原油油品自動取樣在SCADA系統上的高度集成化

朱同 董飛 陳婉秋 尹后鳳

1廊坊開發區中油龍慧自動化工程有限公司

2中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司

3中國石油管道局工程有限公司第一分公司

4華港燃氣集團有限公司

自動取樣分為時間比例取樣和流量比例取樣兩種方式，時間比例取樣基于總采樣時間和需要采集量，計算采樣時間間隔，該種取樣方式以時間為基數，取樣頻率在整個取樣過程維持不變，是一種平均取樣。流量比例取樣基于發油批次總量和需要采集量計算采樣時間間隔，并與流速有關，取樣頻率與流速成比例[1]。在SCADA 系統HMI 操作控制界面，顯示取樣瓶質量、當前取樣次數、總取樣次數、總取樣時間以及采集量等重要參數，下發取樣總時間設定、取樣瓶質量超限設定、采集量設定和發油總量設定等，所描述的是基于施耐德PLC的原油自動取樣，是在站場SCADA 系統已有PLC 與工控上位機Vijeo Citect的基礎上進行功能擴建，通過在PLC機柜內改造接線和程序畫面的編程組態，實現了SCADA系統整合原油油品自動取樣功能[2]，并在乍得Ronier-Kome原油管道投入使用。

1 取樣裝置組成

1.1 取樣工藝系統

油品取樣工藝流程主要由靜態混合器、管線取樣頭、過濾器、流量開關、循環泵、止回閥、手動閥、球閥壓力表以及采樣柜組成。圖1為自動取樣工藝流程圖。

圖1 自動取樣工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of automatic sampling

（1）靜態混合器。流體在管線中流動沖擊各種類型板元件，增加流體層流運動的速度梯度或形成湍流，使流體進一步分割混合，最終混合形成所需要的乳狀液。通過設置靜態混合器，可以使管線中的原油和水充分混合，到達取樣時所要求的均勻分散狀態[3]。

（2）管線取樣頭。插入工藝管線獲取原油樣品。

（3）過濾器。過濾混合原油樣液中的雜質，清潔油品，保護采樣柜中的取樣馬達、取樣器等設備，提高取樣分析精度。

（4）循環泵。取樣工藝管線中的動力設備，使油品從站場工藝管道到取樣管線再到站場工藝管道間循環流動。

（5）止回閥。防止原油油品倒流。

（6）流量開關。信號上傳PLC，用于檢測管道內是否有流量，當PLC檢測到開關閉合時，才能開始自動取樣。

1.2 采樣柜

采樣柜主要放置取樣馬達（采樣器）、取樣管線、取樣瓶、電子秤和換向閥等設備，PLC通過電纜與取樣馬達、換向閥、電子秤連接，控制馬達動作和換向閥的開關，采集電子秤取樣瓶的質量數據[4]。圖2為采樣柜內設備示意圖。

圖2 采樣柜設備示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment in the sampling cabinet

（1）取樣馬達。從取樣工藝管線抽取原油，通過取樣管線注入取樣瓶內。

（2）換向閥。用于取樣瓶切換，當1#取樣瓶取樣到達上限后，換向閥自動切換至2#取樣瓶繼續取樣。

（3）取樣瓶、電子秤。取樣瓶用于盛裝原油樣品，電子秤計量取樣瓶質量。

2 自動取樣模式

自動取樣模式分為時間比例取樣和流量比例取樣，對于流速恒定工況，一般使用時間比例取樣，取樣時間間隔一定，屬于平均取樣。流量比例取樣，根據流速變化調整取樣間隔，取樣前需提前設定批次發油量。自動取樣啟動前會檢查安裝在取樣工藝管線的流量開關狀態，當循環泵啟動，管線內原油混合液開始流動后，流量開關閉合，就具備了自動取樣的前提條件[5]。

2.1 時間比例取樣

調度員在操作員工作站輸入總采樣時間t總，輸入需要采集量V采，下達至PLC，計算總采集次數與采樣時間間隔，以采樣時間間隔進行計時，驅動取樣馬達進行油品采樣，并記錄實際采樣次數，取樣瓶超重后通過程序驅動換向閥更換備用取樣瓶，達到總取樣次數或備用取樣瓶超重時停止取樣[6]。圖3 為時間比例取樣邏輯框圖。

