北十四聚合物配制站自控系统升级改造研究

一、概述 北十四聚合物配制站投产于1995年，设计能力为年配制聚合物干粉1.57万吨，该站是聚合物驱油的源头，为10座注入站、1座三元配制站提供母液，涉及开采区块面积大、产量多，生产地位非常重要。工艺流程主要包括供水系统、分散溶解系统（共8套分散装置）、熟化系统（共15座熟化罐）和外输系统，由于聚合物配制精度要求较高，工艺操作复杂，具有大量的开关操作和调节操作，用人工控制不能满足生产要求。因此，自投产之日起，便全面采用自动控制运行。 二、原自控系统状况及存在问题 （一） 原自控系统运行状况 1.工艺状况 本站分散熟化系统共分为A（三元）、B、C3个系统，可独立运行。每组有一个储罐，5座熟化罐，2套分散装置。另有2套分散装置可为3组运行设备备用（工艺流程见附图），工艺流程原理图如下： 低矿化度清水首先由水罐进入清水系统（目前加热器即换热器已停用），自控系统控制变频器启停离心泵及控制泵转速，从而保持恒定流量的清水进入分散系统； 在供水压力达到0.4-0.5MPa，干粉及电力条件都具备的情况下，分散装置按照要求的配液浓度进行自动生产，配液浓度可调，误差小于±5%。然后按顺序启动装置内的给水电磁阀、鼓风机、搅拌器、给料机、输送泵等设备，并按控制程序对上述设备进行控制。 分散装置运行后，自控系统将选择一座到达所设空罐低液位时间最长的熟化罐，打开其进口阀门，并向该罐输液。当进液熟化罐液位达到所设定的高液位时，即向另一个达到设定空罐低液位时间最长的熟化罐供液，先打开其进口阀，再关闭已满熟化罐的进口阀，若无空罐，则分散装置自动停止工作。从液位到达所设定的高液位时开始计熟化时间和搅拌时间，停止计空罐时间，并清零。当搅拌时间达到设定时间间隔（可调），搅拌器停止工作。 当储罐液位达到低液位时，自控系统应选择搅拌时间要求，且熟化时间最长的熟化罐，开启出口阀，启动转输泵。当储罐达到所设的高液位时，或打不开下座熟化罐的出口阀时，转输泵停止工作。外输泵采用手动方式控制向注入站输送母液。 自控系统定时打印生产报表，其中包括各设备累计运行时间，每天运行时间，水、PAM用量，配液量及配液浓度等，同时打印。 2.自控系统状况 原自控系统是日本欧姆龙公司生产的C200H系列产品，全站共有PLC控制器16套，每套控制器都包括数据采集、实时通信和开关量控制输出，其中分散系统8套，熟化系统4套，供水、外输系统2套，网络控制器2套。 （二）存在问题 1.控制系统附属一次仪表设备、元件老化，采集信号失真，维修无配件。 2.控制系统的控制器、I/O模件老化，导致系统无故死机或网络中断，造成停产。 3.系统软件核心技术我厂不掌握，存在不适应生产的程序无法修改，只能部分采用手动。 4.系统接线、原理等图纸不全，系统维修、维护困难。 （三）升级改造的必要性 由于上述问题，该控制系统运行故障率较高，从97年开始就陆续出现死机现象，给生产造成一定的影响，尤其是2002年10月，控制系统死机时间长达两天，给生产造成了较大影响。并且我厂自控系统维修人员难以介入该系统的维修工作，投产以来一直依靠设备厂家进行维修，给自控系统的维修、维护和生产管理造成诸多不便。 针对这一情况，我厂决定成立攻关项目组对北十四聚合物配制站自控系统进行全面升级改造，并利用这次机会让本厂维修队伍全面介入，为今后北十四聚合物配制站安全平稳运行和日后维修维护工作打下良好基础。项目组由副厂长、总工亲自组织，由油田管理部、采油矿、规划设计研究所、工程技术大队、基建管理中心、物资管理部等单位组成，并分成了电气调查、工艺调查、方案编审、程序编制、现场施工等若干小组，工作系统性较强，每一项工作环环相扣，各个小组按照计划开展工作。 （四）技术难度分析 1.该自控系统是油田各类站库中工艺最复杂、逻辑控制要求严格、相关程序连琐条件最多的系统。 2.本次改造为生产运行中改造，不同于新建站所，真正利用的停产时间极短，在系统安装运行时，完全没有时间进行错误查找和更正。一旦长时间停产，涉及开采区块面积大，影响原油产量多。 3.该系统对安全可靠性要求高，要求一次性成功投产，投产后，要求故障率低，长期平稳可靠运行。 4.本厂队伍不掌握原系统的组态程序，不了解工艺控制原则，相关技术资料、接线图纸不全。 5.该系统规模庞大，所控电气设备、一二次仪表数量多，具有16个控制器、96个I/O模块、1128个I/O点数，11000多个电气接点，若想完成系统升级改造，必须查清每一根接线，每一个电气设备、一二次仪表及电气接点。 以上诸多因素给本次自控系统升级改造增加了很大困难，在厂领导的带领下，攻关项目组不畏困难，科学思考，周密计划，针对各种困难制定对策，按步骤完成每一项工作。 三、自控系统升级改造情况 （一）确定设计方案 总体设计原则：将原系统控制器全部更换，采用结构尺寸与之相似、接线方式一致的其它型号的PLC控制器，控制系统原外围设备部分更新，控制柜内保持不变，控制软件重新编制。 考虑到安装体积、工艺流程特点和价格因素，北十四配制站自控系统升级改造采用AB公司的产品，共有4种方案，由于FliexLogix系机架最多只有8个槽，而I/O点最多只有8点，从体积上考虑我们不选用此系列。