯全亮；各设备工作正常时，指示灯发平光；当设备出现故障时，指示灯为1s间隔闪烁报警；溶解罐液位低于极限低位或者高于极限高位时，发出声光报警；料仓低位有报警信号，若没有及时加料以致料仓空时系统会自动停机。（4）时间累计考虑到注聚装置的实际工作情况，需要每隔一段时间对设备检修维护，统计各设备的累积运行时间就非常有必要。在程序中，以分钟为单位进行累积，把各设备运行时间存放在PLC的数据区里面，可以很方便的查询。4.3 下粉量的闭环控制4.3.1 PID控制算法介绍下面先分析两种常用的PID控制算法。y(k)u(k)e(k)r(k)PID控制器被控对

40、象图4-7 闭环控制系统框图一般的闭环控制系统结构框图如图4-7所示。在计算机和可编程控制器中，需要使用数字式PID。但数字式PID源于模拟式PID，模拟式PID的计算公式为：=+ （4-1）写成传递函数形式为：=1+ （4-2）控制器输出系统给定值与反馈值之间的偏差控制器比例放大系数控制器积分时间常数控制器微分时间常数数字PID控制器又常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，以及在此基础上改进的积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。位置式PID控制算法数字算式为：=+ （4-3）=+ （4-4

41、）用式（4-3）减去式（4-4）得到PID增量式控制算法的算式：=+=(1+)(1+)+ （4-5）可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了、，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由式（4-5）求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的是控制输出的增量,即=+。就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别，增量式控制只是在算法上作了一些改进，却带来了不少优点：计算机输出增量值，所以误差动作影响小，必要时可根据逻辑判断加以删除；手动/自动切换冲击小，便于实现无扰动切换；算式中无累加，计算方便。但是增量式PID控制算法也有其不足：积分截断效应大，有静态误差；溢出影响大

42、。因此，一般认为在晶闸管做执行器或控制精度高的系统中，用位置式PID控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中可采用增量式PID控制算法15。PID控制器各个校正环节的参数设置对系统的影响是不一样的，简单来说，PID控制器各个校正环节和控制参数的作用如下：（1）比例环节：及时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立刻产生控制作用，以减少偏差。增大比例系数可使系统的动作灵敏，速度加快，但太大时，系统会趋于不稳定。若太小，又会使系统的动作缓慢。同时，增大可以减少稳定误差。（2）积分环节：积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。越大，积分作用越弱，控制器越趋向

43、于纯比例控制；越小，消除余差的能力越强，系统越趋向于不稳定。（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。微分控制可以改善系统的动态性能，减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。4.3.2 下粉量闭环控制设计（1）下粉量闭环结构原理图下料器电机测速发电机FBSA/DPLCPID算法D/A变频器下粉量闭环的目的在于使电机的转速维持在一个恒定的数值上，采用与下料器电机同轴相连的测速发电机作为速度测量机构，将转速变换成与之对应的电压信号，速度变换器（FBS）

44、用于将测速发电机的输出电压信号进行衰减，变换成A/D可以接受的电压信号，其结构原理图如图4-8所示：图4-8 下粉量闭环结构原理图（2）PID算法的选择综合比较两种算法，最终选择是增量式PID算法，如式（4-5）所示：=(1+)(1+)+ （4-5）A=(1+)令 B=(1+)C=则：=AB+C （4-6）式（4-6）即为PLC编程选用的PID算法公式。（3）下粉量闭环控制程序流程图根据所选用的PID算法公式，再将其按如下的流程转化为PLC的编程语言，即可实现下粉量的闭环控制，下粉量闭环控制的程序流程图如图4-9所示。Y计算参数A、B、C开始设初值 e(k-1)=e(k-2)=0，u(k-1)

45、=0本次采样输入r(k)>y(k)NYe(k)=r(k)-y(k)u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)u(k)=u(k-1)+u(k)e(k)=y(k)-r(k)u(k)=Ae(k)+Be(k-1)-Ce(k-2)u(k)=u(k-1)-u(k),e(k)取反输出u(k) 为下一时刻作准备：e(k-1)e(k-2)，e(k)e(k-1)，u(k)u(k-1)采样时刻到N图4-9 下粉量闭环调节的程序流程 闭环调试步骤及结果（1）调试步骤由于本课题是胜利油田总机械厂的的工程项目，因此很多处理方法不同于实验室的建模、仿真等一般的处理步骤，很多都是按照工程的思想进行处理的。在闭

46、环调节这一部分中，确定、参数的值并不是采用的理论计算整定法，而是工程整定方法。工程整定主要由三种方法：临界比例法、反应曲线法和衰减法，三种方法各有其特点，其共同点都是直接在控制系统中进行试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定，方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。下面以临界比例法为例来说明整定这些参数的一般步骤。 确定比例增益确定比例增益时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令=0、=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益，设定PID

47、的比例增益为当前值的60%70%，比例增益调试完成。 确定积分时间常数比例增益确定后，设定一个较大的积分时间常数的初值，然后逐渐减小，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大，直至系统振荡消失。记录此时的，设定PID的积分时间常数为当前值的150%180%。积分时间常数调试完成。 确定微分时间常数微分时间常数一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定和的方法相同，取不振荡时的30%。 系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至控制指标满足要求。（2）调试结果根据工程经验，PID参数的确定首先要考虑控制对象的惯量。结合一下实际的被控对象，在下粉量闭环控制中，最根本的控制对象还是下料器电机的转速，而下料器电机的功率也只有0.12KW。因此，我们可以把闭环控制系统看成一个小电机带一螺旋计量器进行的转速闭环控制，可将其视为一个小惯量控制系统。对