基于油田PLC模拟实训平台的设计

宋伟强 周 珑

（1.大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江 大庆 163511；2.百超（上海）精密机床有限公司，上海 201702）

随着工业控制技术的快速发展，PLC已经广泛应用于油田站库的各个生产环节。它使大规模的现场工艺参数的采集与控制成为现实，同时又提供了安全可靠的性能保障。

然而由于各个油田的装置配置标准不一，配置的PLC装置时间有先有后，造成了目前油田的操控环节存在众多不同的PLC厂家提供的产品。尽管从原理上讲这些PLC系统是一致的，但其结构体系与编程语言各不相同；另一方面，由于涉及的PLC厂家过多，某些产品的售后大部分无法保证，这给现场操作以及后期的系统维护带来巨大的困难，只有当系统维护人员精通了PLC的现场应用技术后才有可能解决后期维护的问题。因此，如何让技术人员尽快掌握PLC现场应用技术是目前油田实现计算机操作管理系统中急需解决的首要问题。针对以上的需求，我们研制了基于S7-300的油田PLC模拟实训平台。该平台的主旨是让PLC系统的维护人员以及相关的操作人员尽快掌握PLC的基本结构、原理和编程技术，为技术人员进一步开展可编程控制器应用技术研究，保障整个油田测控系统安全平稳运行提供必要的技术支撑。

1 模拟实训平台的硬件组成

模拟实训平台的硬件主要包含可编程控制器，工控机和信号发生器。如图1所示。

图1 PLC模拟实训平台的硬件组成图

通过油田现场调研发现，尽管PLC品种较多，但西门子和AB两种PLC使用数量相对较多，考虑一定的针对性，我们模拟实训平台的PLC系统选择了西门子的S7-300，而信号发生器选用AB PLC，通过编程来产生模拟信号。选用两种PLC系统的主要原因有3点：①可以研究掌握不同种类PLC编程语言及应用技术；②两种以上的PLC可以组成一套互为通信的测控系统，可以理解并掌握PLC间的数据通信及控制技术；③可以构建实验室PLC模拟控制系统。

1.1 PLC配置

油田生产过程控制中主要是进行温度、压力、流量、液位界面、阀状态、泵运行状态等运行参数的采集，对油水界面、压力、阀位、变频器等进行控制，为此模拟实训平台PLC系统采用了SIEMENS的SIMATIC S7-300，在PLC硬件选择上选用了CPU模块、模拟量输入输出模块、脉冲计数模块、扩展模块、通信模块、数字量输入输出模块，含盖了油田检测控制的全部功能。

1.2 工控机系统及信号发生器

工控机我们选用了研华 IPC-610。它与 S7-300可编程控制器通过网线以TCP/IP方式进行通信，也可以使用编程电缆直接连接。主要完成以下任务：①编制及调试PLC应用程序，并下载到PLC中，使PLC可以独立完成生产过程控制；②应用组态软件编制上位机监控程序，实现与PLC通信，在上位机中对PLC运行参数进行监测与控制调整；③利用组态软件管理功能实现参数报警、历史记录、报表等生产管理功能。

由于是室内模拟实训平台，因此还要有一台信号发生器来模拟现场仪表的信号。考虑的油田的实际情况，没有选择通用的信号发生器，而是选用AB PLC作为信号发生器的硬件，通过编程来实现信号模拟，这样做不仅实现了模拟信号，而且更加符合油田的实际情况。信号发生器主要用于仿真一些现场设备和控制特性，包括模拟量输入、输出，开关量输入、输出。如用信号发生器模拟污水、脱水站的大部分设备的特性信号等。

2 油田生产过程仿真软件的开发

以油田PLC模拟实训平台为依托，开发了油田生产过程仿真系统。油田生产过程仿真系统由控制系统和信号仿真系统组成。其中控制系统包括了脱水岗控制系统和污水岗控制系统，信号仿真系统包括脱水工艺仿真和污水工艺仿真。控制部分由西门子控制系统模拟实现，信号仿真系统由 AB控制系统模拟实现。

平台软件系统还包括下位机PLC控制软件和上位机人机界面软件。应用的软件为 STEP7 V5.4及WINCC5.0。其中，STEP7 V5.4完成系统组态和编程；WINCC5.0用于系统现场监控，实现人机界面。

2.1 下位机PLC控制软件

下位机PLC控制软件用来完成生产工艺的全部任务，软件开发的好坏直接影响系统的运行。使用STEP7 V5.4作为PLC应用程序的开发平台，编制PLC应用平台的梯形图控制软件。

