CN107807679A - 一种石油加药自动定量控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业自动定量控制技术领域，公开了一种石油加药自动定量控制系统及控制方法，采用西门子PLCS7‑300，利用流量计自动测量，实现3种药剂系统的管道流量控制，并进行闭环校准；配药过程根据管路流量计的实时流量进行累计换算满足溶质和稀释剂的定量控制，输出管道使用闭环模糊自适应PID算法控制；双罐体一用一备的交替工作状态运行，最终根据设定药剂的配比浓度，实现自动配药、自动搅拌、以及自动倒罐。本发明提高了工厂生产效率及管理水平又节省人力物力，实时提取数据，提高了自动定量控制系统稳定性、灵活度和精度。

Description

一种石油加药自动定量控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于工业自动定量控制技术领域，尤其涉及一种石油加药自动定量控制系统及控制方法。

背景技术

目前国内外的石油加药自动定量系统存在无法实时跟踪加药管道流量、劳动成本高、劳动强度大、无法进行多点监控和协调控制，造成人力物力的极度浪费等。目前定量技术存在控制系统中液罐数量及设备比较多，监测和控制点多，控制系统庞大，控制逻辑复杂。目前国内油田的加药过程大部分是给计量泵设定一个固定值或是通过人工完成，但是在实际的加药工作中，因为在某些时间段内输送流量不稳定、加药量受季节温度、压力等因素的影响，加之控制系统中液罐数量及设备比较多，监测和控制点多，控制系统庞大且逻辑复杂。导致无法实时跟踪加药管道流量、劳动成本高、强度大、无法进行多点监控和协调控制。而在实际的加药过程中，为了保证生产正常并长期有效进行，加药系统的可靠性、精确性、经济性等特点被强烈关注，于是便引入了智能石油加药的自动定量控制系统。该系统可以降低操作人员的劳动强度、劳动成本、操作环境污染程度等，达到节约能源和提高经济效益的作用。国内油田的加药工作多由人工完成，加药量(浓度)无法精确控制，尽管多数采用了计量泵加药，但计量泵流量由人工设定，无法动态跟踪加药管道流量；成本高，劳动强度大，加药工人需24小时值班；无法进行多点监控及协调控制。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前定量技术存在控制系统中液罐数量及设备比较多，监测和控制点多，控制系统庞大且逻辑复杂。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种石油加药自动定量控制系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种石油加药自动定量控制方法，石油加药自动定量控制方法，所述石油加药自动定量控制方法采用西门子PLC S7-300，实现双罐体一用一备的交替工作状态运行，根据设定药剂的配比浓度，完成自动精确配药、自动搅拌、自动倒罐以及定量输出。其中精确配药过程根据管路流量计的实时流量进行累计换算满足溶质和稀释剂的定量控制；输出管道使用闭环模糊自适应PID算法控制实现定量输出；最终实现石油加药系统根据所需浓度药液的自动定量配制与输出。

自动配料实现药剂的自动配料，即往原液中加稀释剂配成一定浓度的药剂。由于加药的连续化，药液箱配置两个，系统测量药液箱液位，处于低液位的药剂罐系统会发出配制允许信号，处于高液位并完成终止搅拌动作之后系统会配置完成信号，发出根据液位自动切换电磁阀，实现交替配液和加药。为了准确控制药液的浓度，在药剂和稀释剂管路上分别加装流量计，实时监控药剂和稀释剂的加入量，系统根据设定浓度换算药剂和稀释剂的加入量，当量值到时，关闭相应管路电磁阀和齿轮泵。

进一步，药剂配制方法包括：药剂的自动配料，向原液中加稀释剂配成一定浓度的药剂。由于加药的连续化，药液箱配置两个罐体，系统测量罐中药剂液位，在自动状态下，系统根据液位自动启动配料。当药剂罐的液位处于高液位，同时搅拌器完成搅拌工作，发出加注允许信号；当药剂罐的液位处于低液位，发出配置允许信号，加注管道的计量泵处于就绪状态、溶质和稀释剂管道的电磁阀打开，开始定量配制，当输入管道加料完成后，搅拌器定时运行(也可手动)；同时在另一罐体发出加注允许信号后打开的相应管道的加注计量泵。通过控制各管路电磁阀和计量泵状态来实现罐体切换。