2.2 流量比例取樣

圖4 流量比例取樣邏輯框圖Fig.4 Logic block diagram of flow proportional sampling

調度員輸入發油批次總量V總，輸入需要采集量V采，下 達 至PLC，計算總采集次數N總，計算容積采樣比例間隔，計算采樣時間間隔，以采樣時間間隔進行計時，驅動取樣馬達，進行油品采樣，并記錄實際采樣次數，取樣瓶超重后通過程序驅動換向閥更換備用取樣瓶，達到總取樣次數，或備用取樣瓶超重時停止取樣[6]。圖4為流量比例取樣邏輯框圖。

3 SCADA系統組態

3.1 施耐德PLC組態開發

PLC 控制器采用施耐德Unity 67160 系列冗余CPU，取樣馬達和換向閥的控制由PLC控制器驅動DO 模塊下發24V DC 控制電壓執行，DO 模塊采用Unity 140DDO84300，與現場取樣馬達、換向閥之間設置繼電器[7]。電子秤取樣瓶質量數據通過4～20 mA電流信號上傳施耐德PLC AI 模塊，模塊型號為140AVI03000。PLC的系統配置如圖5所示。

圖5 施耐德PLC系統配置Fig.5 Schneider PLC system configuration

在施耐德PLC 中利用功能塊語言開發邏輯程序，按照時間比例取樣與流量比例取樣邏輯框圖進行編程[8]。站控調度員可以通過選擇取樣瓶A 或者取樣瓶B 下發時間比例取樣和流量比例取樣命令，命令下發開始啟動取樣后，程序進入取樣監視狀態，觸發取樣執行中報警，并開始記錄取樣次數與取樣累計時間，在HMI 畫面顯示當前取樣模式，當前取樣次數自動計算，以自動下發的脈沖命令為基礎進行取樣次數計算。當取樣瓶質量到達當前設定上限或者取樣時間和取樣次數到達，自動取樣停止，HMI畫面顯示取樣停止報警。除此之外，人工也可以手動點擊HMI 畫面的取樣停止按鈕停止自動取樣[9]。

取樣脈沖命令的持續時間也決定了油品取樣效果的好壞，脈沖命令用于驅動取樣馬達，馬達轉動的時間長短會決定每次取樣量的多少，通過查詢取樣裝置的相關數據資料，取樣馬達的取樣流速V取為100 mL/s，總取樣量與設定的總取樣時間或發油量和管道流速有關。因此每次取樣脈沖時間都需要根據設定的參數進行計算，計算公式為Tp=，將Tp作為PLC DO 模塊通道輸出24 VDC 的保持時間。

程序開發了取樣自動切換功能，當事先選擇的取樣瓶質量到達上限值后，而另一個取樣瓶還未進行取樣，并且取樣次數也未達到總取樣次數，則進行取樣瓶換向切換，程序驅動PLC DO 模塊動作換向閥進行換向，把注入孔對準空的備用瓶繼續取樣。

取樣瓶質量信號丟失應立即停止取樣，如果在自動取樣過程中電子秤損壞或者信號采集發生故障，由于程序始終檢測不到質量數據，就無法與上限值比較，只能通過比較當前采樣次數與總采集次數來決定是否停止自動取樣。如果在取樣次數未到達之前，取樣瓶質量信號始終處于斷線狀態，換向閥無法動作，取樣馬達一直往一個取樣瓶注入原油，就造成原油溢出，會產生比較危險的后果。因此在程序開發時，加入了質量信號丟失后立即切換至另一個取樣瓶進行取樣的邏輯，并上傳取樣瓶質量丟失報警和取樣瓶切換報警。如果另一個取樣瓶質量也到達上限或已經發生過取樣瓶切換，立即停止自動取樣，并產生保護報警至HMI畫面顯示。

