油田注水全自动装置的设计

1 引言
    目前各种石油管线输送的加药系统中，多采用人工控制，工艺复杂，仅凭储药罐上的玻璃管液位计目测判断用量，不能准确配制规定浓度的破乳剂溶液，不能根据液位的变化而按比例自动、精确地调整破乳剂的注入量，造成水、电及人力的浪费，增加了能耗。针对上述问题，开发了一种基于FPl型PLC的自动加水、定量加药、定时搅拌以及自动倒罐的控制装置。实际运行证明，该装置不仅减轻了员工的劳动强度，提高了安全系数，实现了以人为本的原则，使油田工业自动化水平达到了新的起点，提高了现场管理水平，使生产和管理更趋规范化、科学化。

2 系统结构
2．1 加药装置的基本结构
    加药装置包括储药罐、计量泵、搅拌器、液位开关、控制箱及附件等，在实际系统中可根据用户要求调整配置，以适应不同的工艺要求。图1给出加药装置的结构示意图。控制系统包括：搅拌机两台，加水电机一台，加药电机一台，加药罐两个，储药罐一个，电磁阀若干个，高液位报警器，低液位报警器及交流接触器，热继电器，中间继电器，控制按钮，信号灯，断路器，开关等一系列的低压控制器件。

2．2 系统控制功能描述
    自动加药装置是一种能根据设定加药液的配比浓度，实现自动配药、自动搅拌、自动定量输出的自动控制系统。该装置在设定状态下无需人工值守，一键控制即可实现所需浓度药液的自动配制与输出，也可实现远程控制，真正实现了配药、搅拌和投药自动化。考虑到现场操作的需求，配备了手动控制功能，任何情况下，手动控制优先。
    (1)手动运行手动运行前，将运行方式转至“手动”位置，接通10．2，调用“手动控制”子程序。按照控制面板的对应按钮，即可接通对应的PLC输入点，执行相应的动作。
    以1号罐加水加药搅拌为例，接通加水电机，即接通I0．5，输出继电器Q0．1接通并自锁，外部交流继电器得电，加水电机开始加水。断开加水电机，即接通I0．6，Q0．1断开，加水电机停(当加水电机发生故障时，接通12．7，其常闭触点断开，QO．1断开，加水电机停止运行)。接通加药电机，即接通10．7，输出继电器Q0．2接通并自锁，外部交流继电器得电，加药电机开始运行。断开加药电机，即接通11．0，QO．2断开，电机停止运行(当加药电机发生故障时，接通13．O，其常闭触点断开，Q0．2断开，加药电机停止运行)。接通搅拌机，即接通I0.3，输出继电器QO．0接通并自锁，外部交流继电器得电，搅拌机开始运行。搅拌一定时间后，断开搅拌机，即接通I0.4，QO．O断开，搅拌机停止运行(当搅拌机发生故障时，接通12．6，其常闭点断开，Q0．0断开，搅拌机停止运行)。部分I／O端口分配如表1所示。

    (2)自动运行 若首次运行(储药罐为空时)，先将转换开关转至“手动”位置，接通IO．2，手动打开进水电磁阀，待药罐中的液位达到最低液位之上时，停止手动控制，将转换开关转至“自动”位置，接通I0．1，调用“自动控制”子程序，开始自动循环。按下操作面板上的“自动运行“，接通I3.2，整个程序开始工作。

3 控制系统设计
3．1 S7—200可编程控制器简介
    S7—200系列产品是具有高性能的中央处理器，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。S7—200无论单机运行，还是与其他设备组成网络，都具有优异的表现。
    S7—200主要特征：①快速的中央运算处理能力；②丰富的编程指令集；③响应快速数字量和模拟量输入／输出通道；④强大的通讯能力，丰富的扩展模块；⑤操作便捷，易于掌握。
    根据设备的运行特点和用户的实际需要，基于S7—200型PLC控制，利用内部软继电器实现过程控制，使系统控制简便，提高了系统的稳定性和可靠性，保证了产品质量，提高了生产效率。
3．2 硬件电路的设计
    在1号罐、2号罐内，分别设置高液位，低液位控制器，控制器的数据信号通过导线连接至配电柜内的控制电路，实现PLC的控制。图2给出系统接口电路图。

