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基于PLC下位机和上位机实现输油泵状态监测系统的设计

发布时间:2023-02-24 发布时间:
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  企业信息化是企业现代化的重要标志,是企业发展的动力源泉,更是提高企业经济效益与竞争力的捷径和主要保证。企业信息化是长期艰巨而又紧迫的任务。胜利油田基层单位分布广,功能差别较大,同时单位的信息化基础相对较薄弱,水平较低。如何结合“数字油田”的建设要求与生产实际情况,探讨所辖基层单位的信息化建设的形式、方法和内容,是信息工程技术人员主要责任和义务。

  1、信息化建设背景

  永安输油站作为胜利油田重点的中间加温加压站,担负着自上游原油库到下游近二分之一的中转任务。该站动力系统为1984年建站投产设备,性能相对落后,几乎没有生产参数自动采集。2001年该站热力系统设备改建,自动化程度相对较高。如何在现有基础上实现信息化站库建设与管理要求,成为该站迫切解决的难题和重点。

  信息化建设前的状况

  1) 原油储罐的液位、温度、压力等参数全靠岗位工人现场检尺,看表,工人劳动强度大,计量误差较大。

  2) 通过人工巡回检查外输泵机组的各部位振动值、温度值、电机电流电压等运行参数,。

  3) 两套热媒炉系统点火控制部分在现场,控制参数仅基于现场数字显示,重点生产数据无法采集上传,不能及时交换生产流程中的重点信息。

  4) 站内生产数据不能与首末站生产相关联,生产调控极为简单,无法实施输油系统的优化运行和系统运行安全检测。

  2 “数字化”建设的方法与内容

  2.1 建设功能

  1) 热媒炉系统远程启停控制、系统联锁、炉效实时分析等;

  2) 外输泵机组电参数动态采集、远程启停输油泵、泵状态实时检测、泵效实时分析和监视等;

  3) 重点生产参数(主要流程管道压力温度、储罐液位温度、热交换区温度压力、地温气温等)实时采集;

  4) 常规生产管理流程的自动化操作,如热力越站、水力越站等;

  5) 生产参数的网络动态发布,包括生产参数监视系统、泵状态检测系统、UPS动态监视系统等;

  2.2 建设具体内容

  1) 对重点参数进行了自动采集,包括压力、温度(包括炉膛温度、烟道温度、地温、气温)、油罐、燃油罐、水罐液位和温度等;

  2) 对永安输油站流程常规切换的14只手动阀加装电动执行机构;

  3) 对原油外输流量计(两台)、燃油流量计(两台)进行自动计数采集、累计量计算;

  4) 对3台泵机组电机实时用电参数进行实时采集,包括三相电流、电压、频率、功率因素、有功电量、无功电量等;

  5) 对热媒炉系统原控制柜功能移到PLC系统,实现了远程起停、联锁保护;

  6) 对3台输油泵的前后轴承振动、温度进行实时监测,实现在线状态监测和故障诊断;

  7) 实现3台输油泵远程启停控制;

  8) 对泵房区及全站设立视频监视,并4路可燃气体报警接入系统;

  9) 系统后备电池及UPS建设,为系统提供4~8小时电源支持,并提供动态监视画面;

  10)对进出站输油压力温度流量等参数纳入长输管道泄漏检测系统。

  2.3系统建设硬件

  1) PLC系统硬件如图1所示

 

  两台上位机主要满足操作站和监视站功能。操作站主要进行现场生产运行的自动操作/手动操作。操作站直接读取PLC数据。监视站通过双网卡,满足读取PLC只读点的数据动态显示,并与油田信息网接入,实时发布只读点信息。

  2)泵状态检测硬件构成如图2所示:

  FAS站是S8100机泵群在线状态监测系统的重要组成部分,负责完成现场传感器的供电、信号采集和处理,并采用RS485通讯协议与通讯。FAS站采用防爆设计,可以安装在危险环境中。