在實現以上邏輯控制功能外，還對自動取樣進行了以下兩種保護控制功能開發：

（1）取樣馬達故障或PLC取樣控制輸出故障造成單次取樣量減少或空取。取樣馬達故障或PLC控制輸出故障后，會造成單次取樣量減少或憑空取樣，因此在程序開發時，每取10 次樣，就記錄取樣瓶增重，再取10 次樣時，再記錄取樣瓶增重。與上一個10 次取樣瓶增重值進行比較，如果差值超過40%，在SCADA 系統HMI 上位機產生一條警告報警，并在PLC 程序中將上一個10 次取樣瓶增重值記錄鎖存，程序繼續每隔10 次取樣就計算一次取樣瓶增重值，連續3次取樣瓶增重值與出現告警時記錄鎖存的增重值相比差值均超過40%，就在SCADA 系統HMI 畫面產生取樣故障報警，提示調度員，由調度員決定是否停止取樣，或去現場進行查實。取樣停止、取樣瓶切換和出現取樣故障報警時，增重記錄全部清零，取樣瓶切換和出現取樣故障報警時原增重記錄全部清零并重新開始循環記錄。正常情況下，程序對每10 次的取樣瓶增重進行不斷更新，保證差值的計算都是在臨近20 次的取樣基礎上。

（2）換向閥控制故障。由于本取樣裝置換向閥無狀態反饋，一旦換向閥發生故障沒有進行取樣瓶切換，原油仍然會向已注滿樣品的取樣瓶中注入，所以在程序中設置了一旦產生取樣切換報警后，記錄換向后開始的最早10 次取樣的增重值，如果增重值為0（在實際編程中考慮到4～20 ma 電流信號波動，最早10次取樣增重值在0～0.1 kg以內，均認為換向閥未執行切換），則認為換向閥未切換，取樣立即停止。對于有狀態反饋的換向閥，可不用做換向閥故障后的保護停止取樣。

3.2 Vijeo Citect上位機組態開發

站場SCADA 系統上位機采用的是施耐德旗下Vijeo Citect系列工控軟件，該軟件便于工程師自主開發，通過C語言編程，可根據現場實際需求靈活定制系統功能。本次自動取樣優化改造是在站場SCADA 系統原有Vijeo Citect 工程基礎上進行的，在上位機增加了自動取樣HMI 人機界面，調度員可以通過操作員站直接一鍵啟停自動取樣功能[10]。圖6為自動取樣人機交互界面。

在界面左側采樣柜流程圖內可顯示取樣瓶質量及當前取樣模式，并可下發取樣瓶的取樣次數復位命令，命令下發后當前取樣次數清零，但取樣不停止，繼續從0開始記錄取樣次數。

界面右側為時間取樣和流量取樣控制面板。時間取樣控制面板可設定取樣瓶質量上限并顯示，設定總采樣體積和批次發油量并顯示，顯示總采樣次數和當前采樣次數，指示當前自動取樣處于啟動狀態或停止狀態。并可一鍵啟動自動取樣或一鍵停止自動取樣。流量取樣控制面板可設定取樣瓶質量上限并顯示，設定總采樣體積和總采樣時間并顯示，顯示總采樣次數和當前采樣次數，指示當前自動取樣處于啟動狀態或停止狀態。并可一鍵啟動自動取樣或一鍵停止自動取樣。

圖6 自動取樣人機交互界面Fig.6 HMI of automatic sampling

在自動取樣人機交互控制界面，調度員可根據需要選擇取樣瓶A或者取樣瓶B開始自動取樣。

4 結束語

基于施耐德PLC的原油油品自動取樣目前已在乍得Ronier-Kome 原油管道工程上成功使用，系統運行穩定可靠，用戶無需前往工藝區，可在綜合值班室通過操作員站上位機實現一鍵自動精確取樣，進一步提高了取樣效率。該功能的成功實現，減少了一套自動取樣控制器，大大降低了經濟成本，提高了自動取樣人機可視化程度，自動取樣的保護控制功能能夠對現場取樣過程可能發生的油品溢出起到抑制作用，對以后長輸管道原油自動取樣及其他第三方設備在SCADA 系統內的高度集成提供了參考和借鑒。