采用SLC500控制器的一种，采用Control Logix系列的三种。这两种控制器支持的通信网络形式有以太网、ControlNet网和DeviceNet网。 1.控制器性能对比 SLC5/05处理器为16位CPU，输入输出点数最高为4096点，由于内存的大小不同而分为L551（16K），L552（32K），L553（64K），都集成了内置的以太网和RS232。在线编程功能，编程软为RSLogix500。 ControlLogix处理器为32位CPU，最多128000个数字量I/O最多4000个模拟量，即可以控制本地I/O，也可以通过网络控制远程的I/O。ControlLogix分为Logix5550和Logix5555，Logix5550根据内存的不同又分为1756-L1（160K），1756-L1M1（512K），1756-L1M2（1M），1756-L1M3（2M）。LOGIX5555分为1756-L5512（750K），1756-L553（1.5M）1756-L55M14（3.5M），1756-L55M16（7.5）。1756-L55控制器是最新的ControlLogix控制器。虽然1756-L1控制器仍可定货，但1756-L55控制器执行运动控制指令和功能块时要比1756-L1控制器快30％，而且比1756-L1控制器更大的内存。编程软件为RSVIEW32，比较RSLogix500软件编制迅速、便捷。因此Control Logix系列控制器性能优于SLC500控制器。 2.通信网络性能对比 TCP/IP以太网是一局域网，用以实现计算机和相关设备之间的高速信息交换。带宽为10Mbps/100Mbps。这种网络不提供冗余功能，而且对信息的响应不够及时。 DeviceNet是一种开放的、用于工厂现场层的现场总线，他能实现各种现场工业设备和高层设备之间的互联。这种网络也不提供冗余功能。 Control Net网络特点 1）这种网络具有冗余功能。但是须加专用通讯模块才提供冗余功能。网络冗余可以提高系统网络的安全性，一旦一个网络不能正常通讯会自动切入另一个网络执行通讯任务。 2）5Mbps的数据传输率不会随网络距离延伸而衰减，通讯电缆使用同轴细缆可达6KM。 3）实时性好，响应快。C网在克服可编程控制器扫描时间的局限性有了突破。扩充了一个称为“高速确定性网络”的方式，来解决那些对时间有苛刻要求的信息传输。 此种网络对工业控制非常适合。根据现场工艺的要求，通信网络必须提供冗余功能，所以必须采用ControlNet网络形式进行组网。 3.模块特点 SLC500 I/O模块均在内部线路和现场之间提供光电隔离，具有抗干扰能力，并且避免了由于现场连线电气故障而导致的系统受损。带熔丝和电子保护功能的固态输出模块，避免了用户需要替换因短路和过载而损坏的模块，但此系列模块不支持带电拔插功能，给较大系统带电维修造成困难。 ControlLogix I/O 模块具有带电拔插功能。有一些模块具有诊断功能或单独隔离的输入或输出。具有报警功能、电子式熔断、时间标记、电子模块识别。因此ControlLogix I/O 模块较SLC500 I/O模块适于北十四配置站自控系统。 4.设计方案选择 （1） SLC500的双网络方案 这种方案，网络形式如图1。数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、脉冲量计数模块等模块，AB公司的SLC500系列中都有相应的模块来代替欧姆龙的模块。该方案的通讯模块是专用的1747-KFC15模块。共使用16块，这种方案需设备费用为120.7414万元，用户软件为14.0000万元，合计费用为134.7417万元。 （2）ControlLogix 两CPU软件冗余方案 本方案选用AB公司的1756-L55M12控制器代替原来的欧姆龙的C200H控制器，其它的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、脉冲量计数模块等模块，AB公司的Control Logix系列中都有相应的模块来代替欧姆龙的模块。在此方案中，选用1756-IM16I（数字量输入模块）42块，1756-OW16I（数字量输出模块）16块，1756-IF16（模拟量输入模块）16块，1756-OF6CI（模拟量输出模块）8块，1756-HSC（脉冲量输入模块）2块，1756-L55M12（处理器）2块，1756-CNBR（通讯模块）16块等。此种方案在功能上能够完全代替原系统。这种方案主站采用双CPU，一个用于工作状态，一个用备份状态，一旦一个CPU有问题另一个CPU自动投入使用，这种方案由于没使用硬件冗余，因此投入时会有100ms的延迟，其他站采用远程I/O方式，不带CPU，这种方案一般使用于主站数据量非常大，而分站较少且数据量也少的情况下，为了减少投资的情况下而采用这种方案。网络形式如图2。这种改造方案需设备费用为160.8372万元，用户软件费用为14万元，合计共需174.8372万元。

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