3．2．1 搅拌机系统
    搅拌轴包括传动轴本身和随轴转动的浆叶，它是流体搅拌装置中的一个子系统，搅拌轴是执行搅拌混合操作的主要部件。由于流体激振力作用，输入转速波动和搅拌轴偏心的影响，在搅拌轴上存在三种型式的振动：轴向振动、扭转振动、弯曲振动。轴向振动是搅拌轴的伸长和缩短，轴向振动的自然频率一般很高(大于3 ooo Hz)，因而在搅拌器的设计中，搅拌轴的轴向振动一般不考虑。扭转振动引起搅拌轴转速的波动，实际操作中很难观测到，它的自然频率也较高。弯曲振动是轴的横向摆动，它是最有害的一种振动形式，它的自然频率较低，破坏性极强，与流体激振频率和轴的转速较接近，易引起共振。因而研究搅拌轴的弯曲振动，准确确定搅拌轴的临界转速，对于设计搅拌轴和预测轴的破坏有重要意义。该装置设计的搅拌转速为120 r／min，桨叶安装在离轴端100 mm处，搅拌轴通过联轴器与减速机的输出轴连接在一起。螺旋浆叶一般为3叶，也可为2叶或4叶。其叶片直径与搅拌槽内径之比为0．2~0．5，通常取为0．33，螺距与叶片直径的比值为1：2。图3给出搅拌机结构示意图。

3．2．2 计量加药装置
    计量加药装置直接与气力输送系统相连，气力输送系统正常工作必须有恒定的压力条件，如果系统压力损失过大，会给风机增加负担，甚至引起药粉的堵塞而影响工作。为了尽量降低系统的压力损失，装置设计中的计量加药装置，采用变螺距螺旋输送器作为压送式气力输送装置的供料器，该装置越靠近气力输送管道处其螺距越小，使输送的药粉越压越紧以断绝气体漏出的渠道，图4给出螺旋加料装置结构。在带衬套的铸铁壳体3内有一段变螺距螺旋轴4，其右端通过弹性联轴节与电机5相连，当螺旋在壳体内快速旋转时，物料从上方的加料斗2经过闸门l经螺旋而被压入下方的输料管6，该输料管又与压送式气力输送装置的输料管道相连，物料由此被送入了气力输送系统。由于螺旋的螺距从左至右逐渐减少，使进入螺旋的物料被越压越紧，可防止气力输送管道内的压缩空气通过螺旋漏出。当物料进入气力输送系统管道后，遇到压缩空气并将其吹散，使物料加速，形成压缩空气与物料的混合物均匀地进入气力输送系统的输料管中，在高速气流的带动下输送物料。

3．3 程序设计
    系统程序大部分使用梯形图编制，而在模拟量计算及输出方面使用了功能块和语句表。梯形图直观易懂，且较多的采用RS触发器和时间继电器，在程序编写中，对每个被控(PLC输出)只需分析找到所有置位、复位条件，即可顺序编写。这样可使程序简明，减少编程出错机会。
    启动自动运行后，首先会自动判断DF23的开关状态(即1号罐管线打药阀DF23是开还是关?若DF23关，说明2号罐往管线打药，l号罐可以进水、加药及搅拌；若DF23开，说明l号罐往管线打药，2号罐可以进水、加药及搅拌)。若DF23关，此时1号加药罐中的液位不是最低液位，即操作面板的加药罐最低液位显示灯未亮，而且加药罐中的液位也不是最高液位，则进水电磁阀打开，加水电机启动，开始向加药罐中进水，当加药罐中的液位到达最高位时，传感器发出信号，加水电机停车，进水电磁阀关闭，加水过程完成。之后加药电机和搅拌机同时启动。定时器KF3和KF4启动，延时一定的时间后，加药电机先停车，再搅拌一定的时间后搅拌机停车，加药搅拌过程完成。1号罐的加水，加药，搅拌过程完成，等待。
    2号罐打药过程中，最低液位报警时，发出信号要求，2号罐打药阀DF24关闭，1号罐打药阀DF23打开，l号罐往管线打药，实现2号罐自动加水、定量加药、定时搅拌。完成倒罐过程。图5给出加药装置的程序流程，图6给出控制系统梯形图。

4 结语
    油田注水全自动装置系统设计中，各环节工作信息传送至PLC控制系统，使加药系统全自动运行，药液浓度恒定，投加准确，实现了加药罐的全部自动化，大大提高了工作效率，减轻了工人的劳动强度，减少了药剂对人体的危害。同时该装置还具有结构紧凑、配置丰富、安装简单、可靠性高等优势，是目前自动化程度较高的药剂投加系统。通过论述旨在找到一种实用价值更高，应用前景更广阔的产品，从而达到环境效益与经济效益的统一。