張旭明 王海亭 緱小軍 劉建軍 趙麗麗

摘 要：介紹埕海1-1人工島污水處理一體機自動化控制系統(tǒng)的構成和特點，并結合一體機的運行、設備的控制、儀表的監(jiān)測，淺談一些運行中存在的問題和經驗。

關鍵詞：自控系統(tǒng);PLC;PROFIBUS-DP網;污水處理一體機

一、 概述

埕海1-1人工島位于渤海灘涂，面積約為140×140平方米，是集鉆、采、注、輸為一體的綜合型生產單位。具備油氣分離、集輸、污水處理回注、消防電力配套等功能。

污水處理一體機是污水處理工序的關鍵設備，油井采出水經加藥、沉淀等工序處理后由污水處理一體機進行處理，然后回注。人工島配置2臺污水處理一體機，其自控系統(tǒng)包括一套S7-300 PLC系統(tǒng)和一個觸摸屏。自控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是一體機正常運行，提高注水水質，保障油井穩(wěn)產高產的關鍵。

二、自控系統(tǒng)體系結構

埕海1-1人工島污水處理機自控系統(tǒng)包括一套西門子S7-300 PLC和一個觸摸屏，系統(tǒng)結構如圖1所示。

PLC控制一體機各個設備的運行。觸摸屏是一體機的人機接口，安裝于控制柜門上，進行一體機的狀態(tài)顯示和參數設置。觸屏與S7-300 PLC通過485協(xié)議MODBUS網絡進行通信。

1、 S7-300 PLC系統(tǒng)組成

一體機PLC控制系統(tǒng)包括一臺主站、三臺遠程站，主站和遠程站之間通過FROFIBUS-DP網相連。硬件配置如圖2所示。

PLC主站包括1個電源模塊、1個CPU模塊和1個485通訊模塊。電源模塊提供24V直流電源。CPU模塊運行用戶程序，執(zhí)行控制功能。485通訊模塊采用CP341-RS422/485（6ES7 341-1CH01-0AE0），是帶有RS422/485接口的通訊處理器，通過CP341-RS422/485模塊PLC主站作為MODBUS從站與作為觸摸屏進行通訊。

PLC主站通過CPU模塊的DP口連接PROFIBUS-DP網絡與三個遠程站進行通訊。三個遠程站的DP網地址分別為3、4、5，遠程站包括電源模塊、IM153-1模塊、IO模塊，電源模塊為遠程站提供24V直流電源，遠程站通過IM153-1模塊連接FROFIBUS-DP網絡作為DP從站與PLC主站進行通訊。IO模塊包括開關量輸入模塊DI32*DC24V、開關量輸出模塊DO16*Rel.AC120/230V、模擬量輸入模塊AI8*12Bit。

輸入模塊DI32*DC24V包含32路開關量DC24V輸入。用于標準開關、按鈕、兩線制閥位開關。

開關量輸出模塊DO16*Rel.AC120/230V包括16路繼電器輸出。用于連接電磁閥、接觸器、指示燈、繼電器等。負荷電壓直流120V，交流電壓230VAC。

模擬量輸入模塊AI8*12Bit包括8路模擬量輸入，在本系統(tǒng)中連接4-20mA兩線制壓力變送器。

三、污水處理一體機的組成

埕海1-1人工島包括兩臺污水處理一體機，由一套PLC系統(tǒng)統(tǒng)一控制。每臺污水處理一體機包括側向流分離室1套，3臺核桃殼過濾器并聯(lián)運行，3臺纖維球過濾器并聯(lián)運行。每個過濾器包括1個攪拌器和5個氣動閥，分別為過濾進口閥、過濾出口閥、反沖進口閥、反沖出口閥、排油閥。核桃殼過濾器和纖維球過濾器可單獨進行反沖洗。此外，為兩臺污水處理一體機配2臺反沖泵，一用一備;每臺一體機配1臺總排油閥和1臺總排泥閥。

四、工藝流程

污水處理一體機的主要工藝路線如下圖3所示。

含油污水經斜板室分離，上浮的油經自動排油閥定時排入污油回收系統(tǒng)，沉淀物經自動排泥閥定時排入污泥回收系統(tǒng)。

經斜板分離室處理后的水進入核桃殼過濾器，利用核桃殼濾料的攔截及吸附作用，去除水中的油及懸浮物。經核桃殼過濾器處理后的水進入纖維球過濾進一步處理，保證出水水質穩(wěn)定。

五、系統(tǒng)控制方式和控制邏輯

在一體機運行過程中，過濾室逐室反洗，各個過濾器在過濾方式和反沖洗方式交替循環(huán)運行。在過濾方式下，過濾進口閥和過濾出口閥打開，對進入過濾器的污水進行過濾;在反沖洗方式下，反沖進口閥和反沖出口閥打開，攪拌器運行，反沖泵運行，對過濾器進行反沖洗。

一體機有自動和手動兩種控制方式，在手動方式下，通過控制柜面板上的按鈕和選擇開關可單獨操作各個設備的啟停，手動方式僅用于設備調試和維護。在自動方式下，PLC按照設定的反洗周期和反洗持續(xù)時間控制各個過濾室自動進行過濾和逐室反洗。并進行自動排油。反洗周期為8小時，反洗持續(xù)時間為20分鐘。每個過濾室過濾開始120分鐘后，進行該過濾室的排油;排油20分鐘。