进一步，累计换算方法具体包括：通过利用PLC的定时中断来实现，在CPU的属性内设置循环中断组织块OB35的循环中断时间为N ms；利用OB35产生的N ms循环中断进行药剂的累计，中断到来并且配置允许时时，进行一次OB35的累计算法；当累计值达到需要的设定值时，表明加入完成，电磁阀动作，停止加入；

流量计测得的实际值换算成实时流量工程值Q单位为L/h，换算到L/s，由于每100ms一次中断累计一次，计算累积的体积时需要用上一次的累计值加上换算后的流量值乘以100ms；于是累计体积V_n+1＝V_n+(Q/3600)*N。

进一步，所述闭环模糊自适应PID算法具体包括：找出PID的三个参数与误差e和误差变化率d/dt之间的模糊关系，在运行中不断检测E和Ec，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整，满足不同E和Ec时对三个参数的不同要求；利用PLC自带PID参数整定工具根据不同管道压力整定的PID参数来建立模糊控制规则库。

本发明的另一目的在于提供一种所述石油加药自动定量控制方法的石油加药自动定量控制系统，所述石油加药自动定量控制系统包括：PLC控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第一流量计、第二流量计、第一液位计、第二液位计、第一罐体、第二罐体、第一搅拌机、第二搅拌机、第三电磁阀、第四电磁阀、计量泵；

PLC控制器与第一流量计、第二流量计、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一搅拌机、第二搅拌机、计量泵通过信号线连接；

第一电磁阀通过管道连接第一流量计，第一流量计通过管道连接第一罐体，第一罐体通过管道连接第三电磁阀，第三电磁阀通过管道连接计量泵；第一罐体的内部中间位置安装有第一液位计，第一罐体的顶部安装有第一搅拌机；

第二电磁阀通过管道连接第二流量计，第二流量计通过管道连接第二罐体，第二罐体通过管道连接第四电磁阀，第四电磁阀通过管道连接计量泵；第二罐体的内部中间位置安装有第二液位计，第二罐体的顶部安装有第二搅拌机。

本发明的优点及积极效果为：选择使用西门子PLC S7-300，有效解决了在之前系统中多监测点和控制点，逻辑复杂难以控制等问题。整个系统配置自动、手动相结合，可根据实际使用状况，手动调节比例，使药剂配制更加高效。系统根据流量计对药剂的实时流量监测，辅助于累计算法和模糊PID算法。通过统计，对于2000L的罐体，反复注入不同量值液体，误差小于±1％，浓度误差小于±0.1％。采用流量计实时采集配药量，提高了控制精度，节省药剂费用20％左右；按设定的ppm比例采用模糊自适应PID控制技术实现精确加药的自动控制系统，使注入量误差小于0.3L/h。本发明提高了工厂生产效率及管理水平又节省人力物力，实时提取数据，提高了自动定量控制系统稳定性、灵活度和精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的石油加药自动定量控制系统结构示意图；

图中：1、PLC控制器；2、第一电磁阀；3、第二电磁阀；4、第一流量计；5、第二流量计；6、第一液位计；7、第二液位计；8、第一罐体；9、第二罐体；10、第一搅拌机；11、第二搅拌机；12、第三电磁阀；13、第四电磁阀；14、计量泵。

图2是本发明实施例提供的石油加药自动定量控制方法流程图。

图3是本发明实施例提供的药剂配制部分流程图。

图4是本发明实施例提供的累计算法的程序流程图。

图5是本发明实施例提供的PID算法的程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的石油加药自动定量控制系统包括：PLC控制器1、第一电磁阀2、第二电磁阀3、第一流量计4、第二流量计5、第一液位计6、第二液位计7、第一罐体8、第二罐体9、第一搅拌机10、第二搅拌机11、第三电磁阀12、第四电磁阀13、计量泵14。

