过程工艺控制系统切换研究及工程实现

2014-09-10段玉波陈静石

石油化工自动化 2014年5期

段玉波，陈静石

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆 163000 )

油田工艺处理流程中，通常只存在4种信号：开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出[1]。开关量输入一般作为普通报警以及极限关断输入；开关量输出一般作为现场关断阀(或控制阀气源)控制、设备跳闸断电控制等；模拟量输入作为过程监视参数，被PLC采集后上位组态软件显示为人机交换界面，部分也是自动控制的过程参数；模拟量输出一般作为控制阀控制信号，属于操作者或控制系统手动、自动控制现场工艺参数所用。在石油行业标准中，控制系统应将生产控制与紧急关停控制分开，因而从控制系统的角度来讲，紧急关停系统(ESD)主要接入极限开关信号，输出至关断阀或设备跳闸断电，用于开关量控制；生产控制系统主要接入模拟量输入输出、部分开关量输入输出，一般不会涉及生产或设备紧急关停。

在无扰控制系统切换设计中，首先保证的是安全性，其次是工艺系统的稳定性。工艺系统不稳定可能直接导致极限开关的动作，带来失控危险，致使紧急关停系统动作而发生关停，而生产控制系统一般不会直接导致生产关停，所以在系统切换中首先考虑切换生产控制系统，待生产控制稳定正常后，再切换ESD[2]。

1 生产控制系统的切换

生产控制系统大部分信号为模拟量输入输出。部分模拟量输入作为自动控制的过程参数来控制输出，这类模拟量输入需要将自动控制切换回手动控制，断开模拟量输入与输出之间的关联关系之后再切换。

1) 无关联的模拟量输入切换。该类模拟量输入只是用于人机交换界面显示，从一个控制系统切换到新控制系统可能主要存在量程不对应、输入信号不匹配的问题。切换前应仔细核对现场变送器量程以及输出信号[3]。例如现场压力变送器标准信号为4～20 mA，量程为0～1 600 kPa，如果新控制系统输入卡件设置为0～5 V，量程0～1 000 kPa，那么上位机将无法正确显示现场压力参数。一般只需修改新控制系统PLC卡件属性即可，该方法修改简单方便，通过PLC编程软件可以直接得到参数修改后的结果[4]。

2) 有关联的模拟量输入切换。先必须将关联断开，一般将自动控制切换为手动控制即可，现场过程量不会突变，采用手工控制也能稳定工况。将关联断开后，直接将模拟量输入接入新系统即可，参照无关联的模拟量输入切换。

3) 模拟量输出切换。模拟量输出一般都用于现场过程控制，通过控制调节阀的开关度来控制液位、压力、流量、温度等。模拟量切换的不平稳，直接造成工况的不稳定，进而可能引发工况波动，带来极限开关动作发生关停甚至危险。模拟量输出切换有两种方法：

a) 调整工况。采用现场旁通阀手动调节，逐步将调节阀隔离，此时即可将模拟量输出端子直接接入新系统，再利用新系统手动输出逐渐启用调节阀控制。该方法需要耗费大量时间、人力，并且切换过程不可逆，一旦在手动控制不稳的情况下，可能发生工况波动。

b) 使用继电器快速切换原理进行无扰动切换。该方法切换时间远小于控制阀反应时间，基本对系统控制不会产生影响，设计原理如图1所示。

图1 模拟量输出切换原理示意

24 V(DC)继电器可以采用市面所售专用信号切换继电器，其切换时间小于10 ms，也可以采用普通24 V(DC)4通道继电器，普通继电器切换时间小于100 ms[5]，而现场调节阀反应时间一般都大于500 ms。切换过程：现场控制阀输入端A3接继电器触点的公共端，给继电器吸合线圈加电，旧系统模拟量输出A1接常开点，此时旧系统模拟量输出提供给现场调节阀，新系统模拟量输出A2接常闭点，注意信号的正负极性。

当满足切换条件时，只需将无扰切换开关K1断开即可，观察现场调节阀是否有剧烈动作。如有，则应迅速闭合无扰切换开关K1，查找新系统输入输出对应故障后再进行切换。油气水处理工艺流程中，间歇性的波动是可以接受的，可以通过人工干预恢复正常工况而不影响处理效果。该操作简单明了，具有可逆性，时间要求短。

模拟量输出模块设置为电流信号时是一个恒流源，设置为电压信号时为一个恒压源。在恒流源的负载断开时，恒流源输出电压理论上会无限上升，但在控制系统的电源电压最高为24 V(DC)，输出模块也有电压保护，断开负载时测量输出电压为24 V(DC)。当切换的瞬间，由于现场电/气转换器、线阻等是恒定阻值，而电压值为24 V(DC)，瞬间电流将可能超过用户设定值，输出模块卡件将迅速钳制电流，此过程时间由输出模块卡件性能决定，但电流阶跃时间小于1 ms；如信号输出设置为电压信号，则输出卡件为1个恒压源，负载断开时，电压是与用户设定开度值对应，负载接通的瞬间，现场设备将承担一部分电压，导致输出电压值可能低于用户设定值，但电压阶跃时间也小于1 ms。所以无论是电压信号还是电流信号，控制系统输出因为负载接通与断开带来瞬间信号阶跃，对整个控制回路是没有影响的。