  输油泵状态监测系统Station8100相对独立,实时监测泵轴承振动、温度数据,一旦出现数据超标,立即给出报警,通过对振动数据的频谱分析,可以分析判断出机组振动超标的根源、故障的类型,从而保障机组安全运行。该系统同时提供数据的动态网络发布,管理人员可以本地浏览器(IE)查看现场机泵的实时运行状态数据,得到机泵的实时运行信息。

  2.4 信息化建设中软件功能

  1)上位机和PLC系统软件构成

  系统软件包括PLC下位机控制软件和上位机组态软件两部分,下位机主要完成数据采集、流程切换控制、状态监测、故障报警、连锁保护等功能。上位机主要完成分类流程画面、数据动态监视、数据历史查询、报表自动生成、运行参数的应用等。PLC运行控制软件为OMRON公司编程软件CX-PROGRAMMER4.0,上位机组态软件采用国产三维力控组态软件。上位机通过以太网(ETHNET)方式直接与PLC进行通讯。

  2)上位机实现的功能

  ①通过组态,把各种现场需要操作的指令,比如开关阀门、启停泵、启停热媒炉、流程切换等传送到下位机控制器里,然后由控制器控制现场的相应设备,进行动作,完成相应任务。

  ②设置各种报警参数,比如说是进站压力上下限、大罐液位上下限、泵电压上限等需要报警的参数的限值,这样当这些参数超过设定值时,上位机就会报警,提示操作人员去进行相关的检查或操作。

  ③关键参数的历史和实时趋势曲线显示,比如热媒炉温度曲线、进出站压力曲线、外输泵压力曲线。

  ④结合胜利油田“源头数据”建设要求,通过上位机软件,自动生成班报、日报等,并满足手动数据的录入,如含水密度等参数。

  3)上位机功能模块如图3所示

  4)下位机(PLC)完成功能

  通过各功能模块与现场仪表线的联接,完成模数转换(A/D),状态量(DI)的采集,输出点(DO)控制,高速脉冲的计数(PI),以及通讯模块的数据转换等底层数据的处理,并完成生产常规流程的控制和自动运行。

  5)泵状态检测软件系统:

  S8100系统是专用检测振动软件系列之一,以SQL Server2000为后台数据库,并满足网络发布功能,以它主要提供包括棒图、波形图、频谱图、趋势图等)。以下为网络浏览时的画面。

  6)泄漏检测系统

  长输管道泄漏检测系统,由我公司自主开发的应用软件,主要利用负压波法和流量“实时”对比法进行检测。负压波主要用于泄漏点的定位,流量采集用定量分析管道的泄漏情况。永安输油站主要作用是“实时”采集进出口压力和流量计读数,通过网络将数据送到三级调度进行专职人员的监视和分析。

  3、经验交流

  1)同信号多采集解决方法

  由于泄漏检测系统对信号采集要求较高,对进出压力信号采集频率在100HZ左右,同时对流量脉冲信号以每5秒累计计算出瞬时流量。如果利用PLC采集结果通过通讯方式与泄漏检测系统连接,对压力波的捕获和流量动态对比上很容易产生不可预计的时间差,使泄漏检测系统增加误报或漏报的概率。通过硬件接线的现场应用,解决了同信号多采集的问题。对进出站压力(仪表输出4-20毫安)采用分信号办法,即通过专用设备(带隔离耦合)输出两路与输入相同的信号,分别满足PLC系统和泄漏检测系统的采集要求。对流量脉冲信号,由于输出是12伏的电压信号,直接对该信号进行并联采集即可。缺点是增加了投资和设备,优点是完全满足了不同系统的应用要求。