PLC控制器1与第一流量计4、第二流量计5、第一电磁阀2、第二电磁阀3、第三电磁阀12、第四电磁阀13、第一搅拌机10、第二搅拌机11、计量泵14通过信号线连接。

第一电磁阀2通过管道连接第一流量计4，第一流量计4通过管道连接第一罐体8，第一罐体8通过管道连接第三电磁阀12，第三电磁阀12通过管道连接计量泵14；第一罐体8的内部中间位置安装有第一液位计6，第一罐体8的顶部安装有第一搅拌机10。

第二电磁阀3通过管道连接第二流量计5，第二流量计5通过管道连接第二罐体9，第二罐体9通过管道连接第四电磁阀13，第四电磁阀13通过管道连接计量泵14；第二罐体9的内部中间位置安装有第二液位计7，第二罐体9的顶部安装有第二搅拌机11。

储溶液箱、计量泵、流量计、搅拌器、液位开关、可编程控制器PLC及附件等，其中的检测装置包括流量计，液位计，计量泵冲程，执行装置包括电磁阀，搅拌器与计量泵。通过对检测装置的信号收集，来选择相应执行机构的动作。

如图2所示，本发明实施例提供的石油加药自动定量控制方法包括以下步骤：

以西门子PLC S7-300(Programmable Logic Controller)为核心，通过对管道流量、液罐液位等数据的自动检测及实时提取。根据液位信号来决定药物是否开始配制、搅拌机的运行及配药罐的选择；根据设定流量信号和药液的配比浓度使用累计算法完成的对稀释液和溶质的定量控制，完成药物的精确配制；根据输出管道的计量泵冲程信号使用闭环的模糊自适应PID算法完成流量及加药的精确自动控制。最终实现液罐之间的正常投切和药剂按设定比例的定量配制、以及加注管道输出流量稳定精确的定量控制。

本发明实施例提供的石油加药自动定量控制方法采用西门子PLC S7-300，实现3种药剂系统的精确的流量控制：根据工艺条件，根据主管路的介质流量实时换算对应药剂的加注流量，并根据管道流量计的反馈量进行闭环校准；双罐体一用一备的交替工作状态运行机制：向罐1加入稀释液之后搅拌完全后作为备用，罐2向外提供药剂，当罐2的药剂使用完之后要及时切换到罐1。如此反复。在这个控制过程中，需要完成药剂加注的定量控制和输出管道精确的流量控制。加注过程中根据管路流量计实时流量进行累计换算以满足一定浓度的溶质和稀释剂的定量控制，输出管道使用闭环PID算法加以控制。

如图3所示，本发明实施例提供的药剂配制部分具体如下：

由于控制要求需要实现双罐体一用一备的交替工作状态运行机制，系统会根据药剂罐的液位计信号，处于低液位的进行配制，高液位的进行输出。当药剂罐的液位处于低液位，发出配置允许信号，同时加注管道的计量泵处于就绪状态、溶质和稀释剂管道的电磁阀动作、搅拌机运行；其中，考虑到某些溶质是固体的情况，对于溶质的上料分为手动和自动两种方法，手动时可人为控制加入量。若选择自动挡，系统会通过流量计信号和累计算法根据药液的配比浓度完成定量控制和药物的精确配制。

如图4所示，本发明实施例提供的累计算法流程图如下：

累计算法通过利用PLC的定时中断来实现，在CPU的属性内设置循环中断组织块OB35的循环中断时间为N ms。利用OB35产生的N ms循环中断进行药剂的累计，中断到来并且配置允许时时，进行一次OB35的累计算法。当累计值达到需要的设定值时，表明加入完成，电磁阀动作，停止加入。

流量计测得的实际值换算成实时流量工程值Q单位为L/h，现将其换算到L/s，由于每100ms一次中断累计一次，计算累积的体积时需要用上一次的累计值加上换算后的流量值乘以100ms。于是累计体积V_n+1＝V_n+(Q/3600)*N。