2 紧急关停系统的切换

2.1 紧急关停系统的切换原理

紧急关停输入信号对于部分原有控制系统来说，可能未设置软件旁通，以某油田为例，ESD由2台 SLC500组成非冗余、热备的系统，网络拓扑结构如图2所示[6]。

现场的开关信号分别接入SLC 1与SLC 2，经过各自程序进行逻辑运算后输出。并联输出至中间继电器，控制继电器的常开或常闭触点，部分干触点用于电气设备跳闸控制，部分连接24 V(DC)用于控制现场电磁阀，进而控制关断阀或放空阀。在中心控制室控制柜内设置了与现场开关并联的旁通开关，用于在启动现场维护时进行旁通操作。在PLC程序内部设置了2个用于相互检测对方状态的输入输出，2个输出各自间歇2 s切换至开关状态，如其中1台PLC故障，停止切换，另外1台即可检测到对方故障，输出报警。在类似该ESD切换时，不能通过程序强制进行输入信号的旁通，即使同时连接2台PLC强制，时间始终存在差异，可能造成PLC相互检测不一致而导致关停事件。

图2 非冗余、热备的系统拓扑结构示意

因此，该ESD输入信号必须在硬件旁通板上拨动旁通开关来进行输入旁通，现场开关拆除时，不得发生接地等故障。将新系统中需要的所有输入输出都替代完成之后，再确认旧系统对其控制的设备已经允许关断或关断已经被短接、旁通之后，才能关停ESD，否则可能发生不必要的关停或危险。

2.2 紧急关停系统的输出

ESD的输出分为两种：做电气设备跳闸线圈电源回路中的一个干触点；用于控制现场的电磁阀，再用电磁阀去控制关断阀、放空阀或其他执行机构。对于第一种，需将ESD提供的干触点短接，部分电气类设备设置了多层跳闸，下级跳闸线圈可能是使用正常断开触点，此时只需断开中间1个跳闸线圈电源即可。

对于第二种控制现场关断阀或其他执行机构时，有两种实现方法。现场关断阀或其他执行机构，采用ESD控制的24 V(DC)来通断三通电磁阀气源，切断并放空关断阀气缸气源，来控制关断阀开关状态。因此，第一种操作方法可以选择对电磁阀的泄气口进行操作，在泄气口直接加载气源，当电磁阀失去电源时，关断阀无法泄气而关闭，切换系统输出24 V(DC)后，拆除泄气口气源即可。

由于部分电磁阀或其他24 V(DC)设备如果停止供电，会马上造成生产关停，因而需采用以下不间断供电方式切换控制系统的输出。以某油田井口控制盘电磁阀SDY-1710为例，如图3所示[7]。

图3 不间断供电方式切换控制系统的输出示意

SDY-1710用于所有控制采油树的地面安全阀(SSV)，地面安全阀气源压力被卸掉之后，引起设置在地面安全阀气源管线上的压力开关动作，致使电潜泵关停。气压的降低需要1个时间段，而实际现场却需要迅速关停电潜泵，这时需增加电潜泵的跳闸线圈电源控制。因电潜泵柜内电压等级较高，不可在柜内通过短接的方式进行旁通，所以SDY-1710的任何短暂性停电，都会导致所有电潜泵的关停，系统切换时必须采用不间断供电方式。

1) 方案一。直接将新系统24 V(DC)输出与旧系统24 V(DC)输出正负极对应，协同给SDY-1710 供电，再断开旧系统输出即可。风险分析：旧ESD的总电源为24 V(DC)开关电源，中间设置了1 A的保险，新系统的电源也为24 V(DC)开关电源，线路上设置了1 A保险。开关电源协同供电时必须设置平衡线，以达到输出电压等级、电压波动一致，负载平衡，否则会导致其中某个开关电源自我保护停止输出。传统双电源冗余方案设计中，2个开关电源之间设置了用于平衡输出的平衡信号线，而一般升级改造中，很难采用同品牌的开关电源，平衡线无从设置，如果直接将新系统输出与旧系统输出并联在一起，会导致其中某个电源停止输出或者保险烧毁。

2) 方案二。使用电池中转，先将1块24 V(DC)铅酸电池对应正负极搭接在旧系统输出上，由于电池的特性，当旧系统输出电压超过电池电压，旧系统会给电池充电，充电电流为两者电压差除以电池内阻与线路电阻，如果处于充电状态，1 A保险不仅承受SDY线圈、中间继电器线圈供电，还需要承受给电池充电的电流，因此导致1 A保险烧毁、SDY中断供电；如将电池电压充满至24 V甚至24 V以上时，由于开关电源的特性，电池是无法通过开关电源的输出端子放电的，此时1 A的保险电流为电池与开关电压之差除以一个很大的阻值，电流极小，此时电池将SDY-1710线圈、中间继电器线圈的负荷分担过来，再停止旧系统24 V(DC)输出，此时电池将负责SDY线圈、中间继电器线圈供电，再将新系统输出的24 V(DC)接入，同理1 A的保险内流过的电流将极小，断开电池，新系统将负担起SDY-1710线圈、中间继电器线圈供电，达到平稳不间断供电切换。方案二类似UPS原理，利用PLC输入快速反应特性来对方案二进行验证，将图3中的ESP ESD接入PLC输入，使用PLC输入检测其是否会瞬间断开。

2.3 理论验证

将继电器输入设置为I： 0/0，当继电器得电时，常开开关闭合，一旦供电间断，PLC将输出锁定O： 0/0。电磁阀为普通10 W 24 V(DC)，连接好后，模拟旧ESD的DC输入电压为22.3 V，电池电压为24.5 V，另1个小型开关电源电压设置为24 V，切换过程中未发现O： 0/0锁定；随后将电池电压充满至25.1 V，开关电源电压不改变，切换过程中未发现PLC输出锁定，验证成功。