  2)智能电量采集模块的现场接线法

  本次信息化建设属于改造工程,一方面要满足改造前的生产运行方式,另一方面要将生产“数字化”信号全部纳入信息系统。在智能电量采模块的接线中,主要对低压配电接线进行改造,并同时满足原模拟表的正常显示和智能模块的正常工作。在智能模块技术人员的指导下进行安装后,模拟表正常显示,智能表电流数字信号出现近15安培的偏相。对于三相交流大型电机,这种偏相电流很容易造成相间电流的产生,对电动机工作十分不利。但原模拟表只有两相电流的显示,无论是线电流还是相电流,总与智能模块的电流数字信号不相符合。通过对智能模块的接线方式进行了重新认识,发现了问题所在,即电压采集与原信号并联,电流采集与原信号串联,并与厂方技术人员进行了核实与交流,查出了故障。接线前如图4所示,错误接线如图5所示,正确接线如图6所示。图5与图6的差别正是电流的串联与并联的关系,这正是导致电流不平衡的原因。

  3)干扰信号的处理与仪表供电问题的解决

  在进行热媒系统改造时,原控制系统自成体系,但重点参数不能引入PLC系统和数据网络发布。根据原数显仪表的特点,将该仪表的输出(4-20毫安有源输出)直接引入PLC系统时,发现输出信号时断时续,波动较大。结合隔离安全栅的工作特性,对每路输出加装安全栅,输出信号稳定并与原数显信号动态变化相差0.4%,达到设计要求,满足了重点参数的动态发布。在PLC系统中,设置两台24伏(5A)直接电流,一台专给PLC模板供电,另一台对20多台现场仪表提供电源。如果直接对现场同时供电,容易造成24伏电源由于加电瞬间电流过大而自保护,并且也不便于仪表的维护与检修。结合以前的改造经验与要求,增加7只开关,采用分批逐步供电的方式,以保证在系统掉电后现场仪表的正常供电。通过近一年半的运行,系统工作正常。

  4、工程总结

  永安输油站信息化管理系统建设的总体目标是应用目前先进、可靠的测控仪表及PLC控制系统,实现整个生产过程的自动控制、报警、连锁,实现输油系统优化运行、远程督导等功能,使生产、调度和安防实现自动化、网络化、信息化,从而提高输油站库的生产管理水平。

  1)通过系统建设,使输油系统传递、运行控制成为有机的生产管理系统。通过对生产运行参数的实时采集,实现生产流程重点阀门的开/关/阀位的远程控制,实现油罐液位温度的动态监测,实现输油泵的状态检测,实现管理、控制、信息一体化。

  2)提高该站安全管理水平。PLC系统能在时间捕捉各种可能引起事故的早期信息并提前报警,在中央控制室发出预告,如油气混合浓度超标报警、外输油温过低、局部生产管网压力过高等信息,对站内出现的任何报警都马上掌握,提前做好相应准备,及时处理。并对重点现场和全站提供视频监视。

  3)进一步提高了该的信息化管理水平。中央控制室对站内重要信息如安全、生产、油进出库情况全面掌握。站内泵房岗、热媒炉岗等原油传送相互关联的岗位提供实时生产信息,为生产管理者提供详实可靠的原始、实时数据,并通过编制的优化运行、经济效益分析等软件,为决策者的决策提供参考和依据。

  4)生产运行报表自动生成,保证了“源头数据”的及时性和正确性。通过上位机应用软件,将生产过程中原来依靠人工巡检、记录、判断的众多参数汇总到PLC控制系统,通过上位机软件自动生成管理运行大表,消除人为主观影响,提高运行记录的可信度,并极大地提高设备运行率和降低工作人员的劳动强度。

  结束语:

  通过该站信息化管理建设,初步建立了管道和站库联合运行效率分析机制,提高管道运行效率,进一步完善了热媒炉控制系统。通过安全系统和设备在线监测系统的建立,提升了故障诊断分析技术,将原设备事后维修体系转变成了以预防为主的维修体系,并提供动态参数的网络发布,为各级生产管理人员和精细化管理提供了有力的保障和基础,同时为其它输油管道及站库的信息化管理奠定了理论和实践经验。通过本工程建设的总结交流,借此抛砖引玉,恳切希望予以指正。



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