如图5所示，本发明实施例提供的模糊PID算法流程图如下：

控制器由两个部分组成：传统PID控制器、模糊化模块。

PID模糊控制重要的任务是找出PID的三个参数与误差e和误差变化率d/dt之间的模糊关系，在运行中不断检测E和Ec，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整,满足不同E和Ec时对三个参数的不同要求。利用PLC自带PID参数整定工具根据不同管道压力整定的PID参数来建立模糊控制规则库，可以有效提高系统响应时间，减小系统的超调量，提高系统的自适应能力、鲁棒性等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种石油加药自动定量控制方法，其特征在于，所述石油加药自动定量控制方法采用西门子PLC S7-300，利用流量计自动测量，实现3种药剂系统的管道流量控制，并进行闭环校准；配药过程根据管路流量计的实时流量进行累计换算满足溶质和稀释剂的定量控制，输出管道使用闭环模糊自适应PID算法控制；双罐体一用一备的交替工作状态运行，最终根据设定药剂的配比浓度，实现自动配药、自动搅拌、以及自动倒罐。

2.如权利要求1所述的石油加药自动定量控制方法，其特征在于，所述石油加药自动定量控制方法加注过程中根据管路流量计实时流量进行累计换算以满足一定浓度的溶质和稀释剂的定量控制，输出管道使用闭环PID算法控制。

3.如权利要求1所述的石油加药自动定量控制方法，其特征在于，药剂配制方法包括：根据药剂罐的液位计信号，处于低液位的进行配制，高液位的进行输出；当药剂罐的液位处于低液位，发出配置允许信号，同时加注管道的计量泵处于就绪状态、溶质和稀释剂管道的电磁阀动作、搅拌机运行。

4.如权利要求1所述的石油加药自动定量控制方法，其特征在于，累计换算方法具体包括：通过利用PLC的定时中断来实现，在CPU的属性内设置循环中断组织块OB35的循环中断时间为N ms；利用OB35产生的N ms循环中断进行药剂的累计，中断到来并且配置允许时时，进行一次OB35的累计算法；当累计值达到需要的设定值时，表明加入完成，电磁阀动作，停止加入；

流量计测得的实际值换算成实时流量工程值Q单位为L/h，换算到L/s，由于每100ms一次中断累计一次，计算累积的体积时需要用上一次的累计值加上换算后的流量值乘以100ms；于是累计体积V_n+1＝V_n+(Q/3600)*N。

5.如权利要求1所述的石油加药自动定量控制方法，其特征在于，所述闭环模糊自适应PID算法具体包括：找出PID的三个参数与误差e和误差变化率d/dt之间的模糊关系，在运行中不断检测E和Ec，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整，满足不同E和Ec时对三个参数的不同要求；利用PLC自带PID参数整定工具根据不同管道压力整定的PID参数来建立模糊控制规则库。

6.一种如权利要求1所述石油加药自动定量控制方法的石油加药自动定量控制系统，其特征在于，所述石油加药自动定量控制系统包括：PLC控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第一流量计、第二流量计、第一液位计、第二液位计、第一罐体、第二罐体、第一搅拌机、第二搅拌机、第三电磁阀、第四电磁阀、计量泵；

PLC控制器与第一流量计、第二流量计、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一搅拌机、第二搅拌机、计量泵通过信号线连接；

第一电磁阀通过管道连接第一流量计，第一流量计通过管道连接第一罐体，第一罐体通过管道连接第三电磁阀，第三电磁阀通过管道连接计量泵；第一罐体的内部中间位置安装有第一液位计，第一罐体的顶部安装有第一搅拌机；

第二电磁阀通过管道连接第二流量计，第二流量计通过管道连接第二罐体，第二罐体通过管道连接第四电磁阀，第四电磁阀通过管道连接计量泵；第二罐体的内部中间位置安装有第二液位计，第二罐体的顶部安装有第二搅拌机。