六、常見故障及運行維護經驗

1、問題一：反沖洗泵就地可以啟動、停止，遠程能啟動、不能停止。

原因分析：反沖洗泵主回路由配電室的MCC柜控制，主回路的控制回路原理圖如圖4所示。

在圖4中是反沖洗泵主回路接觸器的控制回路，具有自保持功能。L和N分別代表220VAC控制電壓的零線和火線。KM1表示反沖洗泵主回路的接觸器，KA1和KA2分別表示MCC柜內的啟動和停止繼電器觸點。當繼電器KA1得電時，常開觸點閉合，接觸器KM1得電反沖洗泵運行，并通過繼電器的輔助觸點自保持。當繼電器KA2得電時，常閉觸點斷開，接觸器KM1失電反沖洗泵停止。

查看PLC及就地操作的反沖洗泵啟動、停止輸出信號接線原理圖如圖5所示。

在以上圖5中，KA1和KA2表示MCC柜內的啟動和停止繼電器線圈，KA8和KA9表示PLC控制柜內的反沖洗泵啟動、停止繼電器。在就地操作盤上，選擇開關選到就地位時1與2接通，就地操作盤上的自復位選擇開關選到啟動位一次，5與6接通一次，KA1線圈得電觸點閉合一次，通過圖4自保持電路使反沖洗泵啟動;自復位選擇開關選到停止位一次，7與8接通一次，KA2線圈得電觸點閉合一次，通過圖4電路使反沖洗泵停止。在就地操作盤上，選擇開關選到遠方位時3與4接通，此時，PLC輸出反沖洗泵啟動信號，繼電器KA8得電，9和10接通，KA1線圈得電觸點閉合，通過圖4自保持電路使反沖洗泵啟動;PLC輸出反沖洗泵停止信號時，繼電器KA9得電11和12接通，KA2線圈得電觸點閉合，通過圖4電路使反沖洗泵停止。

通過STEP7軟件查看PLC程序，發(fā)現(xiàn)反沖洗泵的停止控制邏輯如圖6所示。

從圖6所示的PLC程序可知，PLC反沖洗泵啟動指令消失后停止指令輸出3秒，之間無啟停聯(lián)鎖條件。

故障現(xiàn)象是：反沖洗泵就地可以啟動、停止，遠程能啟動、不能停止。從以上分析可得出故障原因是PLC控制柜內的反沖洗泵停止繼電器故障，更換后恢復正常。

2、問題二：PLC的所有輸出模塊都沒輸出

故障分析：主站CPU的DP燈閃、SF燈亮，從站153接口模塊的DP燈亮。通過STEP7軟件監(jiān)控PLC程序運行狀態(tài)，運行正常。用軟件監(jiān)控硬件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)主站與三個從站的通訊都不通。通過以上現(xiàn)象分析得知，故障原因有以下幾種可能：

主站與3號從站之間的DP網線故障

主站或3號從站上的DP網插頭故障

主站上的CPU故障

更換主站與3號從站之間的DP網線后故障仍存在;更換主站和3號從站上的DP網插頭后故障仍未消失。將DP網線和DP插頭恢復原狀后，更換CPU模塊后系統(tǒng)恢復正常。

3、問題三：PLC的CPU模塊故障與所有從站的通訊中斷后，所有輸出模塊都沒輸出，現(xiàn)場所有氣動閥關閉，突然不能過濾也不能反洗;而此時由于圖4電路的自鎖功能反沖泵不停，導致憋泵。

4、問題四：一體機不自動反洗。

原因：反洗周期參數丟失，回零。

處理措施：臨時將周期參數在程序內寫死。更換CPU模塊后問題解決。

5、運行維護體會

埕海1-1人工島配置兩臺污水處理一體機，在工藝上一用一備。當某一臺一體機檢修時，另一體投運，保證生產的正常運行。但是，在設計上兩臺一體機配了一套PLC控制系統(tǒng)，當PLC系統(tǒng)癱瘓時，兩臺一體機都無法運行，還會導致反沖洗泵憋泵。

應對措施：

加強對PLC系統(tǒng)的維護，保證PLC系統(tǒng)的正常運行。

對PLC系統(tǒng)的CPU模塊進行離線備份，下裝好程序，萬一CPU模塊故障導致PLC系統(tǒng)癱瘓時立刻換上，縮短故障處理時間。

將PLC的故障報警信號引到中控室的DCS系統(tǒng)。PLC故障時，中控室可及時知道。

過濾進口閥和過濾出口閥選氣關閥;反沖進口閥和反沖出口閥選氣開閥;將PLC的故障信號與反沖洗泵的停止信號并起。當PLC系統(tǒng)癱瘓或失電時，過濾進口閥和過濾出口閥自動打開進行過濾，反沖進口閥和反沖出口閥自動關閉，反沖洗泵自動停止，暫時不沖洗，降低PLC故障對生產的影響。

7 結束語

現(xiàn)在各油田都進行油井采出水回注，污水處理一體機是油田生產的重要設備，加強維護保證穩(wěn)定其運行可提高注水質量，對提高油田產量具有非常重要的意義。通過加強維護和采取改進措施，大大降低了一體機的故障率;即使偶爾發(fā)生故障也能及時發(fā)現(xiàn)，快速處理;同時通過采取進一步措施使故障狀態(tài)對生產的影響降到最低。下一步將通過優(yōu)化調整核桃殼過濾器和纖維球過濾器的反洗持續(xù)時間和反洗周期來延長過濾材料的壽命，提升一體機的處理能力，降到運行成本，為企業(yè)創(chuàng)造效益。

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作者簡介：

張旭明， 男，1981年生，工程師，大港油田灘海開發(fā)公司第三采油作業(yè)區(qū)，畢來于石油大學（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)任灘海開發(fā)公司第三采油作業(yè)區(qū)工程師。