PLC应用平台下位机控制程序主要由各种功能块组成，整个系统建立了模拟信号的采集以及数据处理模块、报警模块、脉冲信号的采集模块、高数计数器的读写模块、反冲洗功能块、阀控制模块、变频器控制模块和PID控制模块等。

2.2 上位机人机界面软件

PLC应用平台的上位机人机界面软件采用WinCC组态软件编制。整个上位机软件由污水站和脱水站两部分组成。其中污水站有4个滤罐，可实现连续反冲洗、单罐反冲洗、变频器PID控制和反冲洗流量监测；脱水站有游离水脱除器、电脱水脱除器、加热炉和事故罐等，可实现罐液位监测与控制、油外输流量和天然气流量的计量等。

3 仿真程序开发

仿真程序包含泵、阀和PID控制器仿真程序等3部分。在泵仿真中，由于泵的运行通常有两类状态，即工频运行或变频运行。故在仿真程序中，用阶跃信号来模拟泵的工频运行；用阶跃信号加PID控制器来模拟泵的变频运行；如果只需要简单模拟变频运行的话，则采用斜坡信号来模拟变频运行。

电动阀门仿真程序用0和1分别来表示阀门开启和关闭，中间过渡过程采用斜坡信号来模拟；同时为了尽可能逼近现场的情形，我们在仿真中加入了延时环节，PLC的纯滞后命令就能实现这一功能。

由于PLC系统已经内嵌了PID控制器，PID仿真程序比较简单。为简便，选用的传递函数为

其中，Lead为微分时间常数，Lag为积分时间常数。通过PLC编程加载这两个常数，再调用PLC的积分控制器和微分控制器命令，就能快速地实现PID控制，进而模拟不同的PID控制效果。图2和图3给出了泵的变频运行模拟。其中，图 2和图 3被控对象的仿真参数为 lead=100，lag=1000；图 2的 PID参数为 Kp=10，Ki=0.1；KD=0；图 3的 PID参数为Kp=1，Ki=1，KD=0。参考输入信号均为阶跃信号，其幅值为 1。由于在实际中，参考信号和输出信号具有多种表现形式，为简便起见，采用的是标准化后的信号。

图2 PID参数为KP=10，Ki=0.1，KD=0的系统动态响应影响

图3 PID参数为KP=1，Ki=0.1，KD=0的系统动态响应影响

从图2和图3中不难看出不同的PID参数对系统的动态响应影响比较大，图2中泵运行平稳，几乎没有出现超调现象，此时对应的实际工况是机组运行平稳，是合理的操作方式。而图3的泵不仅动作缓慢，而且输出出现了较大超调，此时对应的实际情况是系统过载，容易造成电机过热而损坏，因此需要尽可能避免这种现象出现。显而易见，只有选择合理的 PID 参数才能保证运行工况平稳。因此，通过实训平台的培训，可以让操作工了解到在实际中出现该现象时该如何调节PID的参数。

4 应用情况

油田PLC模拟实训平台实现了生产过程中的温度、压力、液位、流量等参数采集处理及阀位、流量、液位程序控制技术的实验室内技术培训与开发。通过该平台使得员工基本掌握了西门子与 AB两种PLC的硬件安装、连接、调试及应用软件（数据采集、处理、存储、通信、PID控制、信号输出等）编程调试技术，工控机与PLC间数据调用与通信控制技术；掌握了输油系统和污水处理过程中PLC应用编程技术。通过平台培养了一批可编程控制器应用和维修技术人员，为后续开发某测控系统、恢复某污水反冲洗系统奠定了技术基础，取得了较好的经济效益。

5 结论

油田PLC模拟实训平台集可编程逻辑控制器、通信编辑器、编程软件、工控组态软件、实物等于一体，可直观地进行PLC的基本指令训练，多个应用广泛的PLC实际应用模拟实验和模拟控制实验，为油田PLC系统的高层次的设计开发实验提供良好的条件。通过该平台，可以提高技术人员测控系统开发维护能力，实现油田联合站、注水站、污水站及聚驱注入测控系统软硬件自主开发与维护，保证生产的正常运行，进而提高站库的管理水平。尽管该平台是针对油田开发的，但其采用的编程方法均为通用方法，因此该平台对其他领域的员工培训和系统开发均具有较好的借鉴意义。

[1]于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]吴思俊,林嵩.谈 PLC实训室的校本化建设[J].科技信息(学术研究)，2007(1):81.